安防雷達(dá)助力智慧航運(yùn)（STS1-13傳感器 船舶檢測，橋梁防撞，軌跡跟蹤）

1.產(chǎn)品概述

STS1-13是一款高性價(jià)比的安防雷達(dá)產(chǎn)品，通過發(fā)射24GHz的電磁波，檢測物體反射回來的帶有多普勒效應(yīng)的回波完成目標(biāo)的探測和定位。該產(chǎn)品應(yīng)用于檢測視野內(nèi)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)（例如人、車、船），匯報(bào)他們的距離、方位角和速度信息，支持多個(gè)目標(biāo)同時(shí)匯報(bào)。基于以上匯報(bào)的準(zhǔn)確信息，可配合攝像頭等光電設(shè)備進(jìn)行跟蹤定位、身份識(shí)別和事件記錄。

安防雷達(dá)STS1-13可在多種場所發(fā)揮主動(dòng)探測的作用，例如智慧航運(yùn)、漁業(yè)防護(hù)、橋梁防撞、船流量監(jiān)控、漁政管理等水域的船只探測；變電站、看守所、輸油管線等基礎(chǔ)設(shè)施的安防維護(hù)；機(jī)場周界安防、鐵路沿線安防、公路交通管控等通行設(shè)施的監(jiān)控管制等。該雷達(dá)傳感器性能優(yōu)良，價(jià)格優(yōu)惠，接口開放，便于集成商匹配攝像頭或紅外等設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)集成。

STS1-13安防雷達(dá)的主要特點(diǎn)：

1) 收發(fā)通道多：3發(fā)32收的調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)，相控陣體制。

2) 探測威力大：行人穩(wěn)定探測超過1000米，車輛和船只穩(wěn)定探測超過2000米。

3) 測量精度高：測角精度可達(dá)0.3°，測距精度2米。

4) 支持多個(gè)工作頻段，可避免同頻干擾問題。

5) 支持劃定防區(qū)，可有效屏蔽核心區(qū)域以外的誤報(bào)。

6) 采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，支持大小目標(biāo)識(shí)別分辨，便于客戶針對性篩選目標(biāo)。

7）雷達(dá)原廠支持，接口開放，便于系統(tǒng)集成和定制化開發(fā)。

STS1-13安防雷達(dá)雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)：

注1：雷達(dá)匯報(bào)的角度范圍可達(dá)±60°，以利于近距離大角度的目標(biāo)發(fā)現(xiàn)，但角度越大相應(yīng)的探測能力和測角精度都會(huì)下降。如果需要過濾某些位置的目標(biāo)，可使用防區(qū)功能。

注2：雷達(dá)的法線（與前面罩垂直）方向探測威力最大，隨著俯（仰）角逐漸增大，其探測能力逐漸下降，當(dāng)考慮盲區(qū)時(shí)，還應(yīng)注意到此時(shí)目標(biāo)距離雷達(dá)很近，并不需要很強(qiáng)的能量就可以探測到，所以盲區(qū)不用按照這里的標(biāo)稱值計(jì)算，可參考下文的列表。

注3：建議供電采用直流24V，如果要用12V供電，需要考慮電源適配器與雷達(dá)間的直流電源延長線不宜太長（例如不超過10米），盡量避免由于壓降導(dǎo)致的雷達(dá)工作異常。產(chǎn)品標(biāo)配24V適配器。

2.技術(shù)特點(diǎn)

安防雷達(dá)STS1-13是一款采用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）的相控陣?yán)走_(dá)，該雷達(dá)采用了3個(gè)發(fā)射通道和32個(gè)接收通道的陣列天線設(shè)計(jì)。在每個(gè)發(fā)射波束工作時(shí)間內(nèi)，所有的接收通道接收數(shù)據(jù)，同時(shí)形成多個(gè)接收波位（數(shù)字波束形成DBF），并在每個(gè)波位內(nèi)進(jìn)行恒虛警檢測（CFAR）形成點(diǎn)云信息，綜合運(yùn)用點(diǎn)跡凝聚（DB-SCAN算法）和聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法（JPDA）、卡爾曼(Kalman)濾波算法等雷達(dá)數(shù)據(jù)處理算法，最終輸出目標(biāo)信息。扇面的電子掃描（E-scan）過程克服了機(jī)械掃描雷達(dá)的壽命短的問題。

當(dāng)發(fā)射波位的指向改變時(shí)，對應(yīng)地調(diào)整接收通道的相位因子，從而接收波位也完成相對應(yīng)的指向，這樣配合的工作方式，使得雷達(dá)收發(fā)信號(hào)的指向性更強(qiáng)，能量更集中，從而增強(qiáng)雷達(dá)的探測能力；加上SFC(靈敏度頻率控制)電路的作用，雷達(dá)可以具備高動(dòng)態(tài)（HDR）范圍，可適用于不同場景下的目標(biāo)探測；同樣得益于合成的窄波束的設(shè)計(jì)，提升了雷達(dá)抗干擾和抗多徑的能力。

2.1雷達(dá)坐標(biāo)系

雷達(dá)匯報(bào)的目標(biāo)位置信息，是以雷達(dá)所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)的。

(1) 雷達(dá)正前方為Y軸(對應(yīng)目標(biāo)的縱向距離)，與Y軸垂直的是X軸(對應(yīng)目標(biāo)的橫向距離)。Y軸左側(cè)的目標(biāo)橫向距離為負(fù)數(shù),Y軸右側(cè)的目標(biāo)橫向距離為正數(shù)。

(2) 假設(shè)圖中目標(biāo)A在遠(yuǎn)離雷達(dá)，其X0 = -3米(注意是負(fù)數(shù))，Y0 = 50米，速度v=1.5m/s(遠(yuǎn)離目標(biāo)的速度為正)。 則目標(biāo)距離雷達(dá)的徑向距離R為50.1米。角度φ=arctan(-3/50) = -3.4°(注意目標(biāo)在左側(cè),角度為負(fù)數(shù))。

定制開發(fā)下，可輸出目標(biāo)的經(jīng)緯度信息。

3.實(shí)測效果

STS1-13船只探測效果，探測距離超過2000米

STS1-13行人探測，探測距離超過1000米

附錄：STS1-13產(chǎn)品解讀

問：STS1-13定位的應(yīng)用方向是什么？

答：在水域和陸地都可應(yīng)用。雷達(dá)作為智能感知的重要技術(shù)手段，可為智慧航運(yùn)提供基礎(chǔ)性原生信息。充分挖掘這些信息，將有利于船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、航道船流量信息統(tǒng)計(jì)、船只航線跟蹤和智能駕駛，以及航道規(guī)劃輔助決策等大數(shù)據(jù)信息的搜集工作。將雷達(dá)技術(shù)與水運(yùn)行業(yè)深度融合，可推動(dòng)水上交通運(yùn)輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。另外在水上執(zhí)法、緝毒緝私、打擊跨境偷渡等公安方向也可應(yīng)用。在陸地應(yīng)用方面，STS1-13可用于關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的周界安防、行人入侵探測，或者要地防護(hù)等。典型應(yīng)用例如機(jī)場周界安防、鐵路沿線安防、油氣管線防護(hù)等。

問：這款雷達(dá)有什么特殊之處嗎？

答：STS1-13有多達(dá)32個(gè)接收通道，探測威力大，測角精度高；采用24GHz成熟的軟硬件設(shè)計(jì)，批量化生產(chǎn)，性價(jià)比非常高。

32個(gè)通道進(jìn)行數(shù)字波束形成（DBF），合成波束寬度約為3.1度，相當(dāng)于雷達(dá)將能量集中到3.1度這么小的角度范圍內(nèi)，所以探測能力更強(qiáng)。當(dāng)然雷達(dá)需要同時(shí)進(jìn)行很多個(gè)波束的計(jì)算，才能實(shí)現(xiàn)大角度的覆蓋能力，超高算力的信號(hào)處理能力，是開發(fā)工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

測角精度取決于雷達(dá)的波束寬度和目標(biāo)的信噪比（SNR），在探測能力大（SNR高）的情況下加上波束寬度窄（只有3°，受其他角度雜波的影響小），所以測角精度也很高。

問：這款產(chǎn)品的實(shí)際探測能力的確能到參數(shù)表中的標(biāo)稱值那么遠(yuǎn)嗎，有沒有虛標(biāo)？

答：沒有虛標(biāo)。事實(shí)上這款雷達(dá)的探測能力是超過標(biāo)稱的典型值的，不過的確存在應(yīng)用場景不同時(shí)探測威力有差異的情況，這在有大型反射物或較多金屬反射物的場景中尤其明顯。一個(gè)面積A=2m×2m的公路路牌，其雷達(dá)截面積（RCS）約等于1.3×106m2，而一個(gè)人一般我們按照RCS=0.5m2計(jì)算，兩者相差非常大，大反射體帶來的回波太強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)系統(tǒng)由于相噪引起的底噪抬高，從而降低弱目標(biāo)的SNR，當(dāng)SNR低于門限時(shí)小目標(biāo)就檢測不出來了。

STS1-13采用優(yōu)化了環(huán)路參數(shù)的射頻鏈路，盡最大可能地降低了不同場景下的差異性。另外產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮到了這一問題，所以實(shí)測空曠場景下明顯優(yōu)于列寫的典型值，復(fù)雜環(huán)境下也能滿足定義值。

問：這款雷達(dá)可以匯報(bào)目標(biāo)的哪些信息？

答：STS1-13可以實(shí)時(shí)匯報(bào)目標(biāo)相對于雷達(dá)的橫向距離、縱向距離、速度（運(yùn)動(dòng)方向）、信噪比，和探測到的目標(biāo)長度信息。從雷達(dá)發(fā)出電磁波，到檢測和匯報(bào)目標(biāo)出來，整體的時(shí)間延遲小于0.5秒，信息更新速率大約是3次/秒。雷達(dá)默認(rèn)是以自身為坐標(biāo)原點(diǎn)的，正前方是Y軸（前后算是縱向距離），左右是X軸（代表橫向距離）。雷達(dá)匯報(bào)的信噪比和目標(biāo)長度信息可作為目標(biāo)大小的判定依據(jù)。

如果必要，可定制化開發(fā)，支持目標(biāo)的經(jīng)緯度信息匯報(bào)。部分客戶有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后開關(guān)量控制需求，可以按需定制。

問：在實(shí)際場景下，如何考慮安裝位置呢？

答：考慮河流上安裝的情況，其他場景類似。

如果在河岸上安裝，雷達(dá)的法線應(yīng)與河流方向30-60°夾角，注意不要讓雷達(dá)法線垂直照向?qū)Π?。原因是如果一個(gè)目標(biāo)在雷達(dá)前面橫穿，那么他面向雷達(dá)的速度非常?。ɡ硐氲臋M切運(yùn)動(dòng)，其面向雷達(dá)的速度為零），常常與靜止地物雜波混到一起，不利于目標(biāo)檢出，此時(shí)如果強(qiáng)制檢出，可能誤報(bào)也會(huì)增多。

問：STS1-13可以測量多大速度的目標(biāo)呢？

答：速度上限是，雷達(dá)可以測量到±120km/h的目標(biāo)，正負(fù)號(hào)代表遠(yuǎn)離或靠近的運(yùn)動(dòng)方向。速度下限是±2km/h（約±0.6m/s），更低速度的目標(biāo)，雷達(dá)也具備一定的探測能力，但由于需要過濾掉接近零速的地物雜波（即濾除極低速的誤報(bào)），所以弱目標(biāo)的檢出率將會(huì)明顯下降。

注意這里的速度值都是指目標(biāo)面向雷達(dá)的速度值，這個(gè)值小于等于目標(biāo)的真實(shí)速度，見下圖。

問：有的廠家用到77GHz或80GHz的雷達(dá)，STS1-13選用24GHz頻段基于哪些考慮呢？

答：目前大多數(shù)國家（含中國）已經(jīng)將76-79GHz劃分給汽車?yán)走_(dá)專用，從法規(guī)上說，再將這個(gè)頻段用于其他用途都是不合規(guī)的。79-81GHz這個(gè)頻率段主要發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體也在考察用于汽車?yán)走_(dá)，目前沒有明確的法規(guī)指定應(yīng)用方向，仍存在不確定性。而24.0~24.25GHz是已經(jīng)劃分好的全球通用的ISM頻段，可放心使用。

77-80GHz頻段的空衰比24GHz嚴(yán)重，在公里級(jí)雷達(dá)中這一點(diǎn)逐漸突出出來，而且探測距離越遠(yuǎn)，差距越明顯。

從現(xiàn)有的技術(shù)能力來說，77-80G頻段的射頻部分輸出功率偏低（例如13dBm），這么高頻率的功率放大器件成本較高，一般雷達(dá)廠家不會(huì)選用，轉(zhuǎn)而考慮使用多發(fā)射通道（例如TDM或DDM技術(shù)），但整體提升有限，汽車?yán)走_(dá)目前用這類器件做出的產(chǎn)品測車距離大約是300-500米（20°視野）；24GHz頻段則有更為成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，功率放大部分可達(dá)27dBm，同樣可考慮多通道設(shè)計(jì)，加上幾十個(gè)接收通道的接收機(jī)，雷達(dá)探測威力明顯更強(qiáng)。

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審核編輯黃宇