物聯(lián)網(wǎng)中的高分辨率精確距離測量方案_毫米波雷達(dá)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用毫米波雷達(dá)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用毫米波雷達(dá)的原因主要基于其獨(dú)特的優(yōu)勢和應(yīng)用價(jià)值，這些優(yōu)勢使得毫米波雷達(dá)在物聯(lián)網(wǎng)的多個(gè)領(lǐng)域中都發(fā)揮著重要作用。以下是詳細(xì)的分析：

毫米波雷達(dá)的優(yōu)勢

1、高分辨率和短波長：

毫米波雷達(dá)利用毫米波段的電磁波，具有高分辨率和較短的波長，這使得它在物體檢測、定位和跟蹤方面具有出色的性能。

2、高穿透性：

毫米波雷達(dá)能夠穿透霧、煙和灰塵等障礙物，在惡劣氣候條件下仍能正常工作，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)支持。

4、精確的距離測量：

毫米波雷達(dá)可以根據(jù)接收回波與發(fā)送波的時(shí)間差準(zhǔn)確測算目標(biāo)物體與雷達(dá)之間的距離，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供精確的位置信息。

5、實(shí)時(shí)監(jiān)測和多目標(biāo)檢測：

毫米波雷達(dá)可以連續(xù)不斷地發(fā)送和接收信號，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并且可以同時(shí)檢測多個(gè)目標(biāo)，適用于復(fù)雜環(huán)境下的多目標(biāo)跟蹤和應(yīng)用。

6、低功耗和長壽命：

毫米波雷達(dá)的功耗相對較低，使其在長時(shí)間運(yùn)行時(shí)具有較好的耐用性，有利于降低物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體能耗和運(yùn)營成本。

7、隱私保護(hù)：

由于毫米波雷達(dá)不在可見光譜下工作，因此它比基于攝像頭的傳感器更好地保護(hù)隱私，適用于對隱私要求較高的物聯(lián)網(wǎng)場景。

8、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：

毫米波雷達(dá)對灰塵、煙霧和霧等大氣條件的魯棒性更強(qiáng)，可以在各種天氣條件下返回室內(nèi)外的準(zhǔn)確測量結(jié)果。

毫米波雷達(dá)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

毫米波雷達(dá)應(yīng)用范圍涵蓋車規(guī)級、工業(yè)級、消費(fèi)級和醫(yī)療級四類。汽車級應(yīng)用是毫米波雷達(dá)最早的商用場景，同時(shí)也是當(dāng)前毫米波雷達(dá)最大的應(yīng)用市場；工業(yè)級應(yīng)用主要包括智能交通、 安防監(jiān)控、智能裝備、智能樓宇、工業(yè)測量等領(lǐng)域，應(yīng)用場景最為廣泛，同時(shí)具備附加值高的特點(diǎn)；消費(fèi)級應(yīng)用主要包括 智能家居、智慧康養(yǎng)、消費(fèi)電子等，是近兩年興起速度較快、關(guān)注度較高的新興應(yīng)用領(lǐng)域，未來具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

具體應(yīng)用場景

1、智能家居：

在智能家居中，毫米波雷達(dá)可用于檢測人體的微小運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)智能照明、自動(dòng)門鎖等功能。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測家庭成員的位置和活動(dòng)，系統(tǒng)可以根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)整環(huán)境，提升居住體驗(yàn)。

2、智能城市：

在智能城市中，毫米波雷達(dá)可以用于交通監(jiān)測、人流統(tǒng)計(jì)和城市規(guī)劃。它可以幫助實(shí)現(xiàn)智能交通管理、減緩擁堵，并提供更加智能的城市服務(wù)。

3、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)：

在工業(yè)領(lǐng)域，毫米波雷達(dá)可用于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化和智能化。它可以監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、檢測產(chǎn)品缺陷，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

4、健康監(jiān)測：

毫米波雷達(dá)還可以用于健康監(jiān)測領(lǐng)域，如檢測和監(jiān)控人類手勢、情緒、運(yùn)動(dòng)、血液循環(huán)和心跳等生理指標(biāo)，為醫(yī)療保健提供新的技術(shù)手段。

毫米波雷達(dá)應(yīng)用范圍涵蓋車規(guī)級、工業(yè)級、消費(fèi)級和醫(yī)療級四類。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用毫米波雷達(dá)的原因主要在于其高分辨率、高穿透性、精確的距離測量、實(shí)時(shí)監(jiān)測和多目標(biāo)檢測等獨(dú)特優(yōu)勢，以及其在智能家居、智能城市、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和健康監(jiān)測等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用價(jià)值。這些優(yōu)勢使得毫米波雷達(dá)成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，為物聯(lián)網(wǎng)的智能化、高效化和安全化提供了有力支持。

本文會再為大家詳解雷達(dá)家族中的一員——毫米波雷達(dá) .

毫米波雷達(dá)的定義

雷達(dá)是英文 Radar 的音譯，源于 Radio Detection and Ranging的縮寫，原意是“無線電探測和測距”，即用無線電方法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定它們在空間的位置。毫米波雷達(dá)是指一種工作在毫米波頻段(milimeter wave)的雷達(dá)傳感器。

國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布的《無線電規(guī)則》(2020年)和我國《無線電頻率劃分規(guī)定》中，將無線電頻率在 30.

300GHz的頻段(波長 1-10mm)稱呼為毫米波頻段。

為符合國際電聯(lián)的指定，美國電氣及電子工程師學(xué)會(IEEE)在2002年發(fā)布的《雷達(dá)頻帶字母名稱標(biāo)準(zhǔn)》(IEEE Std521TM-2002)中修訂了對mm頻段的定義，使毫米波雷達(dá)頻段和代號在學(xué)術(shù)上的范圍定義統(tǒng)一在30-300GHZ。IEEE還在2019年的標(biāo)準(zhǔn)中列出了分配給3區(qū)(中國所在的劃分區(qū)域)的雷達(dá)具體頻段。目前國內(nèi)使用的 24GH2、60GH2、77GH2、80GHz等雷達(dá)產(chǎn)品統(tǒng)歸為毫米波雷達(dá)。

毫米波雷達(dá)的基本特性

作為雷達(dá)系列中的高頻段產(chǎn)品，毫米波雷達(dá)具有頻帶寬、波長短、大氣傳播損耗較大等基本特性，各特性對應(yīng)的優(yōu)缺 點(diǎn)概括如下圖所示。

毫米波雷達(dá)的核心功能

毫米波雷達(dá)的核心功能包括測距、測速、測方位角、微動(dòng)探測和 4D 成像等，通常雷達(dá)系統(tǒng)是通過同時(shí)測量 2-3 個(gè)功 能參量而構(gòu)成一個(gè)應(yīng)用產(chǎn)品。圖表 3 列舉了每種功能的典型應(yīng)用及功能介紹。

毫米波雷達(dá)的基本原理

毫米波雷達(dá)三個(gè)基礎(chǔ)的系統(tǒng)功能為距離測量、速度測量和角度測量。以 FMCW 雷達(dá)系統(tǒng)為例，其基本功能實(shí)現(xiàn)原理為：

1、測距原理

FMCW 毫米波雷達(dá)的測距主要是利用發(fā)射信號和回波信號之間的時(shí)延 td，結(jié)合毫米波傳播速度 c、以及目標(biāo)和雷達(dá)的 相對速度 v 推算出毫米波雷達(dá)和檢測目標(biāo)的相對距離 R 。

毫米波雷達(dá)具有較高的距離分辨率和測距精度，且可以通過后端算法實(shí)現(xiàn)毫米級的精確測距。

毫米波雷達(dá)測距能力與發(fā)射功率、天線增益、天線波束角和物體反射截面積等因素有關(guān)。通常發(fā)射功率越大，天線增益越高、天線波束角越窄以及物體反射截面積越大，雷達(dá)能夠檢測到的有效回波就越強(qiáng)，測量距離就越遠(yuǎn)。

2、測速原理

FMCW 毫米波雷達(dá)通常是利用多普勒效應(yīng)來確定目標(biāo)的徑向速度。當(dāng)目標(biāo)向雷達(dá)天線靠近時(shí)，反射信號頻率將高于發(fā) 射擊頻率；反之，當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離天線而去時(shí)，反射信號頻率將低于發(fā)射機(jī)頻率。 毫米波雷達(dá)測速范圍和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)，目標(biāo)靠近雷達(dá)做徑向運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)速度為負(fù)；目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達(dá)做徑向運(yùn)動(dòng)，目 標(biāo)速度為正。測速精度數(shù)據(jù)取決于信噪比（衡量雷達(dá)接收信號質(zhì)量的單位）。信噪比高不高，是衡量毫米波雷達(dá)的目標(biāo)檢 測性能是否強(qiáng)大的根本參數(shù)。

3、測角原理

關(guān)于毫米波雷達(dá)目標(biāo)方位角的測量，是通過并列的接收天線收到

同一目標(biāo)反射的雷達(dá)波相位差計(jì)算得到目標(biāo)的方位角。原理如下圖所 以及兩天線收到雷達(dá)回波的相位差 b 通過簡單的三角函數(shù)計(jì)算得到。

在 角 度 測 量 中， 毫 米 波 雷 達(dá) 可 以 通 過 MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）天線陣列增加系統(tǒng)虛擬孔徑，進(jìn)而 獲得更高的分辨率。

毫米波雷達(dá)的系統(tǒng)組成

毫米波雷達(dá)系統(tǒng)主要由天線、射頻前端組件、數(shù)字信號處理器和雷達(dá)控制電路等組成。

射頻前端組件：負(fù)責(zé)毫米波信號調(diào)制、發(fā)射、接收以及回波信號的解調(diào)。單片微波集成電路（MMIC）大大簡化了雷 達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，集成度高、成本低且成品率高，更適合于大規(guī)模生產(chǎn)，是目前主流的毫米波雷達(dá)射頻前端組件集成方式。

數(shù)字信號處理器：通過嵌入不同的信號處理算法，提取從前端采集得到的中頻信號，獲得特定類型的目標(biāo)信息。毫米 波雷達(dá)的數(shù)字處理主要算法包括：陣列天線波速形成和掃描算法、信號預(yù)調(diào)理、雜波處理算法、目標(biāo)檢測 / 測量的算法、 目標(biāo)分類與跟蹤算法以及信息融合算法。數(shù)字信息處理是毫米波雷達(dá)穩(wěn)定性、可靠性的核心。

天線：可以發(fā)射和接收毫米波，是毫米波雷達(dá)的重要部件，體積小，通常集成在 PCB 板上，按照天線模式可分為遠(yuǎn)程雷達(dá)（開口約 30°，200m）、中程雷達(dá)（開口約 60°，100m）和近程雷達(dá)（開口約 120°，30m）。

控制電路：根據(jù)信號處理器獲得的目標(biāo)信息，結(jié)合雷達(dá)終端動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終通過主處理器進(jìn)行智能處理， 對雷達(dá)終端前方出現(xiàn)的障礙物進(jìn)行分析判斷，迅速做出處理和發(fā)出指令，及時(shí)傳輸給報(bào)警顯示系統(tǒng)和制動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)。

毫米波雷達(dá)的使用頻率

毫 米 波 雷 達(dá) 有 24GHz、60GHz、77GHz、80GHz、120GHz 等 頻 段 產(chǎn) 品。 目 前， 國 內(nèi) 常 用 的 毫 米 波 雷 達(dá) 頻 段 為 24GHz、60GHz 和 77GHz 這三個(gè)頻段。24G 毫米波雷達(dá)在各方面性能比較成熟，且成本較低，適用的領(lǐng)域會更廣，例如交通、安防、智能家居、康養(yǎng)醫(yī)療等等；77GHz 毫米波雷達(dá)在精度上相比 24GHz 更高，主要應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，且應(yīng)用規(guī)模已超過 24GHz。

毫米波雷達(dá)的工作體制

根據(jù)輻射電磁波方式不同，毫米波雷達(dá)主要有脈沖體制以及連續(xù)波體制兩種。其中連續(xù)波又可以分為 FSK（頻移鍵控）、 PSK（相移鍵控）、CW（恒頻連續(xù)波）、FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）等方式，圖表 8 中對比了不同工作體制的優(yōu)勢和不足。

目前，連續(xù)波體制中的調(diào)頻連續(xù)波 FMCW 是主流方案。調(diào)頻連續(xù)波是連續(xù)發(fā)射調(diào)頻信號，以測量距離、角度和速度等。 調(diào)頻連續(xù)波不僅能同時(shí)測出多個(gè)目標(biāo)的距離和速度信息，還可對目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)跟蹤。相對其他電磁波雷達(dá)，調(diào)頻連續(xù)波雷 達(dá)的發(fā)射功率較低、且成本較低，被毫米波雷達(dá)廠商廣泛使用。

6.4競品對比

毫米波雷達(dá)具有探測性能穩(wěn)定、作用距離較長、環(huán)境適用性好等特點(diǎn)。與超聲波雷達(dá)相比，毫米波雷達(dá)具有體積小、 質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點(diǎn)。與紅外、激光、攝像頭等光學(xué)傳感器相比，毫米波雷達(dá)穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，具有全天候全天時(shí)的特點(diǎn)。各類傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)如圖表 9 所示。

毫米波雷達(dá)的雷達(dá)方案供應(yīng)商和方案集成商

毫米波雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈中游企業(yè)主要包括雷達(dá)方案供應(yīng)商和方案集成商。其中雷達(dá)方案供應(yīng)商主要通過完成雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 天線設(shè)計(jì)和后端算法開發(fā)，為客戶提供毫米波雷達(dá)方案模塊或整機(jī)產(chǎn)品。方案集成商則依托毫米波雷達(dá)技術(shù)，為各具體應(yīng) 用領(lǐng)域提供定制化的智能集成方案，例如汽車 tier 1 供應(yīng)商、智能交通方案集成商等。

目前，中國毫米波雷達(dá)中游市場整體上仍由博世、大陸、安波福、維寧爾、海拉、電裝等國際企業(yè)占主要份額，但國 內(nèi)企業(yè)也正在加速追趕。在汽車?yán)走_(dá)領(lǐng)域，森思泰克、華域電子、華為、承泰科技等本土企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)落地，進(jìn)入國產(chǎn)化替代周期。在智能交通領(lǐng)域，毫米波雷達(dá)的作用尤為關(guān)鍵，中游企業(yè)慧爾視、海康智聯(lián)、大華股份、象德信息、宇視科技、 木?？萍?、雷森電子為市場主要參與者；智能家居雷達(dá)經(jīng)過近幾年探索，國內(nèi)市場已經(jīng)初步形成，主要參與者包括云帆瑞 達(dá)、邁睿智能、電目科技、精益遠(yuǎn)達(dá)、全耀傳感、易探科技、速數(shù)智能等；智慧康養(yǎng)領(lǐng)域主要參與者有清雷科技、兆觀科技、 德心智能、苗米科技、英特睿達(dá)、知譜科技、算豐征途等。

供應(yīng)商A：-云帆瑞達(dá)

http://www.micradar.cn/

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊

http://www.micradar.cn/products.html

（2）主推型號1:R24DVD1

對應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

本雷達(dá)是一個(gè)自成體系的隔空感知傳感器，由射頻天線、雷達(dá)芯片和高速主頻MCU 一起組合而成的模組，依賴穩(wěn)定靈活優(yōu)越的算法架構(gòu)核心，解決用戶的各種場景探測需求，可搭載上位機(jī)或者主機(jī)靈活輸出探測狀態(tài)和數(shù)據(jù)，滿足幾組 GPIO 可供用戶定制開發(fā)。雷達(dá)天線發(fā)射電磁波信號，并同步接收目標(biāo)反射后的回波信號，雷達(dá)處理器通過解析回波信號的波形參量，反饋目標(biāo)的距離、方向、速度等信息?？梢蕴綔y運(yùn)動(dòng)物體的狀態(tài)和軌跡.

產(chǎn)品功能:生命感知、區(qū)域安防、燈光聯(lián)動(dòng)、睡眠監(jiān)控

產(chǎn)品應(yīng)用:智能燈、開關(guān)面板、傳感器

產(chǎn)品介紹:R24DVD1是基于毫米波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)人體生物呼吸感知，持續(xù)記錄人體存在情況，停留時(shí)間，以及身體運(yùn)動(dòng)幅度，可以通過無線信號通知網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)場景聯(lián)動(dòng)。并且可通過底層開放參數(shù)實(shí)現(xiàn)定制化場景。

支持協(xié)議:Zigbee/wi-Fi/4G

產(chǎn)品封裝圖

體積:35mmX31mmX7.5mm接口:Pitch 2.0mm 雙排插針接口，2*3和2*4一共2組接

接口

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硬件參考設(shè)計(jì)

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審核編輯 黃宇