【導(dǎo)讀】單芯片雷達(dá)片上系統(tǒng)（system-on-chip，SoC）正在成為最受歡迎的新型傳感器之一。其在汽車中的廣泛采用大幅提高了銷量，從而促進(jìn)了價格的下降。這些精密的IC器件對汽車制造商而言至關(guān)重要，對其它應(yīng)用也同樣有很大的吸引力。盡管IC器件在汽車應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位，設(shè)計人員也正在探索一系列可以提高安全性和便利性的新用途。
雷達(dá)IC
誰能想到單芯片雷達(dá)呢？雖然現(xiàn)在多個制造商已經(jīng)設(shè)計制造出多種形式的單芯片雷達(dá)。大多數(shù)國家已經(jīng)開發(fā)出24GHz、76-81GHz、94GHz頻段的芯片。盡管連續(xù)波（continuous-wave，CW）和脈沖類型都是可用的，全球大多數(shù)國家都使用77MHz調(diào)頻連續(xù)波（frequency-modulated continuous-wave，F(xiàn)MCW）方案。其中一些器件由鍺硅（以下簡稱SiGe）制成，但是最新版本由互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體（以下簡稱CMOS）或雙極互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體（以下簡稱BiCMOS）組成。應(yīng)用于汽車或其它行業(yè)的完整模塊由一些公司提供。單芯片雷達(dá)所具有的獨(dú)特功能使其在某些新應(yīng)用中成為其它傳感器具有吸引力的替代品。
作為一款芯片上的雷達(dá)系統(tǒng)，大多數(shù)工程師傾向于根據(jù)其原始用途按認(rèn)知對器件進(jìn)行分類。但是，最好是將單芯片雷達(dá)視為另一種類型的傳感器。因此，當(dāng)尋找一款能夠接近檢測物體、運(yùn)動傳感，或進(jìn)行物理測量的器件時，毫米波雷達(dá)意外當(dāng)選。
圖1 調(diào)頻連續(xù)波的線性調(diào)頻信號通常用于76~81GHz頻段
雷達(dá)主要用于測量距離、方向（角度）和速度。例如警察用雷達(dá)測速，棒球運(yùn)動場用測速槍（雷達(dá)槍）來測試棒球速度。芯片中的發(fā)射器（Tx）發(fā)射一個信號，然后該信號從遠(yuǎn)程對象反射回來并返回到位于發(fā)射端的接收器。發(fā)射器信號在短時間內(nèi)頻率呈線性增加，被稱為線性調(diào)頻（見圖1）。線性調(diào)頻以所需的模式重復(fù)。
圖2展示了雷達(dá)收發(fā)機(jī)。返回信號的頻率在接收器（Rx）和發(fā)射頻率的混合中生成不同的中頻（intermediate frequency，IF）。中頻被數(shù)字化并用于確定移動和速度。芯片上的信號處理電路測量傳輸時間，并根據(jù)已知的無線電波速度計算距離。由于天線的高度方向性，可以檢測到位置（方位角）。調(diào)頻雷達(dá)也可以測量運(yùn)動和速度。片上處理器負(fù)責(zé)計算，以提供精確的測量數(shù)據(jù)，靈活且可編程的傳感器，用于多種獨(dú)特應(yīng)用。
圖2 單芯片雷達(dá)收發(fā)器的簡圖
雷達(dá)傳感器的應(yīng)用
迄今為止，單芯片雷達(dá)的最大應(yīng)用領(lǐng)域是汽車安全。雷達(dá)成為大多數(shù)汽車中先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（advanced driver-assistance systems，ADAS）的核心。自適應(yīng)巡航控制、自動剎車、后備箱物體檢測、盲點(diǎn)檢測、變道輔助、來車警告系統(tǒng)都采用了雷達(dá)技術(shù)。目標(biāo)是減少駕駛員失誤，從而減少車禍次數(shù)和傷亡人數(shù)。目前為止，上述目標(biāo)正在實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，這些新的子系統(tǒng)非常有效，因此政府正在強(qiáng)制所有汽車安裝先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)。
而且，雷達(dá)對無人駕駛汽車的成功而言至關(guān)重要。它們輔助先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)中的攝像頭、激光雷達(dá)（LiDAR）和超聲波傳感器檢測周圍的物體，并在車輛周圍生成合成視圖。雷達(dá)在惡劣天氣條件下尤為有用，即使在霧、雪、雨和黑暗的環(huán)境中也能工作，不會影響到攝像頭和激光雷達(dá)傳感器。處理器接收傳感器輸入，然后執(zhí)行人工智能算法以做出所有駕駛決策。
毫米波傳感器還能做什么？例子之一就是油箱中的液位傳感器。許多工業(yè)、過程控制和公共服務(wù)應(yīng)用都需要用到某種形式的液位測量。
另一個較為有趣的用途是照明控制。雷達(dá)傳感器檢測到人或移動，在有人或物體時開燈，在空無一物的情況下關(guān)燈。空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）的使用也能從該方法中受益。毫無疑問，通過這種方法感知人體，能夠在建筑物、停車場和選定的街道節(jié)省大量的能源。
雷達(dá)也可以進(jìn)軍機(jī)器人和無人機(jī)領(lǐng)域。一些制造機(jī)器人需要確定范圍、速度和運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動化工廠和其它應(yīng)用中的智能計時和機(jī)械臂定位。軍事偵察和武器機(jī)器人將有可能從想象轉(zhuǎn)為現(xiàn)實(shí)。此外，雷達(dá)可以使無人機(jī)變得更為安全，防止撞擊的同時幫助測量距離和高度。
安防系統(tǒng)也能從中受益，因?yàn)槔走_(dá)可以檢測遠(yuǎn)處的移動，并在惡劣天氣下提供物體檢測功能，在同等天氣條件下，攝像頭或紅外傳感器可能會受到影響。可以負(fù)責(zé)任地說，雷達(dá)最終也會應(yīng)用在摩托車和自行車領(lǐng)域。自動門或車庫門的應(yīng)用也有極大可能。一旦超越對雷達(dá)用途的既定設(shè)想，以及技術(shù)和價格上的障礙，你就會發(fā)現(xiàn)它們用途甚廣。
智能毫米波雷達(dá)創(chuàng)建更安全、高效的城市
毫米波雷達(dá)傳感器的優(yōu)秀應(yīng)用之一是交通監(jiān)控和控制。許多中等城市和大城市都會遭遇交通堵塞，不僅浪費(fèi)時間和燃料，還會增加環(huán)境污染。解決這個問題的辦法是對十字路口和主要高速公路上的交通信號燈進(jìn)行更好的時間和順序控制。這就需要對車輛進(jìn)行細(xì)粒度感應(yīng)以確定其位置、速度、轉(zhuǎn)向意圖和方向。有了這些信息，交通信號燈的時間可以調(diào)整，使交通移動變得更快、更高效。
毫米波雷達(dá)傳感器的固有特性使其成為交通系統(tǒng)的理想檢測器。借助調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)，可以輕松確定車輛的里程、速度和角度（方向）。在高架桿、標(biāo)志物、或其它結(jié)構(gòu)中有策略地放置雷達(dá)傳感器能夠識別單輛車體及其運(yùn)動。由相控陣天線提供的狹窄視野允許交通系統(tǒng)監(jiān)控單車道（圖3）。
圖3 安裝在十字路口停止線上方的雷達(dá)視野范圍很窄，足以計算每個車道上的汽車數(shù)量并確定其速度
傳感器的其它好處包括長達(dá)250米的遠(yuǎn)距離檢測或低至5厘米甚至更短的短距離檢測。如之前所述，與攝像頭傳感器不同，雷達(dá)傳感器幾乎適用于所有環(huán)境條件。借助適當(dāng)?shù)挠嬎隳芰Γ鼈兛梢詫ζ囘M(jìn)行計數(shù)，并確定其里程，最高可達(dá)300公里/小時（187.5英里/小時）。雷達(dá)傳感器的部署也不需要挖掘地面，只需要像在十字路口埋設(shè)感應(yīng)線圈那樣即可。
隨著城市變得更加智能，交通工程師也正在提高智能交通系統(tǒng)的效率，以緩解日益增長的交通問題。工程師們可以借助毫米波雷達(dá)傳感器構(gòu)建新一代智能交通監(jiān)控系統(tǒng)。十字路口的雷達(dá)傳感器可以幫助管理交通信號燈，用于停靠、左轉(zhuǎn)、行人過馬路等，加速交通信號燈的效率以減少備份。
市場上有哪些毫米波雷達(dá)傳感器？
德州儀器（Texas Instruments）提供全系列的毫米波雷達(dá)傳感器，可建構(gòu)智能交通管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。可用的IC器件包括AWR1243、AWR1443和AWR1642。這些工作在76~81GHz范圍內(nèi)的CMOS器件均使用調(diào)頻連續(xù)波。
這些器件的一大關(guān)鍵特征是測量精度。例如，高度線性的閉環(huán)鎖相環(huán)（phase-locked loop，PLL）會產(chǎn)生頻率上升的線性調(diào)頻，以確保在測量范圍內(nèi)的精度和分辨率更高。另一個好處是CMOS器件與SiGe相比功耗更小。
這些器件擁有兩到三個發(fā)射器和四個接收器。射頻（RF）帶寬為4GHz，接收采樣率為12.5或37.5Msamples/s。AWR1443和AWR1642包含一個200MHz的ARM Cortex-R4F處理器。AWR1443包含一個雷達(dá)硬件快速傅里葉變換（fast Fourier transform，以下簡稱FFT）加速器。AWR1642內(nèi)置德州儀器（TI）的C674x 600-MHz DSP，可處理FFT和其它高級算法。典型接口包括SPI、CAN、CAN-FD、UART、I2C和MIPI CS12，具體取決于型號。
為了幫助開發(fā)，德州儀器提供了評估模塊、參考設(shè)計和軟件開發(fā)套件。公司推出的mmWave Studio是一套用于分析和算法開發(fā)的脫機(jī)工具。
（來源：麥姆斯咨詢）
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