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智能应用驱动雷达技术普及,毫米波雷达将迎来黄金时期
左小木 | 2018-04-16 19:04:32    阅读:2117   发布文章

雷达作为最初的军用设备如今已经普及到商用市场,广泛应用于工业、通信、消费等各领域,那么,究竟什么是雷达呢?

简言之,雷达(Radio Detection andRanging)是用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置,是利用电磁波侦测目标的电子设备。主要通过多普勒频移公式推算物体的速度、通过电磁波测得值计算目标距离或范围、通过天线相位差计算目标方向及角度、通过FMCW(FrequencyModulated Continuous Wave,调频连续波)计算目标位置,这使得其有诸多不同应用方向,包括发展火热的无人驾驶、无人飞机,甚至智能手机及穿戴设备上的手势识别等。

另外,由雷达测算诸多物理量的信息可以看出,对于设计而言,雷达除了需要有完整的硬件组成,演算及算法也是重要部分。

作为有超过十年的雷达应用经验,在汽车雷达中24GHz和77GHz见长的英飞凌,其电源管理及多元化市场事业部大中华区射频及传感器部门总监麦正奇先生在第七届EEVIA年度中国ICT媒体论坛暨2018产业和技术展望讨论会上就雷达的技术、发展及应用做了详尽的介绍。

硬件组成

  如图1所示为雷达系统的基本硬件组成,包括发射机、接收机、信号处理器及天线。在雷达工作时,发射机生成射频电信号,通过天线将电信号(电能)转化为电磁波发出,另一个雷达的接收机接收到射频信号后,将射频电信号转换为低频信号,再由信号处理器从信号中抽取距离、速度和角度等信息完成工作回路。当然,要真正操作雷达,还需要有内部算法和GUI界面。

图1 雷达系统的基本硬件组成

工作模式

根据功能的不同,雷达可以分为多种工作模式,其中,表1给出了三种工业雷达主要应用的工作模式。

表1 三种工业雷达主要应用的工作模式

就不同功能和应用而言,当你的设计只需要侦测物体速度或运动时,在算法部分可以用简单的多普勒效应实现,这也相对容易实现;当你的设计还需要侦测物体距离时,就必须要用FSK才能实现;当你的设计还需要侦测静态物体的存在感,就必须要用FMCW。相应的算法复杂度依次为:CW——FSK——FMCW,随着算法复杂程度的不断加深,解决方案的成本及其运算功耗也相应增长,因而复杂算法应用一直是雷达应用的一个较大的挑战。

毫米波雷达

毫米波是指波长为1~10mm的电磁波,它位于微波与远红外波相交叠的波长范围,因而兼有两种波谱的特点。目前毫米波主要有数据传输和雷达侦测两大方面的应用。其中,在雷达方面,盲点侦测(BSD)是其快速增长的一个应用,而其主要应用在汽车工业上,如图2所示为全球24GHzBSD的需求趋势。

图2 全球24GHz BSD需求趋势图

由图2可以看到,2017年有2.18亿颗传感器应用在在这个BSD上面,因而市场对于毫米波雷达的需求量大大上升。就BSD来看,随着产品的成熟和竞争力的提升,毫米波雷达在2020年之后会进入一个快速发展期。

毫米波雷达面临的三大挑战

毫米波雷达的应用现在也存在三大挑战。

在业界上部分应用已经被一些红外线、激光雷达、独立的解决方案所取代。虽然就市场来看,毫米波雷达的市场仍然不断增长,但部分应用被其他方案取代也不容忽视。

定制化算法的需求。这也是毫米波雷达应用的主要挑战,不同应用需要不同的算法,而不同的算法又需要不同的专家来做研发,这为毫米波雷达具体应用的研发带来了很大的困扰。

毫米波频段法规尚不明确。因为毫米波是一个比较高频的频段,而在无线电的规范上,各个国家、区域所制定的法规和政策其实还没有很完整地定义下来,尤其是在这些毫米波还没有真正被大量使用的波段。5G可能也会用到毫米波,它可能会用到28GHz、29GHz、39GHz等不同频段,频段和频段之间如何分别做出一些不同的定义和规范,这些都是随后制定的相关法规明确规定。

频段选用

  所有雷达都工作在300MHz到300GHz范围内的特定频段上工作,其中日常应用主要用到的是2.4GHz~200GHz频段(如图3),而每个频段都在诸如天线尺寸、应用范围、波长、穿透力上对雷达产生影响,同时,每个国家对这些频段也都有不同的定义。例如,微波炉应用在2.4GHz,手机应用大概在2GHz~3GHz范围内,工业主要应用在24GHz和60GHz,汽车主要应用在77GHz。

图3 各应用的工作频段

其中,频率越高,波长越短,而波长越短,其分辨率和准确度会越高,其中常见的24GHz的波长是31.25px,60GHz是5mm,2.4G你看它的波长是312.5px,雷达正是利用短波特性应用在不同场景中的。

24GHz及60GHz雷达应用于智能领域

现在讨论较多的是应用诸多智能化新兴应用领域的24GHz和60GHz雷达。

其中,24GHz主要实现空间和运动感测,包括应用于智慧家庭、智慧楼宇、智能家电智能监控等,应用于人员/物体存在、计数、位置、速度,以及防撞和生命体征感测,例如有些人也将24GHz雷达应用于医疗领域,用于侦测心跳、呼吸等体征信息。其中,雷达天线设计比较灵活,工程师可以根据不同的场景做不同的天线设计。

   60GHz雷达的频率更高,波长更短,因而不仅可以应用在24GHz适用的场景,同时由于其天线可以设计地更小,受外界的环境干扰更小,在人机交互和手势识别上更有优势。

其中,在手势识别上英飞凌与谷歌高级技术与项目(ATAP)小组在ProjectSoli合作项目中共同开发出基于雷达的感测解决方案IC,其主要运用英飞凌的60GHz雷达设计的小型传感器,可以用在手机或可穿戴设备中做手势识别。

图4 英飞凌的60GHz雷达设计的小型传感器应用

车用雷达的发展趋势

车用雷达随着自动驾驶的发展也再次被大量应用,而就世界主流汽车工业来看,目前前装部分一定是用77GHz雷达,而在侧边及倒车横向的侦测大部分都是使用24GHz雷达,这是目前全世界汽车工业的主流。在国内,前装仍是77GHz为主流,后装市场现在是在用24GHz,但是在前装市场可能会考虑到77GHz和24GHz雷达共同开发。而谈到未来是否会用77GHz做一个完整的方案,麦正奇表示,我们跟汽车工业组也做了很多的探讨,从技术上来看,短期内很难完成,我们认为在接下来的7年内汽车侧边防撞还是以24GHz雷达为主,因为它毕竟有一个价格上面或者技术成熟上面的优势,可能未来77GHz延伸到侧边或者是它的后边横向防撞,不过还是要根据后面的法规来看。

英飞凌加强与国内厂商合作   

麦正奇先生表示,英飞凌提供完整的雷达解决方案,所以我们必须要跟一些合作伙伴共同发展,尤其是在软件及应用部分。24GHz雷达应用方面,在安防应用、盲点侦测和智能家居都有一些成功的案例,已经完成了整个方案和产品的设计,也有在市场推广。在未来我们也会持续不断地与更多中国先进厂商,用更多不同的先进想法将毫米波雷达延伸应用到工业4.0、智能制造、人机交互、医疗等各领域,这也是我们这两年来琢磨在中国市场的一个重点。

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