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24 GHz 毫米波雷達技術應用案例詳解
編輯:深圳市兆廣安科技有限公司   時間:2018-11-03


24 GHz硅基毫米波雷達技術正在實現新一代現實世界,即越來越多地用于汽車、無人機、泛工業和消費類應用等大眾市場應用的非接觸式智能傳感器。這類雷達傳感器可以提供實時信息,比如物體存在、運動、角位置、速度以及幾厘米到幾百米的傳感器范圍。直到最近,毫米波雷達傳感器仍使用尺寸龐大、復雜且構建成本高昂的離散解決方案來實現,這限制了其廣泛的市場采用。ADI公司的新型24 GHz雷達產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決方案,適用于物理檢測、跟蹤、安全控制和防撞警告系統等應用。

24 GHz雷達系統解決方案解決雷達傳感器開發挑戰

隨著新型射頻雷達傳感器應用的出現,許多希望快速完成雷達傳感器解決方案評估、設計和制造的公司面臨一系列新的開發挑戰。

針對將射頻雷達作為一種傳感技術著力開發的公司所面臨的挑戰,ADI公司最近推出了一款24 GHz雷達系統級原型解決方案(稱為DemoRAD)(圖1),可以在整個系統參考設計中實現硬件和軟件應用開發。24 GHz DemoRAD系統是一款新穎的微波雷達評估平臺,提供開箱即用的軟件示例,可在數分鐘內輕松啟動雷達傳感器。DemoRAD可對雷達傳感器產品進行快速原型制作,從而測量目標/對象存在、運動、角位置、速度以及傳感器范圍等實時信息。

該系統硬件解決方案包括射頻天線和一條完整的射頻到基帶信號鏈(ADF5904(接收)ADF5901(發射),ADF4159 (PLL)ADAR7251 (AFE)),其中還包括ADIADSP-BF707 DSP(數字信號處理器),可通過易用的圖形用戶界面和雷達算法軟件快速連接筆記本電腦/PC(圖2)。Blackfin? DSP庫中提供雷達FFT和控制固件。用戶只需幾分鐘就可將該平臺系統插入加載了軟件

的計算機。使用軟件圖形用戶界面 (GUI) 提供全面的24 GHz雷達IC軟件支持,在DSP雷達支持功能庫中,通過一些額外功能可利用原始數據,并使用為雷達傳感器設計的專用MATLAB? 工具(比如2D/3D 雷達FFTCFAR和分類算法)在PC上進行后處理。

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1. 24 GHz DemoRAD平臺解決方案。

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2. DemoRAD射頻到基帶信號鏈和簡化框圖。

欲了解DemoRAD的更多信息,請參閱此產品亮點:DemoRAD24 GHz雷達傳感器平臺。

FMCW雷達系統基礎知識

3所示為雷達發射時產生的調頻連續波 (FMCW) 雷達波斜坡,以及用于定義雷達傳感器設計信息的一組重要雷達公式。

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3. FMCW雷達概念。

距離分辨率取決于發射載波掃描帶寬——發射掃描帶寬越高,雷達傳感器的距離速度越高。速度分辨率取決于停留時間和載波頻率——載波頻率越高或停留時間越長,速度分辨率越高。角分辨率取決于載波頻率——載波頻率越高,角分辨率越好。

4描述了對ADSP-BF707中捕獲的數據的后處理

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4. FMCW數字后處理信號鏈。

DemoRAD系統信號鏈包括DSP中的一些基本算法,實施用于DSP FFT、波束成形和CFAR。基本目標檢測和目標分類在主機PC上運行。DemoRAD主要用于采集時域和頻域中的雷達信號。DemoRAD不包括高級目標檢測或對象分類算法。這是應用級開發工作的一個例子,通常由終端系統開發人員執行,他們非常了解雷達傳感器的工作環境以及所需的對象檢測類型。

5所示為Blackfin ADSP-BF70x的部分優化2D FFT,具有集成窗口功能,有助于避免飽和,實現更高的SNR,并優化內存布局,從而實現更高的帶寬和更高效的數據處理。DemoRAD提供不同的操作模式。

FMCW雷達模式

FMCW模式下,可以測量到靜止目標的距離。目標的下變頻接收信號的頻率與到該目標的距離成比例。在GUI中,可以進行FFT處理以確定頻率。使用距離-時間顯示選項可以查看移動目標,同時顯示屏存儲多個FMCW掃描。

距離多普勒模式

在距離多普勒模式下,可以分析到目標的距離以及速度。距離多普勒模式是最強大的操作模式之一,因為它能夠通過評估二維傅里葉變換同時處理多個發射斜坡。距離多普勒處理數據顯示在距離多普勒圖中。距離多普勒非常強大,因為它允許分離具有不同速度的目標,即使這些目標的距離都相同亦是如此。這對于不同方向上多個快速移動的目標非常有用——例如,解決汽車朝相反方向移動或超車期間的復雜交通情況。

數字波束成形 (DBF) 模式

DBF模式下,顯示到目標的距離以及與該目標所成的角度。來自四個接收通道的接收信號用于估計目標的角度。顯示屏顯示xy平面中各目標的空間分布。在DBF模式下,系統配置與FMCW模式下的相同,但對IF下變頻信號的處理不同。在計算距離之后,通過評估四個接收通道之間的相位差來計算目標的角度信息。在DBF模式下,需要進行雷達前端系統校準,以消除接收通道之間不必要的確定性相位差。每個DemoRAD系統都具備工廠校準數據,在運行GUI時加載。隨后會先校正采樣的IF信號,再評估傳感器的測量數據。

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5. 使用二維傅里葉變換的距離和多普勒頻率。

DemoRAD平臺的MIMO操作原理是:使用ADF5901上兩個可用的發射輸出并放置相應的天線。這樣會產生七個接收通道來提高傳感器的角分辨率——例如四個實際接收通道和四個虛擬接收通道,在一個通道上重疊。DemoRAD中使用的波形利用ADF4159 PLL的快速斜坡特性,其中上升線性調頻脈沖為280μs,下降線性調頻脈沖為4,總共為284μsADAR7251 AFE ADC1 MSPS運行的情況下,采集256個采樣或在上升沿中進行數據采樣。

DemoRAD使用FMCW雷達監測最遠至200 米且分辨率約為75 cm的對象范圍和速度。根據天線陣列設計,水平 (FOV) 方位角約為120°,俯仰角約為15°。通過組合數字波束成形 (DBF) 中的天線,DemoRAD使用DBF來計算FOV中的角度信息。

作者簡介

John Morrissey畢業于愛爾蘭利默里克大學,獲得電子工程 (BENG) 學士學位,并于1984年加入ADI公司。在1984年至1998年期間,John擔任模擬IC設計師一職,致力于工業和通信應用的DACADC和混合信號模擬電路新產品開發。在ADI工作的1999年至2007年期間,他的設計技能與工作興趣延伸到了通信產品的RF和微波設計上。從2007年開始,他在ADI公司內擔任過很多傳感器技術工程與業務管理職位,包括設計和營銷。目前他擔任ADI公司RF和微波部門 (RFMG) 產品線總監一職,支持ADI汽車與工業雷達等業務。


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