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毫米波雷达技术及应用大解析内有大量PPT

发布时间:2019-08-21 02:55:08

  毫米波雷达技术及应用大解析(内有大量PPT干货)

  上个月,无人机方案提供企业Aerotenna获得了在美国纽约州雪城举办的无人机交通管制峰会无人机避障比赛的冠军,与通常无人机采用的超声波或双目等方案避障不同的是,Aerotenna的避障方案采用以雷达技术为基础的μSharp 360度微波雷达。

  随着无人机应用的成熟和大规模普及,稳定、可靠的避障系统对于无人机来说越发重要,而目前市面上的很多无人机产品所用的传感方案无外乎视觉、超声波等传统方案,相对这些传统方案,雷达的可靠性、准确度以及感知距离都定高相对上了一个层次。

  那么毫米波雷达应用在无人机上到底是个什么样的存在,其中有什么样的技术难度和壁垒?

  本期公开课我们请到了Aerotenna北京研发中心技术负责人冀连营博士,为大家讲解《小型民用毫米波雷达及其应用》。

  嘉宾介绍冀连营,北京理工大学信号与信息处理专业博士,师从北理工雷达技术研究所高梅国教授,主攻数字信道化雷达接收机。

  2009年毕业进入中国科学院大学读博士后,新加坡国立大学访问学者,2012年博士后出站开始在中国科学院大学电子学院任教。期间作为合伙人共同创办中国科学院大学传感络与应用中心产业化公司,任技术总监。

  2015年加入Aerotenna公司,联合创立北京研发中心并任技术负责人。负责无人机与汽车毫米波雷达、SOC FPGA架构无人机飞控研发。

  以下是冀连营博士演讲全部内容记录精编:

  毫米波的基本特性

  大家都知道雷达使用电磁波,电磁波这个媒介决定了微波雷达区别于超声、声呐等其它方法。

  电磁波是交变电磁场,在自由空间传播,这个电磁场交变的频率,决定了雷达的基本属性。当然,波长和频率是一个等效的概念。电磁波按频率划分有这么几个典型的频段:

  平时用的无线电是低于300Mhz的频段,主要是AM,FM广播使用。

  微波频段是通信和雷达使用的主要频段,这是个很宽的频,有300Mhz--300GHz,我们要讲的毫米波是微波的一个子频段。

  大家可以看到的是,可见光、红外、激光等,这些也是电磁波的一种但是由于频率的不同,它和微波频段的特性有很大差异。

  所以所基于可见光、红外、或者激光的方法一般就严格的讲就不叫雷达了,虽然激光的机理和雷达可能是类似的。

  那么不同频段的电磁波主要的区别在哪里呢?就是以下这几个特性,当电磁波在空间传播的时候,它传播的介质一改变,就会发生反射、吸收、透射、衍射等现象。不同频段的电磁波,这几种现象的占比就很大差异。

  那么我们知道无论是雷达、主动红外、激光雷达都是基于反射这个特性,不同频率的电磁波在反射特性上就有很大差异,这个一方面取决于介质,也就是反射面的材质。比如金属的材质更容易反射微波,水主要会吸收电磁波,那么水下我们就很少使用雷达。同时,这个反射、透射等特性还取决于电磁波的频率。比如我们的广播,一般在屋里也能接收到,但是wifi在隔了几堵墙可能就很弱了,红外和光根本就一张纸可能也透不过去。这是因为,波长越长,越容易发生透射和衍射现象,而波长越短,则很容易被反射。

  一般来讲电磁波波长和介质的尺寸之间的关系,如果大于,那么就容易透过和衍射,如果小于则容易反射。当然这里特别的是射线,因为他基本以粒子属性为主,所以基本不能看做是波了。

  我们要讲的毫米波的波长是1cm到1mm之间,这个波长是很短的,它靠近太赫兹或者红外,但是比这两者的波长还长很多,这个波长早期开发起来难度很大,是近十年左右才利用起来的。

  就像刚刚我们讲的,我们现在能用来通信和处理的电磁波频率越来越高,现在已经讲太赫兹、可见光通信了,这得益于技术的发展。毫米波这个波段30---300GHz,频率很高,但是这个频段里很多频率区域的电磁波在空气里传播很容易被水分子、氧气吸收,所以可用的就是几个典型的频段,也就是这里列出来的24、60、 77,、120GHz。当然24GHz很特别,他严格来讲不是毫米波,因为它的波长在1cm左右。但是它是最早被利用的。现在各个国家把24GHz划出来可以民用,77GHz划分给了汽车防撞雷达,24Ghz也在汽车里用得最早。

  毫米波由于它的波长很短,就有别于无线电和较低频的微波,根据刚才说的反射特性等特点来讲,首先它很接近于光的传播特性,对于较小的反射面(物体)也能较好的反射,另外由于频率很高,它可调制的带宽非常大。还有,一会我们会说到,由于波长很短,天线就可以很小。但是由于波长小,在空间传播很容易被阻挡和吸收,那么也就导致它作用距离不可能太远,当然这个远近是相对其他波段来说的,一般作用距离1km以内。

  毫米波雷达的检测、测距、测速和角度测量

  下面我们来说一下毫米波雷达。

  我们知道雷达就是发射电磁波并通过检测回波来探测目标的有无和远近的一种电子装置。这个和超声、主动红外、激光都一样。只不过我们强调用了Radio。

  毫米波和大多数微波雷达一样,有波束的概念,也就是发射出去的电磁波是一个锥状的波束,而不像激光是一条线。这是因为这个波段的天线,主要以电磁辐射,而不是光粒子发射为主要方法。这一点,雷达和超声是一样,这个波束的方式,导致它优缺点。优点,可靠,因为反射面大,缺点,就是分辨力不高。

  毫米波雷达可以对目标进行有无检测、测距、测速以及方位测量。

  判断有没有目标很简单,判断回波有没有就行了。

  测距也简单,都是基于TOF原理,但是我们说电磁波的传播速度是光速,所以这个带来了一定的挑战。刚才我们说毫米波雷达作用距离都不太远,比如我们说汽车或者无人机,那么探测距离就很近,回波和发射波间隔就非常短,所以一般并不太适合使用简单的发射脉冲方式,所以现在主要是用FMCW方式较多。

  毫米波雷达测速和普通雷达一样,有两种方式,一个基于dopler原理,就是当发射的电磁波和被探测目标有相对移动、回波的频率会和发射波的频率不同。通过检测这个频率差可以测得目标相对于雷达的移动速度。但是这种方法无法探测切向速度,第二种方法就是通过跟踪位置,进行微分得到速度。

  最后一个,是毫米波雷达的侧向,雷达对目标方位的探测主要基于一种方法,就是使用较窄的波束。因为当目标出现在波束里,我们一般没有办法判断目标具体在这个波束内部的那个方向,所以我们必须把波束做窄,当然能和激光一样最好,但是这个很难。那么把波束做窄,有几种方法,一种使用有向天线,比如喇叭天线或者透镜天线。还有一种方法,就是使用多根天线+阵列信号处理的方法。对于毫米波来讲,由于波长很短,所以我们做很多根天线的代价就很小(这个代价指价格、尺寸),所以毫米波雷达大量使用阵列天线的方式来构成窄波束,能多窄呢?比如3度,5度这样,是汽车常用的。当然这个和激光还不能比,但是已经很好了。

  毫米波雷达的基本技术

  民用毫米波雷达首先应用的方向是汽车应用,大约199X年的时候,毫米波雷达就被用于汽车的ACC功能(自适应巡航)了,也就是在高速上跟着前车跑,他慢你慢,他快你快,保持一定距离。这依赖于毫米波长达200米以上的距离探测功能,其它手段是很难做到的。到后来,又陆续发展为防撞、盲区探测等其它功能,但是这个技术一直很贵,并且对国内封闭,直到2012年,出现了芯片级别的毫米波射频芯片,这个技术的门槛一下降低了,所有应用打开了一个窗口。

  毫米波雷达一般有这么几个构成部分:天线、射频、基带、以及可能的控制层。

  我们一个一个来说,首先天线。

  刚才我们讲,毫米波雷达波长几个毫米,由于天线尺寸和波长相当,所以毫米波雷达的天线可以很小

  ,从而可以使用多根天线来构成阵列天线,达到窄波束的目的,随着收发天线个数的增多,这个波束可以很窄很窄。另外一个因素是,由于波长很小,毫米波可以使用一种”微带贴片天线“,就是图片里这个样子,在pcb板上的ground层上铺几个开路的微带线,就能做天线。这个导致毫米波雷达的天线可以做成pcb板。和大家常见的wifi和蓝牙的pcb天线很像。当然,由于毫米波的频率很高,那么一般需要高频板材。实际上国内在一两年前,都还不具备制作这个天线的能力。

  接着是毫米波雷达的射频部分。

  刚才我们提过,早些年用离散器件搭难度很大,只有几个大厂能做,并且形成了技术壁垒,但是芯片级别的毫米波射频芯片的推出,门槛迅速下降,之前几万块钱的毫米波雷达,现在可以1000块左右了。当前使用sige工艺的片子还略贵,很多厂家在研发cmos工艺的,如果成功,可能就白菜价了。

  最后是毫米波雷达的数字信号处理部分。

  这部分就是一些算法,主要包括阵列天线的波束形成算法、信号检测、测量算法、分类和跟踪算法。这个就不展开了,因为涉及的面太多了。雷达的原理是简单的,但是要做好,功夫就都要下在这个地方。

  另外,还有一些厂家的方案,都是从射频带基带一体的解决方式,我们可以预见,不远的将来,集成程度会更高,到时候都是单芯片的方案了。

  毫米波雷达的两个应用一个当然就是汽车。

  由于毫米波雷达的距离远、可靠性高、不受光线、尘埃影响,相比摄像头,它距离150米以上的特性远远胜出。相比激光,1000块左右的价格也是大大胜出。所以现在仍然是主流技术。

  当然刚才我们提到它分辨力略低,那么和摄像头的融合必然是一个趋势。

  当然,激光雷达在拼命的技术革新,想把价格降下来。由于技术和价格的迅速普及,原来只有50万以上的车才有的毫米波雷达,现在十几万的车上也慢慢开始装了,而且,telsa这样ADAS领导者,也开始从汽车雷达厂商挖技术主管,并且在九月份开始装配到它的电动车上了。可以看出来,毫米波雷达在汽车上的应用还是主流技术。

  另一个就是无人机。

  我们常讲,汽车和无人机其实是很像的:高速移动,安全第一。

  高速,必然要求,探测距离足够远。安全,必然要求检测方法的鲁棒性,和受环境影响小。

  当然在某些应用里,无人机的环境比汽车也要复杂一点。

  毫米波雷达在军事有人机、无人机早已大规模应用。

  其在无人机的第一个应用,也是目前市场最大的,是植保无人机的定高应用。

  我们知道gps和气压计测的是海拔高度,而植保时,我们希望无人机在作物上方固定的高度飞行,无论地面和植被是否起伏。这个也叫仿地飞行。这种应用有很多的解决方案,比如我们说的超声、激光、红外、双目等等。但是由于植保环境大多很差,有很大的灰尘,还有水雾,那么超声和基于光学的都会受到很大干扰。

  目前来看,基于毫米波雷达的高度计,表现是最稳定的,首先他能穿透尘埃水雾,另外也基本不受什么干扰。基于波束,而不是点反射,高度恰恰反映植被叶片高度。

  无人机方面第二个应用就是避障。

  这个同样是一个多种传感器争夺的战场。但是我们讲毫米波雷达有不受光线影响、作用距离有非常大、可靠等优势,而这些优势在军事有人机、汽车、无人机方面都被证明。

  当然,雷达的分辨力确实较低。但是我们讲过,由于阵列天线的优势,其实这个是可以有很大提高的,有度的分辨力是有可能的。在美国这个避障比赛里,我们用毫米波雷达是得了第一的。所以请大家也有信心。这里有一个对比图,大家可以看一看。

  所以我们说毫米波雷达是有很大的调整空间的,比如波束宽度、作用距离、价格等。我们相信毫米波雷达在无人机测高、避障上优势很明显,但也有需要光学来补充的地方。因此,我们提出这样一个架构,使用毫米波雷达进行360度避障,和高度测量。

  当然这样的架构下,也需要更强的飞控处理平台和技术。

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