如何在恶劣环境下选择和应用雷达传感器

来源：Digikey
作者：Kenton Williston

在户外和工业应用以及其他恶劣环境中，超声波传感器等遥感技术可能会受到干扰。恶劣天气、灰尘、碎屑和复杂的感测环境，都是可能影响标准传感器的问题。

雷达传感器可以应对这些挑战，在各种环境条件下探测移动和静止目标。本文讨论了雷达在哪些场景下会优于其他选择，并介绍了 Banner Engineering 的几种雷达传感器、它们的应用，以及选择传感器时应记住的设计注意事项。

为什么要使用雷达传感器？

在面对雨水、灰尘和其他常见的空气传播物质时，雷达表现稳健，而且在明亮和无照明空间中也同样有效，不会受到温度变化和风的影响。雷达可以探测具有各种涂层、几何形状和颜色的表面，还可以穿透非导电材料，使雷达传感器能够探查容器内部。

此外，雷达可以在相对较远的距离上使用，而且抗串扰能力强，使其在传感器密集部署的短程应用中具有优势。

雷达如何工作

雷达的工作原理是向目标物体发射电磁波并接收反射信号，根据信号往返时间来确定距离。雷达传感器主要采用两种技术：频率调制连续波 (FMCW) 和相干脉冲雷达 (PCR)。

FMCW 雷达发射连续的无线电波，可对移动和静止目标进行不间断监测。PCR 传感器以脉冲形式发送无线电波，通常使用低功率发射器。因此，PCR 传感器更适合短程应用。

工作频率对探测范围和材料灵敏度也有很大影响。低频信号更适合远程探测，非常适用于金属和水等介电常数较高的材料。频率越高，则精度越高，越适合探测较小的目标和更多种类的材料。

波束图和感应区

雷达传感器经优化后，可聚焦于特定的感兴趣区域，跟踪一个或多个目标。关键参数包括波束图、感应区和盲区。

雷达传感器发射特定形状的无线电波，这种形状由水平和垂直角度所决定。窄波束图可实现精确的探测和更远的探测距离，而宽波束图可覆盖更大的区域，并能更好地探测形状不规则的目标。

许多雷达传感器支持在其波束图内配置多个感应区。利用此特性可实现更复杂的探测场景，例如在防碰撞应用中为近区和远区设置不同的参数。

盲区是指紧靠传感器前方的区域，该区域中的探测不可靠。传感器的频率越高，通常盲区越短。

确定最优雷达传感器：从基础开始

选择雷达传感器时，有许多因素需要考虑。除了基本工作参数外，雷达传感器还有各种影响成本、耐用性和易用性的特性。图 1 提供了一个流程图，以 Banner Engineering 的雷达传感器为例，说明了其中的一些决策点。


图 1：说明雷达传感器选型过程的流程图。（图片来源：Banner Engineering）

Banner Engineering 的 Q90R 系列是一个很好的入门选择。这些 FMCW 传感器的工作频率为 60 GHz，兼顾了探测距离、精度和材料探测能力。其感应范围为 0.15 m 至 20 m，盲区为 150 mm，并可配置两个感应区。

这些传感器的一个用例是探测卡车何时到达装卸区。在本例中，相对较宽的 40° x 40° 波束图让用户可以更容易找到安装位置，确保装卸区始终在视线范围内。

Q90R2-12040-6KDQ（图 2）在这些功能的基础上增加了可配置的宽视场（120°x 40°）和跟踪两个目标的能力，因而能够应对更复杂的探测场景。


图 2：Q90R2-12040-6KDQ FMCW 雷达传感器的工作频率为 60 GHz，可跟踪两个目标，并具有可配置的宽视场。（图片来源：Banner Engineering）

窄波束应用的雷达选择

在某些应用中，雷达需要识别较小目标。对此，T30R 系列传感器（图 3）是很好的选择。这些传感器的波束图为 15° x 15° 或 45° x 45°，工作频率为 122 GHz，感应范围为 25 m，盲区为 100 mm，并可配置两个感应区。

凭借窄波束图和高工作频率，该传感器系列能够对特定区域进行精确探测。例如，这些传感器可用于监测狭窄容器内的液位。


图 3：T30R 系列的工作频率为 122 GHz，波束宽度为 15° x 15°，可进行精确探测。（图片来源：Banner Engineering）

T30RW 型号采用 IP69K 外壳，适用于高压、高温冲洗环境，如洗车场。其感应范围为 15 m，波束图为 15° x 15°。

视觉反馈雷达传感器的选择

虽然雷达传感器通常会集成到更大的自动化系统中，但拥有一个一目了然的状态指示灯还是很有帮助的。例如，在电动汽车 (EV) 充电站，可视化显示屏可以帮助驾驶员正确定位车辆。

在此类应用中，K50R 系列的内置 LED 可发挥重要作用。

尤其值得一提的是 Pro 型号，如 K50RPF-8060-LDQ（图 4），其显示屏色彩丰富、易于解读。


图 4：K50RPF-8060-LDQ 采用 LED 提供视觉反馈。（图片来源：Banner Engineering）

K50R 系列的主要规格包括：工作频率为 60 GHz，感应范围为 5 m，盲区为 50 mm，有两个可配置的感应区，波束图为 80° x 60° 或 40° x 30°。

远程雷达传感器的选择

对于需要探测更远距离的应用，工作频率为 24 GHz 的雷达通常是理想选择。这些较低频率器件（如 QT50R 系列）的感应范围为 25 m，对于移动设备防碰撞等应用非常有价值。该系列还有一个或两个可配置感应区，波束图为 90° x 76°。对于移动目标，其盲区为 400 mm；对于静止目标，其盲区为 1000 mm。

QT50R 的一个显著特点是支持通过 DIP 开关进行配置。这样就可以在现场进行简单的设置。不过，有些应用需要更复杂的配置。

例如，Q130R 传感器（图 5）专为需要复杂探测功能和高级配置选项的应用而设计。其工作频率为 24 GHz，探测距离为 40 m，波束图为 90° x 76° 或 24° x 50°，盲区为 1000 mm，可准确探测移动和静止目标。


图 5：Q130R 雷达传感器专为需要复杂探测功能的应用而设计，可准确探测移动和静止目标。（图片来源：Banner Engineering）

值得一提的是，Q130R 采用了基于 PC 的图形用户界面 (GUI) 来支持复杂的设置和微调。例如，其可用于繁忙铁路货场中的位置反馈。在此应用中，传感器可配置为忽略停在一条轨道上的背景列车，而识别前方经过的其他列车。

结语

雷达传感器能够在各种户外和恶劣环境中工作，具有独特的优势。为了更大限度地发挥雷达技术的优势，必须分析应用要求，选择具有正确工作频率、波束图及其他规格的传感器。有了精心选择的雷达，许多遥感应用难题就能迎刃而解。