TI基于毫米波技術(shù)的毫米波傳感器 讓物體視線更加清晰

Ahmad Bahai博士，德州儀器（TI）首席技術(shù)官

一直以來，許多技術(shù)領(lǐng)先的廠商都致力于開發(fā)高度集成的雷達(dá)視覺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)且不受環(huán)境噪音影響的效果。一架巨大的飛機(jī)在屏幕上只能呈現(xiàn)為一個點(diǎn)，那已經(jīng)是過去的老舊雷達(dá)屏幕了。現(xiàn)如今，采用TI獨(dú)特毫米波技術(shù)的毫米波傳感器，可以幫助我們看到具有詳細(xì)輪廓的物體并對其進(jìn)行分類，實(shí)現(xiàn)“眼見為實(shí)”。

想象一下，一個靈敏的機(jī)器即使在充滿灰塵、黑暗、霧氣或下雨等惡劣條件下也能避開障礙；一個安全系統(tǒng)，可以透過墻壁看到入侵者；一架無人機(jī)可以檢測到肉眼看不到的高架電纜；一個安裝在手術(shù)工具尖端的微型雷達(dá)可以檢測到生物質(zhì)；又或者一個微型傳感器可以監(jiān)測動脈壁和聲帶運(yùn)動。

這種機(jī)器視覺依賴于復(fù)雜的互補(bǔ)計算方式，在汽車、工廠自動化、樓宇自動化和醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用中，通常被用于形成精確的物體圖像。主動傳感器是傳輸一個或多個波流，并智能地將反射轉(zhuǎn)換成圖像。（閱讀我們的白皮書了解更多關(guān)于TI毫米波雷達(dá)技術(shù)，《毫米波雷達(dá)：在邊緣地帶實(shí)現(xiàn)更高的智能自主性》。）

革新者

當(dāng)然，無線電探測和測距（雷達(dá)）并不是新的技術(shù)。每一次駕駛員自主進(jìn)行操作和每一次自主巡航控制的飛行任務(wù)都需要雷達(dá)系統(tǒng)的參與。這一概念誕生于第二次世界大戰(zhàn)期間，從那以后被廣泛使用。這一概念不僅僅在軍事用途方面起到了開創(chuàng)性的作用，對其它領(lǐng)域的應(yīng)用也有巨大貢獻(xiàn)。諸如空中和地面交通控制、地面和地下測繪、天氣預(yù)報、汽車高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）以及醫(yī)療監(jiān)控等應(yīng)用都在配置電磁（EM）測距。

雖然諸如超聲波測距和成像等低頻率的技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用，并且成本可被接受，但它局限于短距離范圍內(nèi)。而雷達(dá)擁有廣泛的工作頻率范圍，從300 MHz到300 GHz，包括78-81 GHz廣泛用于汽車應(yīng)用，60 GHz用于工業(yè)應(yīng)用。在低頻時，電磁傳播衰減較小。低頻雷達(dá)可以覆蓋很長的距離，但需要大型天線或多個天線才能彌補(bǔ)有限的精度和角度分辨率。頻率越高，衰減越大，但分辨率和精度同樣與之增長。而且，在更高的頻率下，無線電、基帶和天線的集成更加實(shí)用。在超高頻率下，光學(xué)傳感器的分辨率是無法被比擬的，然而在超高頻率下光學(xué)傳感器存在被周圍的障礙物模糊的可能性。

然而直到最近，由于成本、技術(shù)復(fù)雜性和精確性等原因，雷達(dá)在許多汽車和工業(yè)應(yīng)用中無法廣泛使用。但是德州儀器的CMOS芯片上的單片式毫米波感測解決方案可以改變這一挑戰(zhàn)。

使用方便

曾經(jīng)，部署雷達(dá)需要大量的射頻（RF）設(shè)計和專業(yè)知識。將天線、射頻、模擬、數(shù)字處理器和適當(dāng)?shù)?a target="_blank">接口等準(zhǔn)確地進(jìn)行集成，需要昂貴和繁瑣的設(shè)計。

但是現(xiàn)在，我們的集成雷達(dá)芯片帶來了許多創(chuàng)新性的即插即用解決方案。除了標(biāo)準(zhǔn)的汽車應(yīng)用之外，許多工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用也可以從簡單易用的TI毫米波傳感器中獲益。集成DSP和微控制器的效率和便利性將提供多種用途。它可以通過實(shí)時監(jiān)控糾正前端異常情況來提高整體性能。此外，它還專門提供一個芯片上的平臺用于本地應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)分析。

例如，無人機(jī)上的嵌入式毫米波傳感器可以檢測農(nóng)業(yè)土壤和作物的品質(zhì)。工業(yè)化學(xué)品儲罐內(nèi)的傳感器可以檢測液位和蒸汽密度。帶有集成分析引擎的傳感器可以檢測、統(tǒng)計和分析人員的移動。一個微小的傳感器可以監(jiān)測病人的心跳和呼吸模式。貼片中的一系列TI 毫米波傳感器可以在瞬間就監(jiān)測到核心體溫和動脈壁的狀況。在一些應(yīng)用中，集成設(shè)備甚至可以替代超聲波傳感器，同時在汽車保險杠上提供更多功能。

可擴(kuò)展性

雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)在很多方面施展作用。遠(yuǎn)程窄射線雷達(dá)需要不同的天線配置和更高的功率。例如，中、遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）雷達(dá)能夠以毫米級的精確度探測遠(yuǎn)至250米處的物體。具有較寬波束的短程TI毫米波傳感器用于近距離檢測，例如檢測汽車附近的物體或工業(yè)應(yīng)用中的液位檢測。

雷達(dá)系統(tǒng)根據(jù)范圍（距離），頻率（速度）和角度（角度分辨率）在三維空間中檢測物體。雷達(dá)的角分辨率取決于天線的孔徑。在模塊上使用多個天線可以提供更高的角度分辨率。發(fā)射功率、信號波形、天線數(shù)目和處理能力的可擴(kuò)展性使得TI毫米波傳感器可以被廣泛地應(yīng)用。

由集成的強(qiáng)大處理器運(yùn)行的邊緣信號處理可以為邊緣處的模式識別和人工智能算法提供數(shù)據(jù)分析。邊緣處理技術(shù)可以使機(jī)械手臂在本地處理傳感器; LIDAR技術(shù)、雷達(dá)圖像定位處理、 以及能夠檢測工業(yè)罐中危險因素的TI毫米波光譜傳感器也都是邊緣處理的例子。

時間、頻率、空間

除了飛行時間之外，由發(fā)送器和反射器的相對速度引起的頻率的改變可以由雷達(dá)系統(tǒng)拾取。執(zhí)法人員利用這些系統(tǒng)來檢測超速駕駛的違規(guī)者。

雷達(dá)以調(diào)制波形連續(xù)發(fā)送信號。這種被稱為頻率調(diào)制連續(xù)波的高級信號處理算法，以時間，頻率和空間三個維度聯(lián)合接收波形，以合成物體的圖像。與照相機(jī)不同，這些圖像是物體的輪廓，這也避免了關(guān)于隱私方面的擔(dān)憂。

分布式傳感器可以監(jiān)視更廣闊的視野并解決處于相同距離但不同位置的物體。一系列同步傳感器已經(jīng)部署在高成本的逆合成孔徑雷達(dá)（ISAR）中。采用CMOS TI毫米波解決方案，合成陣列只需孔徑雷達(dá)（ISAR）的一小部分成本和復(fù)雜性，就可以提供能夠高速高分辨率成像的大孔徑。

設(shè)想一下汽車保險杠上安裝多個TI毫米波傳感器，可以辨別出1度距離范圍內(nèi)的物體?，F(xiàn)代雷達(dá)采用微型多普勒雷達(dá)和級聯(lián)雷達(dá)，通過機(jī)型詳細(xì)的輪廓刻畫和分類來查看物體。它可以確定一個物體是卡車、小型車輛還是人。多個分布式傳感器的陣列處理和傳感器融合可以提供高分辨率圖像，但涉及大量數(shù)據(jù)并且需要大量帶寬。本地信號處理器可以消除對中央處理器高速接口的需求。

我們將繼續(xù)致力于提高分辨率，并結(jié)合復(fù)雜的算法，如同時定位和測繪以及合成孔徑雷達(dá)，使其成為主流成像技術(shù)。未來，雷達(dá)與LIDAR的結(jié)合可以為更多應(yīng)用提供最佳的視覺解決方案。

半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新超越了射頻、模擬和數(shù)字信號處理，帶來了毫米波傳感器的變革。過去僅限于小型防御和空間應(yīng)用的雷達(dá)系統(tǒng)現(xiàn)在已部署在汽車和工業(yè)應(yīng)用中。這些技術(shù)開闊了我們的視野并提供了巨大的創(chuàng)新機(jī)會。