Elektromagnetisch golfinteractiemechanisme en beperkingen van fysieke dimensies
De belangrijkste reden voor de schaarsheid van millimetergolfradarpuntenwolken komt voort uit de fundamentele fysische wetten van golfoptica en elektromagnetisme. De reguliere werkfrequentieband van voertuig-gemonteerde millimetergolfradar is 77GHz tot 79GHz, en de overeenkomstige golflengte is ongeveer 3,8 mm tot 3,9 mm.
Volgens de elektromagnetische golfreflectietheorie bepaalt de relatieve ruwheid van het objectoppervlak de kenmerken van de echo. Wanneer de detectiegolflengte veel groter is dan de golvingsgrootte van het objectoppervlak, verschijnt het oppervlak als een quasi-spiegeloppervlak vanuit het perspectief van elektromagnetische golven, en de resulterende reflectie volgt de wet van Snell, dat wil zeggen dat de invalshoek gelijk is aan de reflectiehoek.
In stedelijke wegen zijn de metalen oppervlakken van auto's, glazen vliesgevels van gebouwen en vlakke asfaltverhardingen bijna allemaal "spiegeloppervlakken" voor millimetergolven met golflengten van bijna 4 mm.
Deze spiegelreflectie zorgt ervoor dat het grootste deel van de elektromagnetische energie verdwijnt in een richting weg van de millimeter{0}}golfradar, waarbij slechts een zeer kleine hoeveelheid energie wordt teruggestuurd naar de ontvangende antenne via diffractie aan de rand van het object, secundaire reflectie van de hoekreflectorstructuur of terugverstrooiing door normale inval.
De door lidar gebruikte golflengte ligt daarentegen op het niveau van 905 nm of 1550 nm, wat drie ordes van grootte kleiner is dan millimetergolven. Veel objectoppervlakken zijn ruw voor lasers en kunnen uniforme diffuse reflectie produceren, waardoor ervoor wordt gezorgd dat alle delen van het objectoppervlak echopunten kunnen reflecteren.
Naast verschillen in reflectiepatronen beïnvloeden ook de diëlektrische constante en de geleidbaarheid van het materiaal zelf de rijkdom van de puntenwolk. Metaal is een goede geleider en heeft een extreem hoge reflectiviteit voor millimetergolven, zodat voertuigen, vangrails en andere objecten relatief stabiele detectiepunten kunnen vormen. Voor niet-metalen doelen zoals voetgangers waarvan het hoofdbestanddeel vocht is, is het absorptie- en verstrooiingsmechanisme van millimetergolven complexer.
Hoewel het koolstofgehalte van het menselijk lichaam het enigszins reflecterend maakt in de millimetergolfband, wordt de energie gemakkelijk in meerdere richtingen verspreid, omdat de oppervlaktevorm van het menselijk lichaam extreem onregelmatig is en geen groot gebied met vlakke of hoekige reflectiestructuur heeft, waardoor de echo-intensiteit heftig fluctueert.
Sommige onderzoeken hebben hier experimenten mee gedaan. Het gebruik van met koolstof-gecoate menselijke lichaamsmodellen kan de reflectiekenmerken van voetgangers simuleren. Maar toch, wanneer de ledematen van de voetganger zich in een hoek bevinden ten opzichte van de radarstraal, zal een groot aantal radiofrequentiesignalen worden afgebogen in plaats van teruggestuurd. Dit verklaart ook waarom in de millimeter{4}}golfradarweergave de puntenwolk van voetgangers niet alleen schaars is, maar ook vaak onderdelen mist.
De beperkingen van hardware-apertuur en hoekresolutie verergeren de discretisatie van ruimtelijke perceptie nog verder. Het vermogen van millimetergolfradar om aangrenzende doelen te onderscheiden wordt beperkt door de hoekresolutie van de antenne, die fysiek wordt bepaald door de verhouding tussen de golflengte en de equivalente opening van de antenne.
Beperkt door de installatieruimte van het voertuig, kan de fysieke grootte van millimetergolfradarantennes niet oneindig worden uitgebreid. Dit zorgt ervoor dat de horizontale hoekresolutie van traditionele millimetergolfradars slechts tussen de 5 en 10 graden blijft, en de meeste van hen hebben niet het vermogen om hellingshoeken waar te nemen.
Dit betekent dat millimetergolfradar binnen een breed bundelbereik, zelfs als er meerdere reflectiecentra zijn, deze kan samenvoegen tot één puntuitvoer vanwege onvoldoende resolutie. Deze inefficiëntie op het niveau van 'ruimtelijke bemonstering' beperkt fundamenteel het aantal puntenwolken dat in een eenheidsruimte kan worden gegenereerd, waardoor het voor millimeter{1}}golfradar onmogelijk wordt om gedetailleerde drie-dimensionale modellen te bouwen door middel van dichte laserbundelscanning zoals lidar.
