雷达传感器如何扩展工业和汽车传感器市场？

当您可以将雷达系统封装在10mm×10mm的芯片中时，您将得到一种几年前无法想象的新型传感器。如今，将雷达芯片用于某些创造性的传感应用已成为一种常见的做法。

工业和汽车市场迫切需要创新的传感功能，以协助车辆，工厂，建筑物和城市更好地感知周围的环境，并帮助他们做出更明智的决策。毫米波（mmWave）雷达传感器的实现方案正在不断增加和扩展。一些有趣的新示例包括跟踪老年人，车内监控和确保机器人安全。本文着眼于德州仪器（TI）的60 GHz雷达如何扩展工业和汽车传感器市场。

雷达传感器与众不同

实际上，在工业和汽车应用中使用了数十种甚至数百种不同类型的传感器。温度，压力，流量，光线和其他常见的物理特性是最经常测量或监控的。但存在，范围或距离，运动和速度以及方向角往往难以监控。通常，此类测量必须在夜间，恶劣天气或恶劣的环境条件下进行。这是雷达传感器发挥作用的地方。

完整的雷达传感器包括雷达芯片，天线和电源。德州仪器（TI）的60毫米毫米波IWR6843雷达传感器就是这种芯片（图1），该传感器通过FMCW（调频连续波）在60-64 GHz范围内工作。它由三个雷达发射器，四个雷达接收器以及所有必需的ADC,DAC和合成器组成。

1.显示的是IWR6443雷达的总体框图。

IWR6843的另一个主要部分是其处理能力，它由Arm Cortex-R4F 200 MHz MCU组成，以及由TIC674x DSP组成的数字信号处理器（DSP）部分，可以进行快速傅立叶运算。转换（FFT）和其他高级处理，同时使用内存和标准I / O接口。该芯片采用10.4×10.4mm BGA封装。

发射机发出称为线性调频的FMCW信号。这是一个毫米波正弦波，其频率在40 μs的时间内从60 GHz增加到64 GHz （图2）。信号从目标反射，接收器检测并捕获它们。然后，以各种方式（FFT等）处理这些信号，以产生距离，速度和角度测量值。

2.这些雷达线性调频信号表示幅度与时间（a）和频率与时间（b）的关系。

雷达传感器可以做什么其他传感器无法做到的

传统且更简单的传感器仅检测和测量某些物理特性（例如温度）的变化。但是雷达传感器可以确定到物体的距离（范围），物体的速度以及物体相对于某个参考的角度。它可以“看穿”墙壁，尤其是木头和岩石。这种类型的传感器甚至能够检测玻璃墙，窗户，门或隔断。它可以准确地测量任何这些东西的范围。

60 GHz时的距离分辨率为3.75厘米。通过这种分辨率，这些传感器可以检测，识别和分离间隔很近的物体。应用程序允许这些传感器检测和计数来自工厂或房间或车辆内人员的信号。范围分辨率主要是信号带宽的函数-带宽越宽，分辨率越好。作为此功能的一部分，请不要忘记运动检测是一项有用的功能。

此外，雷达传感器可以测量速度。由于多普勒效应对变化的频率信号产生影响，因此可以计算出被检测物体的速度。速度分辨率几乎是信号中心频率的直接函数。同样，传输频率越高，分辨率越高。

通常将所有信号捕获和测量称为丰富点云数据。您拾取的数据总量可带来更好的测量结果以及可以进行的更多不同类型的测量。例如，可以使用某些捕获的数据来计算检测到的信号的角度。

雷达芯片应用

片上雷达设备首先在汽车中被广泛使用。应用包括自动巡航控制，紧急自制动，换道检测以及其他用例。这些应用仍然存在，并且由于大多数新型现代车辆中强制性的高级驾驶员辅助系统（ADAS）的影响，这些应用将会增加。雷达传感器穿透固体的能力使它们成为良好的接近探测器，从而产生了一些其他用途。

例如，雷达通过固体材料进行感应的能力使检测无人照管的儿童，监视乘员的状态以及估计驾驶员生命体征的准确性达到前所未有的高度。您可以检测儿童的身姿和动作，计算车辆中的人数，并检查驾驶员是否过于困倦而无法开车。

但是这些应用程序的经验激发了其他领域的兴趣。例如，60 GHz雷达IC传感器为机器人技术，楼宇自动化和工厂制造中的应用带来了新的认识和智能。机器人技术的使用特别有帮助。雷达传感器可以通过检测位置，运动速度甚至角度来为大型工业机器人提供安全性。可以为机器人定义不可见的安全“笼子”或窗帘，以提供可见和可听见的警告。

雷达传感器唯一缺少的部件是电源和天线。幸运的是，在60 GHz处，波长很短（大约5毫米），因此天线很小。60 GHz的简单半波偶极子仅为2.5 mm.因此，在此频率下，设计人员可以创建相控阵，以提供增益，方向性和波束形成的潜力。小型相控阵可以直接在PCB上制成，或者在某些情况下也可以在IC芯片上直接制成。在特殊应用中，可以选择喇叭天线。

关于芯片雷达频率

第一批有用的雷达芯片使用24 GHz频段，同时定义了宽带和窄带段。该5MHz频段甚至被扩展用于特定用途。到2022年，美国和其他国家/地区的监管机构将逐步淘汰24 MHz频段，因为24 GHz空间最终将用于5G mmWave手机服务。对于传感器，监管部门已指定60至64 GHz频段进行操作。在此频率范围内工作的芯片具有更好的位置分辨率。在某些国家/地区，可以选择76至81 GHz频段。

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