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除了汽车,毫米波雷达还可以应用到哪些地方?

时间:2019-05-17 作者:顾正书 阅读:
毫米波作为一种非接触式传感技术,可用于检测物体,并提供物体的距离、速度和角度信息。其工作频谱范围为 30GHz 至 300GHz,具有较小的波长,因此可以提供亚毫米的测距精度。此外,毫米波能够穿透塑料、墙板和衣服等特定材料,并且不受雨、雾、灰尘和雪等环境条件的影响。在 60-64GHz和76-81GHz 的频率下,将距离解析为波长的毫米波系统精度可达到毫米级。77GHz频段现已广泛应用于汽车ADAS和自动驾驶,但在非汽车应用领域受到严格限制。因此,在工厂自动化、楼宇自动化、城市交通管理,以及需要人机交互的场合,60GHz成为最佳选择。

毫米波雷达传感器有什么优势?

毫米波作为一种非接触式传感技术,可用于检测物体,并提供物体的距离、速度和角度信息。其工作频谱范围为 30GHz 300GHz,具有较小的波长,因此可以提供亚毫米的测距精度。此外,毫米波能够穿透塑料、墙板和衣服等特定材料,并且不受雨、雾、灰尘和雪等环境条件的影响。R9TEETC-电子工程专辑

毫米波雷达传感器使用毫米 (mm) 范围的波长发送信号,这是电磁谱中的短波长,因此处理毫米波信号所需的系统组件(比如天线)的尺寸可以做到很小,这是该技术的主要优势之一。短波长的另一个优势是分辨率高。在 60-64GHz76-81GHz 的频率下,将距离解析为波长的毫米波系统精度可达到毫米级。R9TEETC-电子工程专辑

此外,在此频谱范围内工作使得毫米波传感器具备如下一些优点:R9TEETC-电子工程专辑

· 穿透性:穿透塑料、墙板和衣服等特殊材料R9TEETC-电子工程专辑

· 高度定向:形成具有精度的紧凑波束R9TEETC-电子工程专辑

· 与光类似:可以使用标准光学技术进行聚焦和转向R9TEETC-电子工程专辑

· 较大的绝对带宽:能够区分两个靠近的物体R9TEETC-电子工程专辑

毫米波传感器的发送信号可以采用不同类型的波形,包括脉冲、移频键控 (FSK)、连续波 (CW) 和调频连续波形 (FMCW)。快速 FMCW可以在密集场景中实现可靠运行、快速传感以及更低的模糊性,它还能够针对物体的距离和速度提供精确的测量,从而使毫米波传感器能够提供多维传感。R9TEETC-电子工程专辑

完整的毫米波雷达系统包括发送 (TX) 和接收 (RX) 射频 (RF) 组件、天线阵列、时钟等模拟组件,以及模数转换器 (ADC)、微控制器单元 (MCU) 和数字信号处理器 (DSP) 等数字组件。在传统的系统设计中,这些组件都是分离的,使得系统尺寸大且成本高昂。而新的毫米波传感器可将这些组件集成在一颗芯片上,甚至连天线阵列也封装在芯片表面上,这使得毫米波雷达系统的尺寸和成本大幅降低,可以应用于传统汽车雷达之外的更多领域。R9TEETC-电子工程专辑

为何要选择60GHz毫米波雷达?

可用的毫米波频段包括24GHz60GHz77GHz120GHz,其中应用最为广泛的是24GHz,该频段包括窄带ISM NB(250MHz带宽)和超宽带ISM UBW(5GHz带宽)两种。从20189月开始,欧洲电信标准化协会(ETSI)和美国联邦通信委员会(FCC)开始禁止新的产品使用24GHz UBW频段,所有使用这一频段的现有产品也必须于2022年终止。R9TEETC-电子工程专辑

77GHz频段现已广泛应用于汽车ADAS和自动驾驶,但在非汽车应用领域受到严格限制。因此,在工厂自动化、楼宇自动化、城市交通管理,以及需要人机交互的场合,60GHz成为最佳选择。R9TEETC-电子工程专辑

除了法规因素外,60GHz相对于24GHz ISM NB频带还有很多优越的属性。首先是测距精度,因为测量距离的精确程度取决于频段的带宽,24GHz ISM NB频带只有250MHz的带宽,而60GHz频段具有从6064GHz4GHz带宽,精度是24GHz16倍。60GHz的测距精度可以小至3.75cm,而24GHz ISM NB的精度是60cmR9TEETC-电子工程专辑

其次是测速,速度的分辨率取决于中心频率,而非带宽,60GHz雷达的速度分辨率大约是24GHz2.5倍。更高的分辨率可以更好地跟踪水平移动的物体,这对人数统计、物体分离和水平移动跟踪等应用的准确判断至关重要。R9TEETC-电子工程专辑

第三是天线阵列,它在雷达感应设计的PCB中会占据很大一部分空间。天线阵列必须满足覆盖范围(FoV)和增益要求,其尺寸要求跟雷达信号的波长有关。波长越长就需要更大的天线,而波长越短,获得同样的性能所需天线尺寸就越小。与现有的24GHz雷达传感器相比,60GHz传感器设计的PCB部分可以缩小6倍之多。R9TEETC-电子工程专辑

24-60GHZ-comparison.pngR9TEETC-电子工程专辑

图一:典型的2TX/4RX 24GHz系统与60GHz系统设计对比R9TEETC-电子工程专辑

在最近举行的TI毫米波雷达巡演展示会上,《电子工程专辑》分析师现场体验和见证了毫米波雷达传感器在工厂自动化、商业楼宇智能化、健康医疗和智能家居方面的应用展示。TI工业雷达产品总监 Robert Ferguson和嵌入式产品系统与应用总监蒋宏介绍了TI最新开发出的60GHz毫米波雷达传感器产品IWR6843系列。R9TEETC-电子工程专辑

robert-ferguson.jpgR9TEETC-电子工程专辑

图二:TI工业雷达产品营销总监Robert FergusonR9TEETC-电子工程专辑
R9TEETC-电子工程专辑

jiang-hong.jpgR9TEETC-电子工程专辑

图三:TI中国区嵌入式产品系统与应用总监蒋宏R9TEETC-电子工程专辑

这种单芯片智能传感器采用 FMCW 收发器技术,集成了 PLL、发送器、接收器、基带和 A2D。其片上处理功能包括用于高级信号处理的 C674x DSP、用于 FFT/滤波/ CFAR 处理的硬件加速器,以及用于物体检测和接口控制的 ARM Cortex R4F 微控制器和无线控制器。它采用低功耗 45nm RFCMOS 工艺制造,特殊的AoP封装可将天线阵列封装在芯片背面以实现更高的集成度。IWR6843 是适用于工业领域中的低功耗、自监控、超精确雷达系统的理想解决方案。R9TEETC-电子工程专辑

TI-AOP.pngR9TEETC-电子工程专辑

图四:同样是60GHz的雷达传感器,AoP将天线封装在芯片表面可以将线路板面积缩小至15x15mmR9TEETC-电子工程专辑

鉴于60GHz毫米波雷达传感器的诸多特性和优点,在新兴的物联网智能边缘计算应用领域有着巨大的发展潜力。下面我们列出几个应用场景,供感兴趣的工程师朋友参考。R9TEETC-电子工程专辑

商业楼宇自动化和智能监控

针对楼宇自动化应用的工业毫米波解决方案可实现室内(14m 范围内)和室外(超过 50m 的范围)人员的检测和跟踪。毫米波可用于高精度占位检测,而检测出的人员位置和速度信息可在人进入监控区域或向特定方向移动时触发系统报警。 R9TEETC-电子工程专辑

building-monitoring.pngR9TEETC-电子工程专辑

毫米波传感器利用板载处理能力,可以忽略不重要的静态物体(如桌椅)和动态物体(如树木和风扇)的特征来减少错误检测。其传感性能在雨、雾、烟或环境照明不佳的环境中仍然保持稳定。由于没有摄像头或光学透镜,毫米波非常适合于对隐私敏感的应用场合。R9TEETC-电子工程专辑

此外,毫米波雷达传感器还可以与摄像头配合使用,实现互补与融合,应用于室内监控,这是目前关注度比较高的应用。R9TEETC-电子工程专辑

传感器融合方案演示 1.JPGR9TEETC-电子工程专辑

图五:TI的毫米波雷达传感器与摄像头融合方案演示R9TEETC-电子工程专辑

智能交通监控

智能城市的一个关键要素是配备有传感器的智能交通系统,可监控城市的健康,包括跟踪交通数据和停车计时以实施执法,以及红绿灯优先事项和事件管理等,如图六所示。R9TEETC-电子工程专辑

jiaotong.jpgR9TEETC-电子工程专辑

图六:智能交通系统通过路口监控和停车位检测来帮助监控城市的健康R9TEETC-电子工程专辑

针对交通监控的工业毫米波解决方案可在任何光线和天气状况下进行交通和行人探测,探测距离大于 100m,并可提供精确的距离和速度信息,实现智能报告和决策。R9TEETC-电子工程专辑

智能传感器作为智能交通系统的核心,可以追踪交通拥堵并保持交通畅通,特别是在十字路口和高速公路上。这些传感器必须具备以下功能:R9TEETC-电子工程专辑

·  精确性,用于测量车辆或行人的延伸范围、速度和位置。R9TEETC-电子工程专辑

·  稳固性,包括在不透气的天气、黑暗和阳光下工作。R9TEETC-电子工程专辑

·  整体性,优化实时评估和修正。R9TEETC-电子工程专辑

·  易于使用性,带有参考代码和样本以加速部署。R9TEETC-电子工程专辑

工厂机器与人协作的安全防护

随着工厂智能程度的提高,人与机器携手并进的情况更为广泛和频繁。为了减少在工厂自动化流程中有缺陷时出现潜在危险的可能性,需要通过安全防护装置进行事件管理。工业毫米波传感器可用于高精度占位检测和防撞,其中人员的位置和速度可用于在人或物体靠近机器时触发系统报警。此外,毫米波传感器通过在单个芯片上集成精确感应与实时决策和处理功能,在边缘实现智能感应,可以进一步加速机器人系统的采用,实现更智能的机器人技术。R9TEETC-电子工程专辑

robotic-hmi.pngR9TEETC-电子工程专辑

图七:自动化程度很高的工厂车间工作人员与机器交互的安全防护R9TEETC-电子工程专辑

robotic-arm.jpgR9TEETC-电子工程专辑

图八:基于TIIWR1642毫米波雷达传感器的机械臂方案演示R9TEETC-电子工程专辑

智能家居和健康医疗

除了工业和商业应用领域,在智能家居和健康医疗等消费应用场合也可以发挥毫米波雷达传感器的价值。其高精度性能可以检测到细微的物体移动,比如人体手势、呼吸及心跳等。医疗级的精度可以进行非接触式检测,比如 深度睡眠、浅度睡眠、睡眠状态等。R9TEETC-电子工程专辑

physical-detection.jpgR9TEETC-电子工程专辑

图九:TI毫米波雷达传感器的体征探测方案演示R9TEETC-电子工程专辑

结语

欧盟和美国对24GHz频带的法规限制到2022年就要开始执行,任何基于这一频带的设计和应用都应提前计划以应对这一变化。虽然目前国内还没有明确的法规,但类似的限制也会出台。电子厂商和设计工程师应及早考虑新的替代方案,60GHz毫米波雷达提供了一个不错的选择,在非汽车应用领域的设计中可以充分利用其优势,把握新兴的智慧城市、智能制造和智能家居等新兴市场机会。R9TEETC-电子工程专辑

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
顾正书
电子工程专辑(EETimes China)主分析师。以深圳为坐标原点,扫描全球电子和半导体行业。专注于China Fabless和SoC设计细分市场的分析和学习,欢迎交流。
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