Elektromagnetisk bølgeinteraksjonsmekanisme og begrensninger av fysiske dimensjoner
Den primære årsaken til at millimeterbølgeradarpunktskyene er sparsomme, stammer fra de grunnleggende fysiske lovene for bølgeoptikk og elektromagnetisme. Det vanlige arbeidsfrekvensbåndet til kjøretøymontert-millimeterbølgeradar er 77GHz til 79GHz, og den tilsvarende bølgelengden er omtrent 3,8 mm til 3,9 mm.
I henhold til teorien om elektromagnetisk bølgerefleksjon bestemmer den relative ruheten til objektoverflaten egenskapene til ekkoet. Når deteksjonsbølgelengden er mye større enn bølgelengden til objektoverflaten, fremstår overflaten som en kvasi-speiloverflate fra perspektivet til elektromagnetiske bølger, og den resulterende refleksjonen følger Snells lov, det vil si at innfallsvinkelen er lik refleksjonsvinkelen.
I urbane veiscener er metalloverflater på biler, glassgardinvegger i bygninger og flate asfaltdekker nesten alle "speilflater" for millimeterbølger med bølgelengder nær 4 mm.
Denne speilrefleksjonen får mesteparten av den elektromagnetiske energien til å spre seg i en retning bort fra millimeter-bølgeradaren, med bare en svært liten mengde energi som sendes tilbake til mottakerantennen gjennom diffraksjon ved kanten av objektet, sekundær refleksjon fra hjørnereflektorstrukturen eller tilbakespredning fra normal innfall.
I motsetning til dette er bølgelengden som brukes av lidar på 905nm eller 1550nm nivå, som er tre størrelsesordener mindre enn millimeterbølger. Mange objektoverflater er grove for lasere og kan produsere jevn diffus refleksjon, og dermed sikre at alle deler av objektoverflaten kan reflektere ekkopunkter.
I tillegg til forskjeller i refleksjonsmønstre, påvirker den dielektriske konstanten og ledningsevnen til selve materialet også punktskyens rikdom. Som en god leder har metall ekstremt høy reflektivitet for millimeterbølger, slik at kjøretøy, autovern og andre gjenstander kan danne relativt stabile deteksjonspunkter. For ikke-metalliske mål som fotgjengere hvis hovedkomponent er fuktighet, er absorpsjons- og spredningsmekanismen til millimeterbølger mer kompleks.
Selv om karboninnholdet i menneskekroppen gjør det noe reflekterende i millimeterbølgebåndet, fordi overflateformen til menneskekroppen er ekstremt uregelmessig og ikke har et stort område med plan eller vinkelrefleksjonsstruktur, spres energien lett i flere retninger, noe som får ekkointensiteten til å svinge voldsomt.
Noen studier har gjort eksperimenter på dette. Bruken av karbon-belagte menneskekroppsmodeller kan simulere refleksjonsegenskapene til fotgjengere. Imidlertid, når fotgjengerens lemmer er i en vinkel i forhold til radarstrålen, vil et stort antall radiofrekvenssignaler avledes i stedet for å returneres. Dette forklarer også hvorfor i millimeter-bølgeradarvisningen er punktskyen til fotgjengere ikke bare sparsom, men også ofte mangler deler.
Begrensningene for maskinvareåpning og vinkeloppløsning forverrer diskretiseringen av romoppfatning ytterligere. Millimeterbølgeradarens evne til å skille mellom tilstøtende mål er begrenset av antennens vinkeloppløsning, som fysisk bestemmes av forholdet mellom bølgelengden og antennens ekvivalente blenderåpning.
Begrenset av kjøretøyets installasjonsplass, kan den fysiske størrelsen på millimeterbølgeradarantenner ikke utvides i det uendelige. Dette gjør at den horisontale vinkeloppløsningen til tradisjonelle millimeterbølgeradarer kun holder mellom 5 grader og 10 grader, og de fleste av dem har ikke evnen til å oppfatte pitch-vinkler.
Dette betyr at innenfor et bredt stråleområde, selv om det er flere refleksjonssentre, kan millimeterbølgeradar slå dem sammen til et enkelt punktutgang på grunn av utilstrekkelig oppløsning. Denne ineffektiviteten på "romlig sampling"-nivå begrenser fundamentalt antallet punktskyer som kan genereres i et enhetsrom, noe som gjør det umulig for millimeter-bølgeradar å bygge detaljerte tre-dimensjonale modeller gjennom tett laserstråleskanning som lidar.
