77GHz 雷达传感器在汽车和工业中的应用

在过去十年中，雷达传感器已逐渐发展成一种成熟的传感方式，适用于汽车和工业应用。由于雷达技术有助于实现需要具备远距离、环境弹性和更高传感分辨率的设计，因而非常适合应用在高级驾驶辅助系统 (ADAS) 中，例如碰撞检测和液位检测。

随着推出基于互补金属氧化物半导体 (CMOS) 的片上系统 (SoC) 雷达传感器，适用于泊车辅助、脚踢开启 (KTO) 感应、门障碍物检测、机器人和电动自行车等应用的雷达技术变得更易于开发和部署。

为了满足成本和功率受限型汽车和工业应用的需求，当前的 77GHz 雷达 SoC 传感器需要采用全新设计架构。德州仪器 AWRL1432 和 IWRL1432 SoC 等器件具有电源管理功能，可快速切换不同的电源状态，并在需要时能够有效运行雷达前端、数字处理内核或存储器等内部元件。该器件还可将平均功耗从高于 1W 的典型值降低至低于 5mW（具体取决于线性调频脉冲配置），使硬件设计人员在热性能设计方面具有更大的灵活性，并通过去除散热器和简化印刷电路板设计来降低成本。

借助基于软件的雷达实现更加灵活的新型安装

汽车制造商对感应方式的选择通常取决于传感器在车辆中的用途。举例来说，当车辆停靠并锁车时，脚踢开启 (KTO) 传感器应处于待机检测模式。为了防止在停车时耗尽车辆电池，汽车制造商传统上会选择电容式或超声波等低功耗感应方式。不过遗憾的是，这些类型的传感器在错误检测、环境可靠性以及性能识别等方面面临着一定挑战。AWRL1432 等低功耗 77GHz 雷达的待机状态检测功耗低于 3mW，在任何环境条件下都能提高识别精度，并有助于简化安装，从而降低总体系统部署成本。

基于对低功耗或高性能的需求，可以将雷达传感器配置为动态切换至不同的运行模式。以 KTO 感应为例，器件可以在低于 3mW 待机状态检测模式下运行，然后在检测到人员后切换至高性能模式，以便进行脚踢姿势识别和错误检测，如图 1 所示。


图 1：一个 AWRL1432 雷达传感器即可在低功耗和高性能模式之间动态切换

在 ADAS 领域，传统的泊车辅助系统使用 8 至12 个超声波传感器外加摄像头传感器，而现在正发展成为更强大、更具成本效益的自动化系统。虽然每个超声波传感器都可以具有成本效益，但主要缺点体现在传感器对汽车美观性造成影响（由于必须打孔）、在恶劣环境中的性能欠佳以及距离检测性能（最小和最大可测量距离）不佳。
现在，汽车设计人员可以利用具有泊车辅助功能的角雷达传感器，以及具有成本效益的 TI AWRL1432 集成雷达 SoC，来覆盖汽车周围的视野，而不是添加更多的超声波传感器，如图 2 所示。AWRL1432 超短距离雷达传感器可以检测到近至 3cm 和远至 15m 的静止物体，具体取决于天线配置。


图 2：使用雷达传感器实现 360 度泊车辅助覆盖

如图 3 所示，您可以在车辆保险杠中央使用相同的传感器来进行泊车辅助和 KTO，并使用角传感器来进行泊车辅助和盲点检测。为了实现这种多模式功能，雷达传感器不仅必须是软件可配置的，还必须具有按需从高性能扩展到低功耗的架构灵活性。


图 3：多模式雷达传感器在进行泊车辅助和 KTO

借助低功耗雷达传感器在恶劣的工业环境中游刃有余

超声波传感器广泛用于非汽车应用中的物体和人员接近感应，例如停车场护栏内的车辆出入控制或非公路车辆（如建筑叉车、农业机械和电动自行车）防撞，如图 4 所示。鉴于精度要求越来越高，77GHz 雷达传感器将逐渐取代超声波传感器。IWRL1432 的成本较低，有助于使停车障碍传感器更经济实惠，以更小巧的外形进行实施和部署。此类传感器具备较高的射频性能，也适用于电动自行车、踏板车和农业设备的物体检测和部署。这些设备需要检测 1m 至 60m 以上距离的物体和人员。

  
图 4：可应对感应挑战的 77GHz 雷达传感器在恶劣环境中的应用

如图 5 所示，液箱液位传感器通过发射经液体或固体表面（如化学品、油或液体）反射的无线电波，来测量工业环境中的液体和固体料位。即使在蒸汽、泡沫和其他具有挑战性的条件下也可进行测量。此类应用的主要需求是较低功耗、高检测精度和工人安全性。77GHz IWRL1432 传感器内置深度睡眠模式，可实现每次测量低于 10mJ 的功耗，符合安全完整性等级2标准，并提供毫米级测量精度。


图 5：安装在工业液箱顶部的 77GHz 雷达传感器，用于液位测量

结语

适用于汽车或工业应用的超声波和电容式感应传感器本身具有一定设计挑战。雷达感应领域中的低成本、低功耗器件不仅有助于应对这些设计挑战，还可为车辆周围或工业环境中的新兴应用敞开大门。