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产品特写
 
用于非接触式工业传感器的24GHz雷达
材料来源:《微波杂志》2018年3/4月刊           录入时间:2018/4/23 14:22:46

用于非接触式工业传感器的24GHz雷达

24GHz Radar For Non-Contact Industrial Sensors

Analog Devices Inc.,Norwood, MassUSA

基于硅的24GHz雷达技术正在实现新一代现实的非接触式智能传感器,并且越来越多地用于汽车和无人机等工业和消费电子等大众市场。这类雷达传感器可以提供有关物体存在、运动、角位置、速度以及与传感器几厘米到几百米的距离等实时信息。直到最近,毫米波雷达传感器仍使用尺寸庞大、复杂且构建成本高昂的分立组件来实现,这限制了其在工业市场的广泛采用。现在,ADI公司的24GHz雷达产品提供出色的性能和高集成度,可实现小尺寸、低成本和易用性,适用于物体检测、跟踪、安全控制和防撞警告系统等应用。

高速开发

针对评估、设计和制造雷达传感技术的公司所面临的上市时间挑战,ADI公司最近推出了一款24GHz雷达系统级原型解决方案,称为Demorad(1)。演示雷达系统是一款新颖的雷达评估平台,提供开箱即用的软件,可在数分钟内设置雷达传感器。演示雷达可对雷达产品进行快速原型制作,从而实时测量目标/对象存在、运动、角位置、速度以及距离。

1 24GHz演示雷达平台显示发送(左)和接收(右)天线。

2所示,此平台中包含天线和完整的射频到基带信号链,包括ADI的24GHz芯片组和Blackfin数字信号处理器(DSP)。前端包含两条发射(Tx)和四条接收(Rx)通道,天线位于印刷电路板的一侧,24GHz射频芯片组、模数转换器和DSP位于相反一侧。

 

2 RF-基带信号链。

这些多通道支持多路输入多路输出(MIMO)功能,可以提高传感器的角分辨率。使用两个发送输出和适当的天线位置可以生成七条接收通道——四条实际通道和四条虚拟通道,一条通道重叠。

信号处理选项包括原始数据采样和数字后处理,Blackfin库中提供实时快速傅立叶变换(FFT)和控制固件。此系统可处理高达每IF通道1.2MSPS的数据速率。Demorad可通过USB 2.0接口连接至搭载包含极易使用的图形用户界面(GUI)软件的计算机。此GUI可控制24GHz前端,还可访问雷达算法库。或者,Demorad还可使用MATLAB中开发的自定义例程,如2D/3D雷达FFT、恒虚警(CFAR)和分类算法,写入用于后处理的原始传感器数据。

FMCW雷达

演示雷达平台针对发送波形使用FMCW。3说明FMCW的基本理论,显示斜坡或扫频波形以及定义性能的雷达公式。距离分辨率取决于发送载波的扫描带宽,发送扫描带宽越高,雷达传感器的距离分辨率越高。速度分辨率取决于发送天线工作时间和载波频率,载波频率越高或发送天线工作时间越长,速度分辨率越高。角分辨率取决于载波频率,载波频率越高,角分辨率越好。

 

3 FMCW雷达概念。

Demorad监测最远至200m且分辨率约为75cm的对象范围和速度。根据天线阵列设计,水平视野(FOV)方位角约为120度,垂直视野约为15度。

雷达系统信号链包括DSP中的一些基本算法:FFT、波束合成和CFAR。FFT提供距离和速度数据,波束合成可估计角度位置,CFAR可在出现杂波或其它噪声时检测目标。Demorad主要用于采集时域和频域中的雷达信号,不包括高级目标检测或对象分类算法。基本目标检测和目标分类在主机PC上运行。此应用开发通常由终端系统开发人员执行,他们了解雷达传感器的工作环境以及所需的对象检测类型。

Demorad为用户提供多种操作模式:

FMCW雷达:在FMCW模式下,可以测量静止目标的距离,目标的下变频接收信号的频率与到该目标的距离成比例。内置FFT可确定频率。使用距离-时间显示选项可以查看移动目标,同时显示屏会存储多个FMCW扫描。

距离-多普勒:在距离-多普勒模式下,可以确定到目标的距离以及速度。距离-多普勒模式是最强大的模式之一,因为它能够通过评估二维傅里叶变换同时处理多个发送斜坡或扫频,并将处理的数据显示在距离-多普勒图上(4)。距离-多普勒非常强大,它可分离距离相同、速度不同的目标。这对于识别不同方向的多个快速移动目标非常有用。例如,解决汽车朝相反方向移动或超车期间的复杂交通情况。

 

4 利用2D FFT获取的距离和多普勒频率。

数字波束成形(DBF)在DBF模式下,显示到目标的距离以及与该目标所成的角度。来自四个接收通道的信号用于估计目标的角度,显示屏显示xy平面中各目标的空间分布。在此模式下,系统配置与FMCW模式下的相同,但对IF下变频信号的处理方式不同。在计算距离之后,通过评估四个接收通道之间的相位差来确定目标的角度。在DBF模式下,需要进行前端系统校准,以消除接收通道之间不必要的确定性相位差。每个演示雷达系统都具备工厂校准数据,在GUI运行时加载,随后会先校正采样的IF信号,再评估传感器的测量数据。

Analog Devices Inc.

Norwood, Mass.

www.analog.com


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