24GHz毫米波雷达技术应用案例详解_电气自动化网
首页 资讯 应用 高压 设计 行业 低压 电路图 关于

仪器仪表

旗下栏目: 物联网 机器人 新技术 仪器仪表

24GHz毫米波雷达技术应用案例详解

仪器仪表 | 发布时间:2017-11-16 | 人气: | #评论# | 本文关键字:雷达
摘要:24 GHz硅基毫米波雷达技术正在实现新一代现实世界,即越来越多地用于汽车、无人机、泛工业和消费类应用等大众市场应用的非接触式智能传感器。这类雷达传感器可以提供实时信息,比如物

24 GHz硅基毫米波雷达技术正在实现新一代现实世界,即越来越多地用于汽车、无人机、泛工业和消费类应用等大众市场应用的非接触式智能传感器。这类雷达传感器可以提供实时信息,比如物体存在、运动、角位置、速度以及几厘米到几百米的传感器范围。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离散解决方案来实现,这限制了其广泛的市场采用。ADI公司的新型24 GHz雷达产品提供出色的性能和高集成度,是小尺寸、低成本且易用的超低功耗解决方案,适用于物理检测、跟踪、安全控制和防撞警告系统等应用。

24 GHz雷达系统解决方案解决雷达传感器开发挑战

随着新型射频雷达传感器应用的出现,许多希望快速完成雷达传感器解决方案评估、设计和制造的公司面临一系列新的开发挑战。

针对将射频雷达作为一种传感技术着力开发的公司所面临的挑战,ADI公司最近推出了一款24 GHz雷达系统级原型解决方案(称为DemoRAD)(图1),可以在整个系统参考设计中实现硬件和软件应用开发。24 GHz DemoRAD系统是一款新颖的微波雷达评估平台,提供开箱即用的软件示例,可在数分钟内轻松启动雷达传感器。DemoRAD可对雷达传感器产品进行快速原型制作,从而测量目标/对象存在、运动、角位置、速度以及传感器范围等实时信息。

该系统硬件解决方案包括射频天线和一条完整的射频到基带信号链(ADF5904(接收)ADF5901(发射),ADF4159 (PLL),ADAR7251 (AFE)),其中还包括ADI的ADSP-BF707 DSP(数字信号处理器),可通过易用的图形用户界面和雷达算法软件快速连接笔记本电脑/PC(图2)。Blackfin® DSP库中提供雷达FFT和控制固件。用户只需几分钟就可将该平台系统插入加载了软件
的计算机。使用软件图形用户界面 (GUI) 提供全面的24 GHz雷达IC软件支持,在DSP雷达支持功能库中,通过一些额外功能可利用原始数据,并使用为雷达传感器设计的专用MATLAB® 工具(比如2D/3D 雷达FFT、CFAR和分类算法)在PC上进行后处理。

24 GHz DemoRAD平台解决方案
图1. 24 GHz DemoRAD平台解决方案。
微信图片_20171116222145.jpg
图2. DemoRAD射频到基带信号链和简化框图。

欲了解DemoRAD的更多信息,请参阅此产品亮点:DemoRAD:24 GHz雷达传感器平台。

FMCW雷达系统基础知识

图3所示为雷达发射时产生的调频连续波 (FMCW) 雷达波斜坡,以及用于定义雷达传感器设计信息的一组重要雷达公式。

FMCW雷达概念
图3. FMCW雷达概念。

距离分辨率取决于发射载波扫描带宽——发射扫描带宽越高,雷达传感器的距离速度越高。速度分辨率取决于停留时间和载波频率——载波频率越高或停留时间越长,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4描述了对ADSP-BF707中捕获的数据的后处理

FMCW数字后处理信号链
图4. FMCW数字后处理信号链。

DemoRAD系统信号链包括DSP中的一些基本算法,实施用于DSP FFT、波束成形和CFAR。基本目标检测和目标分类在主机PC上运行。DemoRAD主要用于采集时域和频域中的雷达信号。DemoRAD不包括高级目标检测或对象分类算法。这是应用级开发工作的一个例子,通常由终端系统开发人员执行,他们非常了解雷达传感器的工作环境以及所需的对象检测类型。

图5所示为Blackfin ADSP-BF70x的部分优化2D FFT,具有集成窗口功能,有助于避免饱和,实现更高的SNR,并优化内存布局,从而实现更高的带宽和更高效的数据处理。DemoRAD提供不同的操作模式。

FMCW雷达模式

在FMCW模式下,可以测量到静止目标的距离。目标的下变频接收信号的频率与到该目标的距离成比例。在GUI中,可以进行FFT处理以确定频率。使用距离-时间显示选项可以查看移动目标,同时显示屏存储多个FMCW扫描。

距离多普勒模式

在距离多普勒模式下,可以分析到目标的距离以及速度。距离多普勒模式是最强大的操作模式之一,因为它能够通过评估二维傅里叶变换同时处理多个发射斜坡。距离多普勒处理数据显示在距离多普勒图中。距离多普勒非常强大,因为它允许分离具有不同速度的目标,即使这些目标的距离都相同亦是如此。这对于不同方向上多个快速移动的目标非常有用——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。

数字波束成形 (DBF) 模式

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接收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DBF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计算目标的角度信息。在DBF模式下,需要进行雷达前端系统校准,以消除接收通道之间不必要的确定性相位差。每个DemoRAD系统都具备工厂校准数据,在运行GUI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。

FMCW数字后处理信号链
图5. 使用二维傅里叶变换的距离和多普勒频率。

DemoRAD平台的MIMO操作原理是:使用ADF5901上两个可用的发射输出并放置相应的天线。这样会产生七个接收通道来提高传感器的角分辨率——例如四个实际接收通道和四个虚拟接收通道,在一个通道上重叠。DemoRAD中使用的波形利用ADF4159 PLL的快速斜坡特性,其中上升线性调频脉冲为280μs,下降线性调频脉冲为4,总共为284μs。ADAR7251 AFE ADC以1 MSPS运行的情况下,采集256个采样或在上升沿中进行数据采样。

DemoRAD使用FMCW雷达监测最远至200 米且分辨率约为75 cm的对象范围和速度。根据天线阵列设计,水平 (FOV) 方位角约为120°,俯仰角约为15°。通过组合数字波束成形 (DBF) 中的天线,DemoRAD使用DBF来计算FOV中的角度信息。

作者简介

John Morrissey毕业于爱尔兰利默里克大学,获得电子工程 (BENG) 学士学位,并于1984年加入ADI公司。在1984年至1998年期间,John担任模拟IC设计师一职,致力于工业和通信应用的DAC、ADC和混合信号模拟电路新产品开发。在ADI工作的1999年至2007年期间,他的设计技能与工作兴趣延伸到了通信产品的RF和微波设计上。从2007年开始,他在ADI公司内担任过很多传感器技术工程与业务管理职位,包括设计和营销。目前他担任ADI公司RF和微波部门 (RFMG) 产品线总监一职,支持ADI汽车与工业雷达等业务。

责任编辑:电气自动化网
首页 | 电气资讯 | 应用技术 | 高压电器 | 电气设计 | 行业应用 | 低压电器 | 电路图 | 关于我们 | 版权声明

Copyright 2017-2018 电气自动化网 版权所有 辽ICP备17010593号-1

电脑版 | 移动版 原创声明:本站大部分内容为原创,转载请注明电气自动化网转载;部分内容来源网络,如侵犯您的权益请发送邮件到[email protected]联系我们删除。