24GHz硅基毫米波雷達技術(shù)解決方案

24 GHz硅基毫米波雷達技術(shù)正在實現(xiàn)新一代真實世界的無接觸智能傳感器，這些傳感器越來越多地用于大眾市場應(yīng)用，如汽車、無人機/無人機、廣泛的工業(yè)和消費電子。這些雷達傳感器提供實時信息，例如物體的存在、運動、角位置、速度以及距離傳感器幾厘米到幾百米的范圍。直到最近，毫米波頻率的雷達傳感器都是使用分立式解決方案實現(xiàn)的，這些解決方案尺寸大、復(fù)雜且構(gòu)建成本高，這限制了廣泛的工業(yè)市場采用。ADI公司的新型24 GHz雷達產(chǎn)品提供高性能和高集成度，可實現(xiàn)最低功耗、小尺寸、低成本和易用性，適用于物體檢測、跟蹤、安全控制和防撞警告系統(tǒng)等應(yīng)用。

雷達傳感器開發(fā)挑戰(zhàn)：通過 24 GHz 雷達系統(tǒng)解決方案解決

隨著射頻雷達新傳感器應(yīng)用的出現(xiàn)，許多希望快速評估、設(shè)計和制造雷達傳感器解決方案的公司面臨著一系列新的開發(fā)挑戰(zhàn)。

ADI公司認(rèn)識到有意將RF雷達開發(fā)為傳感技術(shù)的公司所面臨的挑戰(zhàn)，最近推出了一款名為Demorad的24 GHz雷達系統(tǒng)級原型解決方案（圖1），該解決方案可在完整的系統(tǒng)參考設(shè)計上實現(xiàn)應(yīng)用開發(fā)硬件和軟件。24 GHz雷達Demorad系統(tǒng)是一種新穎的微波雷達評估平臺，具有開箱即用的軟件示例，可在幾分鐘內(nèi)輕松啟動雷達傳感器。Demorad 支持雷達傳感器產(chǎn)品的快速產(chǎn)品原型設(shè)計，這些產(chǎn)品可以測量實時信息，例如目標(biāo)/物體的存在、運動、角位置、速度和傳感器的距離。

該系統(tǒng)硬件解決方案包括RF天線和完整的RF至基帶信號鏈ADF5904（接收）、ADF5901（發(fā)射）、ADF4159（PLL）、ADAR7251（AFE），包括ADI公司的ADSP-BF707 DSP，可通過易于使用的圖形用戶界面和雷達算法軟件快速連接到筆記本電腦/PC（圖2）。 雷達FFT和控制固件可在Blackfin DSP庫中找到。在幾分鐘內(nèi)，用戶可以將平臺系統(tǒng)插入裝有軟件的計算機。使用軟件GUI和DSP雷達支持功能庫為24 GHz雷達IC提供全面的軟件支持，并增加了使用用于雷達傳感器軟件設(shè)計的MATLAB工具（如2D/3D雷達FFT、CFAR和分類算法）在PC上寫入原始數(shù)據(jù)以進行后處理的功能。

圖2.Demorad射頻到基帶信號鏈和簡化框圖。

有關(guān) Demorad 的更多信息，請參閱此產(chǎn)品亮點：Demorad：24 GHz 雷達傳感器平臺。

FMCW 雷達基礎(chǔ)知識

如圖3所示，用于雷達發(fā)射的調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達斜坡或線性調(diào)頻產(chǎn)生，以及一組用于定義雷達傳感器設(shè)計信息的重要雷達方程。

圖3.FMCW 雷達概念。

距離分辨率取決于發(fā)射載波掃描帶寬——發(fā)射掃描帶寬越高，雷達傳感器的距離速度就越高。速度分辨率取決于停留時間和載波頻率——載波頻率或停留時間越高，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。

圖4描述了ADSP-BF707中捕獲數(shù)據(jù)的后處理。

圖4.FMCW 數(shù)字后處理信號鏈。

Demorad 雷達系統(tǒng)信號鏈包括 DSP 中的一些基本算法，這些算法用于 DSP FFT、波束成形和 CFAR?；灸繕?biāo)檢測和目標(biāo)分類在主機 PC 上運行。Demorad主要用于收集時域和頻域中的雷達信號。Demorad不包括高級目標(biāo)檢測或?qū)ο蠓诸愃惴?。這是應(yīng)用級開發(fā)工作的一個示例，通常由終端系統(tǒng)開發(fā)人員執(zhí)行，他們非常了解雷達傳感器將要工作的環(huán)境以及所需的對象檢測類型。

圖5所示是Blackfin ADSP-BF70x的一些優(yōu)化的2D FFT，具有集成窗口功能，有助于避免飽和，實現(xiàn)更高的SNR，并優(yōu)化存儲器布局以實現(xiàn)更高的帶寬和更高效的數(shù)據(jù)處理。德莫拉德提供不同的操作模式。

圖5.使用 2D 傅里葉變換的范圍和多普勒頻率。

FMCW 雷達模式

在FMCW模式下，可以測量到靜止目標(biāo)的距離。目標(biāo)的下變頻接收信號的頻率與到目標(biāo)的距離成正比。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(biāo)，而顯示存儲多個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(biāo)的距離以及速度。距離多普勒模式是最強大的工作模式之一，因為它能夠通過評估二維傅里葉變換同時處理多個發(fā)射斜坡或線性調(diào)頻。距離多普勒處理后的數(shù)據(jù)顯示在距離多普勒圖中。距離多普勒的強大之處在于它允許分離具有不同速度的目標(biāo)，即使它們位于相同的距離。這對于不同方向的多個快速移動目標(biāo)非常有用，例如，解決汽車向相反方向移動或在超車操作期間的復(fù)雜交通場景。

數(shù)字波束成形 （DBF） 模式

在DBF模式下，將顯示到目標(biāo)的距離和角度。來自四個接收通道的接收信號用于估計目標(biāo)的角度。顯示屏顯示目標(biāo)在 xy 平面中的空間分布。在DBF模式下，系統(tǒng)的配置與FMCW模式相同，但對IF下變頻信號的處理不同。計算范圍后，通過評估四個接收通道之間的相位差來計算目標(biāo)的角度信息。在DBF模式下，需要雷達前端系統(tǒng)校準(zhǔn)，以消除接收通道之間不必要的確定性相位變化。每個 Demorad 系統(tǒng)都帶有運行 GUI 時加載的出廠校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。然后對采樣的IF信號進行校正，然后再評估傳感器的測量數(shù)據(jù)。

Demorad平臺通過使用ADF5901上提供的兩個發(fā)射輸出和適當(dāng)?shù)?a target="_blank">天線布局來利用MIMO操作。這會產(chǎn)生七個接收通道，以提高傳感器的角度分辨率，例如四個真實接收通道和四個虛擬接收通道，在一個通道上重疊。Demorad中使用的波形利用了ADF4159 PLL的快速斜坡特性，上行線性調(diào)頻為280 μs，下線性調(diào)頻為4個接收，總斜坡周期為284 μs。使用以1 MSPS運行的ADAR7251 AFE ADC在上升斜坡中采集256個樣本或數(shù)據(jù)采樣。

Demorad使用FMCW雷達以約75厘米的分辨率探測最遠(yuǎn)200米外物體的范圍和速度。根據(jù)天線陣列設(shè)計，視場（FOV）方位角約為120°，仰角約為15°。通過組合數(shù)字波束成形（DBF）中使用的天線，Demorad使用DBF來計算FOV中的角度信息。

審核編輯：郭婷