毫米波雷达RADAR的FMCW原理及安防应用

原创老司机 Comake Online 2021-03-28 21:58

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Frequency Modulated Continuous Wave(FMCW)

雷达按照发射信号种类分成脉冲雷达和连续波雷达两大类，常规脉冲雷达发射周期性的高频脉冲，连续波雷达发射的是连续波信号。

连续波雷达发射的信号可以是单频连续波(CW)或者调频连续波(FMCW)，调频方式也有多种，常见的有三角波、锯齿波、编码调制或者噪声调频等。其中，单频连续波雷达仅可用于测速，无法测距，而FMCW雷达既可测距又可测速，并且在近距离测量上的优势日益明显。

FMCW雷达在扫频周期内发射频率变化的连续波，被物体反射后的回波与发射信号有一定的频率差，通过测量频率差可以获得目标与雷达之间的距离信息，差频信号频率较低，一般为KHz，因此硬件处理相对简单、适合数据采集并进行数字信号处理。

FMCW雷达收发同时，理论上不存在脉冲雷达所存在的测距盲区，并且发射信号的平均功率等于峰值功率，因此只需要小功率的器件，从而降低了被截获干扰的概率；其缺点是测距量程较短，距离多普勒耦合以及收发隔离难等缺点。

FMCW雷达具有容易实现、结构相对简单、尺寸小、重量轻以及成本低等优点，在民用/军事领域均得到了广泛的应用。

FMCW雷达框图

调频连续波雷达如要由收发器和带微处理器的控制单元组成，收发器如果使用单个天线进行同时发射和接收，FMCW雷达需要铁氧体环形器来分离发射和接收信号，对隔离度要求较高。当然，若使用收发分离的贴片天线，成本会相对低一点。

高频信号由压控振荡器(VCO)产生，通过功率分配器将一部分经过额外放大后馈送至发射天线，另一部分耦合至混频器，与接收的回波混频、低通滤波，得到基带差频信号，经过模数转换后送至微处理器处理。

FMCW雷达的测距/测速原理

以三角波调频连续波为例来简单介绍雷达的测距/测速原理。如下图，红色为发射信号频率，绿色为接收信号频率，扫频周期为T，扫频带宽为B，发射信号经过目标发射，回波信号会有延时，在三角形的频率变化中，可以在上升沿和下降沿两者上进行距离测量。

如果没有多普勒频率，上升沿期间的频率差值等于下降沿期间的测量值。对于运动目标，则上升/下降沿期间的频率差不同，我们可以通过这二个频率差来测距和测速。

差拍信号经低通滤波和放大后送数字信号处理器，完成对差拍信号的FFT、检测，对目标数据进行计算后送显控终端显示。

三角波调频连续波雷达正是通过采用正负调频斜率来消除距离与速度的耦合，进而进行目标速度的估计。

如果雷达是1T2R(一个发射，两个接收)，则可以根据beamforming的原理测量出物体的方向。

毫米波雷达

毫米波雷达，就是指工作频段在毫米波频段的雷达。毫米波是无线电波中的一段，我们把波长为1～10毫米的电磁波称毫米波，它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼有两种波谱的特点。毫米波的理论和技术分别是微波向高频的延伸和光波向低频的发展。由于毫米波的波长介于厘米波和光波之间，因此毫米波兼有微波雷达和光电雷达的优点。

同厘米波雷达相比，毫米波导雷达体积小、质量轻和空间分辨率高的特点。与红外、激光、可见光等相比，毫米波导引头穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候(大雨天除外)全天时的特点。另外，毫米波的抗干扰也优于可见光。不过雨雾对毫米波的影响非常大，吸收很厉害，所以在有雨有雾的天气，毫米波雷达性能会大大下降。

通常民用的毫米波雷达有24GHz 66GHz 77GHz等。频率越高，波束越窄，精度越高。

毫米波能够穿透人的衣服，直接探测出人的呼吸和心跳。

CMOS毫米波雷达

由于毫米波雷达工作频率高，通常是SiGe的半导体工艺，而基于CMOS工艺的毫米波雷达，具有成本低，可量产性好的优势。

毫米波雷达在安防中的应用

【直接获取的信息参数多】通过雷达技术，可以获取目标的距离深度、反射强弱、变化速度、运动方向、角度方位、目标个数等诸多信息。
【对运动目标敏感度高】毫米波雷达技术，甚至可以感知人的呼吸运动，很好地将静止的人和海报照片中的人像区分开来，也不受桌椅/屏风/隔板/衣物/被褥等阻挡。实现人员的存在检测。
【受到环境气候的影响小】毫米波雷达技术可以避免阳光或灯光变化的干扰和雾霾等气候的影响。也能适应灰尘比较大的场合，或危化品场所，不存在镜头污染问题。
【功耗小到可以电池供电】雷达相对功耗较低，可以平时雷达处于警戒状态，有异常状况才触发摄像头开机抓拍，实现电池供电监控。
【兼顾隐私保护和安全防范】雷达并不获取视觉图像，但可以跟踪运动目标和记录路径，在一些需要隐私保护同时又需要人身伤害防范或重要财产保护的警戒场合，可以替代摄像机监控。例如：家庭卧室、洗浴场所、公共厕所、酒店客房、会议场所、重要办公室等地方。敏感区域内用毫米波雷达，与敏感区域外摄像头结合，实现无缝覆盖连续监控。

图像的人形AI识别，无法排除大门外或玻璃墙/橱窗外的行人干扰影响。也难以判别人员的进出方向。

基于图像的区域报警，显然无法避免有一定高度的行人从旁边经过，会误触发区域报警的问题。而用户的真实意图，是禁止人员靠近货物/车辆。

传统的基于图像检测的区域警戒和越界报警功能，摄像头必须尽量在高处俯视安装，有诸多不便和限制。而具有深度信息的雷达，可以弥补二维图像的不足。无论俯视、倾斜向下或侧面安装摆放，都可以实现精确的区域警戒功能。

户外摄像头容易受到阳光、广告灯光及雾霾雨雪天气影响；在灰尘大的场所也容易镜头污染；红外夜视状况下容易吸引飞虫干扰。这些都容易误触发基于图像算法的报警。所以通常只能录像，无法启用报警功能。

而毫米波雷达作为警戒算法的补充过滤，则没有这些误报问题。

毫米波雷达在家用网络摄像机中的应用

•【区域警戒】可以设置精准的区域警戒，守卫大门及阳台等重点区域。而其他较近或较远区域的活动，不受干扰。

•【越界报警】雷达可以通过距离变化和角度方向，判断是进入还是离开。

•【盲区监测】摄像头使用较长焦距(视场较窄)镜头，观察更清楚。而雷达负责广角监测，哪里有异常活动，云台/镜头就对准哪里。解决监控盲区问题。

•【智能灯控】可以监测人员的活动状态和区域，联动控制智能家居的灯光系统。坐、卧、行走、夜起等都能区分。

•【婴儿监护】对着婴儿床，可以监测婴儿的睡眠/清醒/爬动/离开四种不同活动状态，不受蚊帐被子的遮挡影响。

毫米波雷达在商场便利店的应用

•【智能迎宾】可以设置迎宾区域，判断进出方向，做出”欢迎光临”，”谢谢惠顾”等语音提示。

•【区域警戒】可以设置精准的区域警戒，守卫收银台等重点区域。而店员的自身活动区域，不触发报警。

•【辅助AI识别】增加距离信息，可以辅助过滤”人形/人脸”等AI图像识别功能，不受店铺大门外/玻璃橱窗外的行人影响，减少误报。

•【人员存在判断和定位】雷达灵敏度高，可以判读是否有人员存在。任何微小动作都可以被探测到，即便是静止不动，呼吸起伏的影响也能被感知；在货架后面(阻挡不厚或有缝隙)也能被探测到；但又不被海报或显示屏上的人像所误导。可以定位人员驻留区域，精准播放广告提示。

毫米波雷达在人员开放场合的应用

在展会、菜市场等开放场合，人员较多，摄像头安装角度不好，基于AI或移动侦测通常难以解决警戒监控问题。

适合展会、街市、菜市场、猪肉摊、大排档；【地摊专用神器】
可小至火柴盒大小，摆放使用；
电池供电，连接手机热点；Ø全密封设计，防尘防水；
可联动触发电池相机拍摄；
路过不误报，停留不漏报；
来了"欢迎光临"，走时"谢谢惠顾"!
摊主临时离开摊位，有顾客即推送提醒(需要联网)；

车载毫米波雷达应用

行车记录仪的停车监控功能，在停车时雷达监控是否有人靠近，靠近即启动录像。另外也可以在校巴车等上安装，雷达检测车上是否还有人员存在，以免将幼儿遗忘在车上。

Audi Universal Traffic Recorder 奥迪行车记录仪带毫米波雷达

前面有一个毫米波雷达，停车监控

后视镜头也有一个毫米波雷达。

在 Audi UTR 的 App 里面，可以调整三段的雷达感应距离。

Audi UTR 行车记录仪可在停车情况下，连续检测72 小时。

详细情况参考第三方网站：Audi UTC with RADAR

车载BSD盲区雷达监控

希望能在货运车的监视录像系统中加入盲点侦测的功能

当有车辆进入盲区时可以由雷达带出警告提醒 (实时)
只有AVM的FoV不易计算距离
影像可辅助判断对象类型

宠物监控用带雷达摄像头

能及时了解宠物的活跃程度，活动范围和运动量

GARMIN 的运动自行车尾雷达

详细情况参考GARMIN官网：自行车尾雷达

其他关于毫米波雷达的消息第三方网站：

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360 Video Doorbell X3 radar sensor doorbell boasts a 5 MP HD camera

毫米波雷达演示

展示1T2R毫米波雷达的2D多目标测向定位效果；

车载BSD盲区并线检测；

大型车辆(卡车/大巴车)盲区警告；

进度条，百分之8

本文部分图片和素材来自网络！并不代表Sigmastar和相关公司有合作或相关产品采用Sigmastar芯片。

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