77GHz雷達(dá)傳感器在汽車和工業(yè)中的應(yīng)用

在過去十年中，雷達(dá)傳感器已逐漸發(fā)展成一種成熟的傳感方式，適用于汽車和工業(yè)應(yīng)用。由于雷達(dá)技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)需要具備遠(yuǎn)距離、環(huán)境彈性和更高傳感分辨率的設(shè)計(jì)，因而非常適合應(yīng)用在高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 中，例如碰撞檢測和液位檢測。

隨著推出基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 的片上系統(tǒng) (SoC) 雷達(dá)傳感器，適用于泊車輔助、腳踢開啟 (KTO) 感應(yīng)、門障礙物檢測、機(jī)器人和電動(dòng)自行車等應(yīng)用的雷達(dá)技術(shù)變得更易于開發(fā)和部署。

為了滿足成本和功率受限型汽車和工業(yè)應(yīng)用的需求，當(dāng)前的 77GHz 雷達(dá) SoC 傳感器需要采用全新設(shè)計(jì)架構(gòu)。德州儀器 AWRL1432 和 IWRL1432 SoC 等器件具有電源管理功能，可快速切換不同的電源狀態(tài)，并在需要時(shí)能夠有效運(yùn)行雷達(dá)前端、數(shù)字處理內(nèi)核或存儲器等內(nèi)部元件。該器件還可將平均功耗從高于 1W 的典型值降低至低于 5mW（具體取決于線性調(diào)頻脈沖配置），使硬件設(shè)計(jì)人員在熱性能設(shè)計(jì)方面具有更大的靈活性，并通過去除散熱器和簡化印刷電路板設(shè)計(jì)來降低成本。 

借助基于軟件的雷達(dá)實(shí)現(xiàn)更加靈活的新型安裝

汽車制造商對感應(yīng)方式的選擇通常取決于傳感器在車輛中的用途。舉例來說，當(dāng)車輛?？坎㈡i車時(shí)，腳踢開啟 (KTO) 傳感器應(yīng)處于待機(jī)檢測模式。為了防止在停車時(shí)耗盡車輛電池，汽車制造商傳統(tǒng)上會選擇電容式或超聲波等低功耗感應(yīng)方式。不過遺憾的是，這些類型的傳感器在錯(cuò)誤檢測、環(huán)境可靠性以及性能識別等方面面臨著一定挑戰(zhàn)。AWRL1432 等低功耗 77GHz 雷達(dá)的待機(jī)狀態(tài)檢測功耗低于 3mW，在任何環(huán)境條件下都能提高識別精度，并有助于簡化安裝，從而降低總體系統(tǒng)部署成本。

基于對低功耗或高性能的需求，可以將雷達(dá)傳感器配置為動(dòng)態(tài)切換至不同的運(yùn)行模式。以 KTO 感應(yīng)為例，器件可以在低于 3mW 待機(jī)狀態(tài)檢測模式下運(yùn)行，然后在檢測到人員后切換至高性能模式，以便進(jìn)行腳踢姿勢識別和錯(cuò)誤檢測，如圖 1 所示。

圖1 一個(gè)AWRL1432雷達(dá)傳感器即可在低功耗和高性能模式之間動(dòng)態(tài)切換

在 ADAS 領(lǐng)域，傳統(tǒng)的泊車輔助系統(tǒng)使用 8 至12 個(gè)超聲波傳感器外加攝像頭傳感器，而現(xiàn)在正發(fā)展成為更強(qiáng)大、更具成本效益的自動(dòng)化系統(tǒng)。雖然每個(gè)超聲波傳感器都可以具有成本效益，但主要缺點(diǎn)體現(xiàn)在傳感器對汽車美觀性造成影響（由于必須打孔）、在惡劣環(huán)境中的性能欠佳以及距離檢測性能（最小和最大可測量距離）不佳。

現(xiàn)在，汽車設(shè)計(jì)人員可以利用具有泊車輔助功能的角雷達(dá)傳感器，以及具有成本效益的 TI AWRL1432 集成雷達(dá) SoC，來覆蓋汽車周圍的視野，而不是添加更多的超聲波傳感器，如圖 2 所示。AWRL1432 超短距離雷達(dá)傳感器可以檢測到近至 3cm 和遠(yuǎn)至 15m 的靜止物體，具體取決于天線配置。

圖2 使用雷達(dá)傳感器實(shí)現(xiàn)360度泊車輔助覆蓋

如圖3所示，您可以在車輛保險(xiǎn)杠中央使用相同的傳感器來進(jìn)行泊車輔助和 KTO，并使用角傳感器來進(jìn)行泊車輔助和盲點(diǎn)檢測。為了實(shí)現(xiàn)這種多模式功能，雷達(dá)傳感器不僅必須是軟件可配置的，還必須具有按需從高性能擴(kuò)展到低功耗的架構(gòu)靈活性。

圖3 多模式雷達(dá)傳感器在進(jìn)行泊車輔助和KTO

借助低功耗雷達(dá)傳感器在惡劣的工業(yè)環(huán)境中游刃有余

超聲波傳感器廣泛用于非汽車應(yīng)用中的物體和人員接近感應(yīng)，例如停車場護(hù)欄內(nèi)的車輛出入控制或非公路車輛（如建筑叉車、農(nóng)業(yè)機(jī)械和電動(dòng)自行車）防撞，如圖 4 所示。鑒于精度要求越來越高，77GHz 雷達(dá)傳感器將逐漸取代超聲波傳感器。IWRL1432 的成本較低，有助于使停車障礙傳感器更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，以更小巧的外形進(jìn)行實(shí)施和部署。此類傳感器具備較高的射頻性能，也適用于電動(dòng)自行車、踏板車和農(nóng)業(yè)設(shè)備的物體檢測和部署。這些設(shè)備需要檢測 1m 至 60m 以上距離的物體和人員。

圖4 可應(yīng)對感應(yīng)挑戰(zhàn)的77GHz雷達(dá)傳感器在惡劣環(huán)境中的應(yīng)用

如圖5所示，液箱液位傳感器通過發(fā)射經(jīng)液體或固體表面（如化學(xué)品、油或液體）反射的無線電波，來測量工業(yè)環(huán)境中的液體和固體料位。即使在蒸汽、泡沫和其他具有挑戰(zhàn)性的條件下也可進(jìn)行測量。此類應(yīng)用的主要需求是較低功耗、高檢測精度和工人安全性。77GHz IWRL1432 傳感器內(nèi)置深度睡眠模式，可實(shí)現(xiàn)每次測量低于 10mJ 的功耗，符合安全完整性等級2標(biāo)準(zhǔn)，并提供毫米級測量精度。

圖5 安裝在工業(yè)液箱頂部的77GHz雷達(dá)傳感器，用于液位測量

結(jié)語

適用于汽車或工業(yè)應(yīng)用的超聲波和電容式感應(yīng)傳感器本身具有一定設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。雷達(dá)感應(yīng)領(lǐng)域中的低成本、低功耗器件不僅有助于應(yīng)對這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，還可為車輛周圍或工業(yè)環(huán)境中的新興應(yīng)用敞開大門。