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, Mass，USA

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（图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。

图1 24GHz演示雷达平台显示发送（左）和接收（右）天线。

如图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。

图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。图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。

图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（图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。

图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