细数单芯片毫米波雷达传感器的实用性

据麦姆斯咨询报道，单芯片雷达片上系统（system-on-chip，SoC）正在成为最受欢迎的新型传感器之一。其在汽车中的广泛采用大幅提高了销量，从而促进了价格的下降。这些精密的IC器件对汽车制造商而言至关重要，对其它应用也同样有很大的吸引力。尽管IC器件在汽车应用领域将继续占据主导地位，设计人员也正在探索一系列可以提高安全性和便利性的新用途。

雷达IC

谁能想到单芯片雷达呢？虽然现在多个制造商已经设计制造出多种形式的单芯片雷达。大多数国家已经开发出24GHz、76-81GHz、94GHz频段的芯片。尽管连续波（continuous-wave，CW）和脉冲类型都是可用的，全球大多数国家都使用77MHz调频连续波（frequency-modulated continuous-wave，FMCW）方案。其中一些器件由锗硅（以下简称SiGe）制成，但是最新版本由互补金属氧化半导体（以下简称CMOS）或双极互补金属氧化半导体（以下简称BiCMOS）组成。应用于汽车或其它行业的完整模块由一些公司提供。单芯片雷达所具有的独特功能使其在某些新应用中成为其它传感器具有吸引力的替代品。

作为一款芯片上的雷达系统，大多数工程师倾向于根据其原始用途按认知对器件进行分类。但是，最好是将单芯片雷达视为另一种类型的传感器。因此，当寻找一款能够接近检测物体、运动传感，或进行物理测量的器件时，毫米波雷达意外当选。

图1 调频连续波的线性调频信号通常用于76~81GHz频段

雷达主要用于测量距离、方向（角度）和速度。例如警察用雷达测速，棒球运动场用测速枪（雷达枪）来测试棒球速度。芯片中的发射器（Tx）发射一个信号，然后该信号从远程对象反射回来并返回到位于发射端的接收器。发射器信号在短时间内频率呈线性增加，被称为线性调频（见图1）。线性调频以所需的模式重复。

图2展示了雷达收发机。返回信号的频率在接收器（Rx）和发射频率的混合中生成不同的中频（intermediate frequency，IF）。中频被数字化并用于确定移动和速度。芯片上的信号处理电路测量传输时间，并根据已知的无线电波速度计算距离。由于天线的高度方向性，可以检测到位置（方位角）。调频雷达也可以测量运动和速度。片上处理器负责计算，以提供精确的测量数据，灵活且可编程的传感器，用于多种独特应用。

图2 单芯片雷达收发器的简图

雷达传感器的应用

迄今为止，单芯片雷达的最大应用领域是汽车安全。雷达成为大多数汽车中先进驾驶辅助系统（advanced driver-assistance systems，ADAS）的核心。自适应巡航控制、自动刹车、后备箱物体检测、盲点检测、变道辅助、来车警告系统都采用了雷达技术。目标是减少驾驶员失误，从而减少车祸次数和伤亡人数。目前为止，上述目标正在实现。事实上，这些新的子系统非常有效，因此政府正在强制所有汽车安装先进驾驶辅助系统。

而且，雷达对无人驾驶汽车的成功而言至关重要。它们辅助先进驾驶辅助系统中的摄像头、激光雷达（LiDAR）和超声波传感器检测周围的物体，并在车辆周围生成合成视图。雷达在恶劣天气条件下尤为有用，即使在雾、雪、雨和黑暗的环境中也能工作，不会影响到摄像头和激光雷达传感器。处理器接收传感器输入，然后执行人工智能算法以做出所有驾驶决策。

毫米波传感器还能做什么？例子之一就是油箱中的液位传感器。许多工业、过程控制和公共服务应用都需要用到某种形式的液位测量。

另一个较为有趣的用途是照明控制。雷达传感器检测到人或移动，在有人或物体时开灯，在空无一物的情况下关灯。空调系统（HVAC）的使用也能从该方法中受益。毫无疑问，通过这种方法感知人体，能够在建筑物、停车场和选定的街道节省大量的能源。

雷达也可以进军机器人和无人机领域。一些制造机器人需要确定范围、速度和运动，以实现工业自动化工厂和其它应用中的智能计时和机械臂定位。军事侦察和武器机器人将有可能从想象转为现实。此外，雷达可以使无人机变得更为安全，防止撞击的同时帮助测量距离和高度。

安防系统也能从中受益，因为雷达可以检测远处的移动，并在恶劣天气下提供物体检测功能，在同等天气条件下，摄像头或红外传感器可能会受到影响。可以负责任地说，雷达最终也会应用在摩托车和自行车领域。自动门或车库门的应用也有极大可能。一旦超越对雷达用途的既定设想，以及技术和价格上的障碍，你就会发现它们用途甚广。

智能毫米波雷达创建更安全、高效的城市

毫米波雷达传感器的优秀应用之一是交通监控和控制。许多中等城市和大城市都会遭遇交通堵塞，不仅浪费时间和燃料，还会增加环境污染。解决这个问题的办法是对十字路口和主要高速公路上的交通信号灯进行更好的时间和顺序控制。这就需要对车辆进行细粒度感应以确定其位置、速度、转向意图和方向。有了这些信息，交通信号灯的时间可以调整，使交通移动变得更快、更高效。

毫米波雷达传感器的固有特性使其成为交通系统的理想检测器。借助调频连续波雷达，可以轻松确定车辆的里程、速度和角度（方向）。在高架杆、标志物、或其它结构中有策略地放置雷达传感器能够识别单辆车体及其运动。由相控阵天线提供的狭窄视野允许交通系统监控单车道（图3）。

图3 安装在十字路口停止线上方的雷达视野范围很窄，足以计算每个车道上的汽车数量并确定其速度

传感器的其它好处包括长达250米的远距离检测或低至5厘米甚至更短的短距离检测。如之前所述，与摄像头传感器不同，雷达传感器几乎适用于所有环境条件。借助适当的计算能力，它们可以对汽车进行计数，并确定其里程，最高可达300公里/小时（187.5英里/小时）。雷达传感器的部署也不需要挖掘地面，只需要像在十字路口埋设感应线圈那样即可。

随着城市变得更加智能，交通工程师也正在提高智能交通系统的效率，以缓解日益增长的交通问题。工程师们可以借助毫米波雷达传感器构建新一代智能交通监控系统。十字路口的雷达传感器可以帮助管理交通信号灯，用于停靠、左转、行人过马路等，加速交通信号灯的效率以减少备份。

市场上有哪些毫米波雷达传感器？

德州仪器（Texas Instruments）提供全系列的毫米波雷达传感器，可建构智能交通管理系统的基础。可用的IC器件包括AWR1243、AWR1443和AWR1642。这些工作在76~81GHz范围内的CMOS器件均使用调频连续波。

这些器件的一大关键特征是测量精度。例如，高度线性的闭环锁相环（phase-locked loop，PLL）会产生频率上升的线性调频，以确保在测量范围内的精度和分辨率更高。另一个好处是CMOS器件与SiGe相比功耗更小。

这些器件拥有两到三个发射器和四个接收器。射频（RF）带宽为4GHz，接收采样率为12.5或37.5Msamples/s。AWR1443和AWR1642包含一个200MHz的ARM Cortex-R4F处理器。AWR1443包含一个雷达硬件快速傅里叶变换（fast Fourier transform，以下简称FFT）加速器。AWR1642内置德州仪器（TI）的C674x 600-MHz DSP，可处理FFT和其它高级算法。典型接口包括SPI、CAN、CAN-FD、UART、I2C和MIPI CS12，具体取决于型号。

为了帮助开发，德州仪器提供了评估模块、参考设计和软件开发套件。公司推出的mmWave Studio是一套用于分析和算法开发的脱机工具。