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      一文讀懂微波雷達傳感器必須了解的10個知識點

      2018-12-05 17:01:14

             隨著微波雷達傳感器技術的迅速發展,其應用領域日趨豐富,除了在汽車行業大規模應用外。智慧照明、智慧安防、智能家居、智能家電、輔助駕駛、能源控制、輔助醫療等領域,微波雷達傳感器都是重要的解決方案之一。

            接下來大家一起來了解一下,什么是微波雷達傳感器,它是如何工作的?

      1微波雷達傳感器概述


      1.1什么是微波雷達?

             RADAR代表“無線電探測和測距”,是微波GHz范圍內的有源發射和接收方法。微波雷達傳感器用于通過電磁波對一個或多個物體進行非接觸式檢測、跟蹤和定位。微波雷達的工作頻率在3MHz300GHz, 波長在100m1mm之間,如下圖所示。

      雷達波微波劃分表


      1.2 微波雷達探測的工作原理

             微波雷達天線以微波的形式發射信號,微波雷達波以光速移動,因此人類無法感知。當微波擊中物體時,信號會發生變化并被反射回傳感器,這跟回聲類似。到達天線的信號包含有關檢測到的物體的信息。然后處理接收到的信號,以便使用收集的數據識別和定位物體。同時,也可以發射脈沖來觸發反應。


      1.3微波雷達技術的特點。
      ?非接觸式:微波雷達探測是一種非接觸式傳感技術,無需與被檢測的材料或物體直接接觸。微波雷達即使在很遠的距離也能可靠地進行測量和探測。
      ?點云:微波雷達傳感器用于工業和汽車應用,不產生圖像。它們只是形成一種點云,可以粗略地指示物體的輪廓和周圍環境的基礎設施。與相機相反,人們是無法識別的。
      ?綜合數據測量:微波雷達傳感器檢測運動和靜止物體。信號處理后,通過反射接收的數據提供有關檢測到的物體,車輛,動物或人的各種信息??商峁┻\動方向、速度、距離和相對于傳感器的角度位置等數據。
      ?多維檢測:根據其調制,微波雷達收集有關其環境的大量數據。這使得傳感器還可以像人眼一樣以三維方式記錄環境。
      ?應用靈活:微波雷達波在太空或空中自由傳播。根據傳感器的技術發展和用途,如有必要,可以實現極端范圍。對于商業應用,覆蓋范圍通常從一厘米到幾百米不等。
      ?穿透力強:微波雷達傳感器的電磁波可穿透各種材料(金屬除外)。特別是塑料,非常適合覆蓋或設計天線罩——天線罩的圓頂形保護外殼。它允許將傳感器一體化集成到產品設計中。

      1.4微波雷達技術的優勢
      ?不受天氣條件影響。
      ?耐受極熱和極冷。
      ?即使在曝光過度和不良照明條件下也能正常工作。
      ?在黑暗中工作。
      ?免維護。
      ?提供廣泛的功能,例如測量距離和速度,跟蹤,物體定位,確定ETA,物體分類,人數。
      ?適合室內和室外使用。
      ?可用于多種應用。
      ?摩天射頻的微波雷達產品還具有緊湊的設計和易于集成的特點。


      1.5 微波雷達與其他傳感器的優缺點比較

             不同的傳感器技術測量具有不同的優缺點。我們可根據不同的應用需要來選擇可以給我們提供最大的附加值,并管理相應的任務和挑戰的傳感器技術。下表為不同傳感器技術優缺點的簡單比較。


      特征

      微波雷達

      紅外線

      超聲

      激光

      應用靈活性

      較差

      較差

      較差

      耐潮濕、污垢和耐高溫

      較差

      較差

      較差

      速度檢測

      較差

      精度

      較差

      分辨率(可分離性)

      較差

      方向能力

      較差

      距離測量

      較差

      材料的滲透

      較差

      較差

      較差

      解決方案的規模

      較差

      成本

      較差

      2微波雷達技術參數

             不同的微波雷達傳感器通常在功能和特性方面有所不同。根據應用,我們需要不同的配置來進行所需的測量。不同微波雷達類型之間的差異通過兩個基本參數定義:使用的頻段和調制方式。


      2.1 頻段

             微波雷達測量方法在特定頻率范圍內發射和接收電磁波。由于物理特性不同,微波雷達傳感器的范圍在不同的等級之間劃分。某些頻率范圍用字母標記,表示頻段。該名稱由IEEENATO等機構定義,并得到國際認可。

             通過微波雷達波進行的技術通信通常由國家當局和國際協會進行管理。它們定義了功率限制和頻段的批準。

             商用微波雷達應用的典型頻譜在10120 GHz之間,根據應用的不同,開發人員根據其各自的技術特性使用不同的工作范圍。發射和接收頻率的選擇也會影響微波雷達可實現的性能和特性。

             例如,10 GHz微波雷達甚至可以穿透墻壁,而60 GHz77 GHz范圍內的傳感器由于允許的帶寬更高,因此支持更高的分辨率。24 GHz傳感器的一個優點是它們能夠在全球范圍內獲得批準。


      2.2 調制

             通常,微波雷達類型也通過指示所使用的微波雷達方法來定義。微波雷達信號通過對傳輸頻率的選擇性調制來影響。常見的微波雷達類型是CW,FSKFMCW。

      ?CW

             CW代表“連續波”。在該方法中,傳感器同時連續地發送和接收信號(固定傳輸頻率)。這種類型也被稱為未調制的連續波微波雷達。

      ?FSK

             FSK的意思是“頻移鍵控”。這是一種特殊類型的FMCW微波雷達,在兩個頻率之間交替跳躍。

      ?FMCW

             FMCW是“調頻連續波”的縮寫。調頻連續波微波雷達不使用固定的傳輸頻率,而是使用隨時間變化的頻率調制(穩態,循環和彎曲),也稱為啁啾。


      3微波雷達技術


      3.1 微波雷達信息與分析
             微波雷達探測可用于探測物體或生物的存在或運動。根據調制和天線配置,可以獲得以下信息:
      ?速度:有關物體速度的確切數據
      ?距離:有關一個或多個對象的距離的數據
      ?運動方向:對象的運動方向
      ?角度:通過角度分辨率確定入射角和分辨率
             通過模擬和數字信號分析,還可以從這些基本值中獲得更多信息。例如,智能算法可用于創建微波雷達集群,然后映射運動歷史。也可以對這些對象進行分類?;谛盘柗治?,微波雷達使用原始數據(例如微波雷達橫截面(RCS))來檢測給定物體是人還是車輛。如果有可用的參考值,則還可以確定極限值,填充量或到達時間。

      3.2 測量精度

             這里經常存在與微波雷達解決方案有關的誤解。雖然分辨率描述了微波雷達區分物體的能力,但其精度是指測量變量中最小的可測量差異。它描述了如何精確測量速度、距離或角度位置等參數。這是在考慮正負公差(表示為偏差率)的情況下完成的。

             測量精度取決于進行測量的時間范圍。物體探測時間越長,微波雷達接收的讀數就越多??晒┓治龅臄祿蕉?,檢測就越有意義和可靠。

             在實踐中,開發人員通常必須在檢測時間和準確性之間做出權衡。因為如果要盡快獲得信息,就必須縮短測量時間。


      3.3 天線設計

             通過天線設計,微波雷達開發人員定義了傳感器的覆蓋范圍。通過改變天線的排列,這可以定位微波雷達波的發射。天線圖顯示了天線在哪個方向上發射的能量最多。開發人員采用定向天線,設計形狀和范圍,以便實現盡可能多的天線增益。這使得能量能夠集中在所需的視角上,并減少能源浪費和側瓣。

             檢測區域可以聚焦狹窄且細長,但也可以保持寬廣。設計取決于后續應用。一種新的方法在于先進的MIMO技術,該技術結合了多個發射和接收天線的使用。


      3.4 微波雷達波于測量材料

             微波雷達波在空中的太空中自由傳播。當它們撞擊物體時,信號會受到物體成分的影響。不同的材料對微波雷達波有不同的影響。它們被完全或部分吸收或反射。微波雷達波束也穿透不同的物質。

             關于24 GHz微波雷達,通??梢宰龀鲆韵玛愂觯?/span>


      材料

      吸收

      反射

      金屬

      沒有

      直立發病率:完全;

      對角入射角:可能進行折射和部分反射

      幾乎不可能,只有毫米級分滲透到表面(趨膚效應)

      (取決于濕度)

      中到高

      非常高

      取決于入射角:可部分或完全反射

      無,由于吸收

      泡沫
      (例如聚苯乙烯、屋頂材料)

      沒有

      非常好

      塑料

      從低到高(取決于材料和厚度)

      從低到高(取決于材料、厚度和距離)

      從低到高(取決于材料、厚度和距離)


      3.5 范圍

             微波雷達產品的范圍可能差異很大。在工業、商業和汽車行業,他們可能會在幾厘米到幾百或幾千米的距離上進行測量。微波雷達可以測量多遠取決于各種因素。

             一般來說,物體離得越遠,檢測起來就越困難。RCS(微波雷達橫截面)較低的物體在遠處也更難探測到。畢竟,信號必須來回走很長的通信路徑。這會導致信號損失,例如由于環境影響或干擾因素。發射和接收功率越高,信號在行進較長的反射路徑后越好。

             微波雷達范圍總是受到所選頻段的限制,這決定了可用的波長及其頻率,傳輸功率也受到法規的限制。同時,接收功率由天線增益和天線設計決定。通過設計天線的方向性(例如強聚焦)和集成多個天線,開發人員實現了高靈敏度。然而,這會導致更大的噪音,必須通過進一步的技術工作來抑制。

             在微波雷達開發中,必須為各自的應用實現范圍,覆蓋面積和分辨率之間的最佳比例,并且必須進行技術工作以最大限度地減少不良副作用。


      3.6 對象分類

             微波雷達產品的一個高級功能是對象分類,它需要有關對象的廣泛信息才能可用。這可以通過高分辨率來實現,因為可以檢測到物體的更多測量點。然后使用智能算法進行信號處理,進行分類。例如,在與交通相關的應用中,可以根據車輛的長度(物體在空間中延伸的距離)將物體識別為特定的車輛類別。

             但是,RCS、速度或有關運動模式的信息等測量值也有助于將對象指定給特定類型。例如,一個人的 RCS 值與車輛不同。使用可用的數據和適當的編程,可以對對象的分類進行陳述,例如在“人,車輛,動物或其他”的類別方面。


      3.7 分辨率

             微波雷達分辨率是微波雷達傳感器和系統相互區分目標的能力(可微分性)。以下概述顯示了不同的微波雷達解決方案。


      一維微波雷達

      2D微波雷達

      3D微波雷達

      4D微波雷達

      一維微波雷達

      對象分離通過

      速度

      沒有以相同速度分離對象。(無法定位對象)。

      2D微波雷達

      對象分離通過

      速度和距離

      沒有以相同的速度和距離分離物體。(在一維環境中定位物體,無角度信息)。

      3D微波雷達

      對象分離通過

      速度、距離和角度

      可以分離具有相同速度,距離和角度位置的物體。(可以在二維環境中定位物體)。

      4D微波雷達

      對象分離通過

      速度,距離和角度(水平,旋轉)

      可以分離具有相同速度,距離和角度位置的物體。(可以在三維環境中定位物體)。

      CW連續波

      微波雷達廣泛應用于運動檢測的許多應用中。FSK(頻移鍵控)微波雷達也只根據其速度分離物體,但也提供了距離測量的優勢。

      FMCW(調頻連續波)

      當單獨測量度是不夠的時,使用微波雷達。如果微波雷達設備只有1個發射和接收通道,則可以測量到物體的距離,但無法測量角度偏移。

      3D微波雷達

      微波雷達具有多個發射和接收天線。每個發射的信號都可以被任何天線接收。多個天線的特殊布置提高了空間分辨率,降低了對干擾的敏感性。

      4D微波雷達

      3D微波雷達相比4D微波雷達在立面中也有幾個偏移天線,因此可以在立面角中分離檢測。這樣就可以在 3D 環境中進行本地化。


      4. 微波雷達的結構

             除了前端(帶天線結構的微波組件)外,完整的微波雷達傳感器還由信號調理和信號處理單元組成。這些基本組件還可以補充天線罩、外殼、透鏡和組件載體。

             通過天線設計,前端起著關鍵作用,因為它本身由傳感器組成,并為后續功能設置參數。信號調理和處理分析并解釋前端提供的信號。這是必要的,以便通過分配測量單位和參考值,為用戶提供單獨的原始微波雷達檢測具有可理解的含義。

      微波雷達的結構圖


             微波雷達前端發射和接收電磁微波。然后將這些產生的信號轉發到信號處理組件。為了保護天線和電子元件,微波雷達一般都裝有外殼。技術人員將天線蓋稱為天線罩。除了保護前端外,它還用于固定天線。一些微波雷達產品還具有用于聚焦微波雷達波束的特殊透鏡。微波雷達的另一個組件是微波雷達信息輸出并轉發到其他技術產品所需的接口。

             微波雷達前端發射和接收電磁微波。然后將這些產生的信號轉發到信號處理組件。為了保護天線和電子元件,微波雷達一般都裝有外殼。技術人員將天線蓋稱為天線罩。除了保護前端外,它還用于固定天線。一些微波雷達產品還具有用于聚焦微波雷達波束的特殊透鏡。微波雷達的另一個組件是微波雷達信息輸出并轉發到其他技術產品所需的接口。


      產品選擇

             哪種微波雷達傳感器適合您的應用在很大程度上取決于您的個人技術知識、您自己的開發能力、后續使用以及測量任務的復雜性。摩天射頻很樂意為您提供有關各種選項的詳細信息及技術咨詢服務。

             摩天射頻的調頻微波雷達傳感器具有其他普通微波脈沖微波雷達、導波微波雷達不可比擬的優勢,極窄的波束和穿透能力,能夠探測更小的目標和實現更精確的定位,具有更高的分辨率和更強的保密性,且不減弱測量性能,歡迎咨詢了解。

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