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1、 雷达传感器功能应用说明 24GHz 平面天线雷达 技术支持手册 V 1.0 201206 目 录 目 录 1 . 1 概述概述 2 . 1 探测动态目标的速度探测动态目标的速度 3 . 3 探测静态目标的距离探测静态目标的距离 4 6 探测动态目标的距离和速度探测动态目标的距离和速度 5 8 辨别动态目标的运动方向辨别动态目标的运动方向 6 . 9 探测目标的方位探测目标的方位 7 . 13 总结 版本信息 总结 版本信息 13 公司信息公司信息 13 声 明 声 明 本手册内容仅供参考。本公司有权对本手册内容进行定期变更，恕不另行通知。变更内容将 会补充到新版本资料中，请及时联系本公司获取
2、最新资料。 24GHz 平面天线雷达：雷达传感器功能应用说明 - 1 - - 1 - 深圳市华儒科技有限公司 SHENZHEN HUARU TECHNOLOGY CO.,LTD. 版本 V 1.0 技术支持手册 1 概述 概述 雷达是利用电磁波探测目标的电子设备，其工作原理可简述为：发射电磁波对目标进行照射并 接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。 目前常用的雷达工作频段有： 10.525GHzX 波段， 24 GHzK 波段， 35 GHzKa 波段， 77 GHzV 波段。 目前，我公司的主营业务是 24GHz 即 K 波段微波雷达产品。2
3、4GHz 是 ISM 规定的全球通用的 一个雷达工作频段，在此频段上工作时所受干扰较小。 我公司所代理的 24GHz 微波雷达传感器均为德国 InnoSenT 公司生产， 其采用世界最先进的平 面微带技术，具有体积小、集成化程度高、感应灵敏等特点。产品多工作于 CW 和 FMCW 模式， 功能应用多样，包括：探测动态目标的速度、静态目标的距离、动态目标的距离和速度、目标的方 位（角度测量）以及判别运动的方向。 2 探测动态目标的速度 探测动态目标的速度 IPS 系列产品适于探测动态目标的速度信息，探测过程中只产生由多普勒效应引起的频差，即 由多普勒效应引起的同一时刻发射信号和目标回波信号的频率
4、差异。 工作模式工作模式 单通道CW工作模式， 无需设置调制信号。 Vtune 引脚悬空或接入一个直流高电平 （如DC 0.5V） 。 测速精度测速精度 约 1%左右，主要取决于后端信号处理技术。 适用模块适用模块 IPM-165，IPS-144，IPS-146，IVS-148，IVS-179 等。 应用领域应用领域 交通监测，智能驾驶、报警设备、体育应用等。 24GHz 平面天线雷达：雷达传感器功能应用说明 - 2 - - 2 - 工作原理工作原理 以 IPS-144 为例。 1. 原理框图原理框图 1 2 图图 1 IPS-144 结构示意图结构示意图 信号源：信号源：（图 1 中 1 部
5、分所示。） 振荡器：外接 5V 电压源，振荡发射 24GHz 微波信号，实现 CW 工作模式。 信号处理：信号处理：（图 1 中 2 部分所示。） RF 前置放大器：对回波信号进行放大处理，并能在一定程度上提高传感器远距离探测的灵敏度。 混频器：同一时刻发射信号与接收信号在此处混频。 IF 前置放大器：初步滤除干扰和噪声信号，限制信号带宽，并且能在一定程度上避免传感器遭受 ESD 静电危害。 信号收发：信号收发： 发射天线：信号发射路径。 接收天线：目标回波信号接收路径。 2. 工作流程工作流程 雷达传感器接口连接方式请参见产品详细使用说明。具体工作流程如下： 由振荡器振荡发出一个频率为tra
6、 的发射信号， 其中一路经发射天线发射出去， 一路又分流成两 路分别进入I、Q所在的通道的混频器中，其中Q通道的信号在混频之前还需先经 90的移相；接收 天线接收到的回波信号，先经低噪声放大处理后，再分别经混频器与实时分流的两路信号进行混频； 混频后得到的信号再经中频滤波放大处理，最终得到I、Q 两路中频差频信号。 I、Q 两路中频输出信号中即携带有探测目标的速度和方向信息。 深圳市华儒科技有限公司 SHENZHEN HUARU TECHNOLOGY CO.,LTD. 版本 V 1.0 技术支持手册 24GHz 平面天线雷达：雷达传感器功能应用说明 - 3 - - 3 - 算法分析算法分析 根
7、据 I 或 Q 信号分析目标的速度信息。参考算法公式如下： D 2 0错误！未定义书签。 0 c v cos （1） D 多普勒频率或差频 0 雷达的发射频率 v 运动物体的速度范围 c0 光速 运动的实际方向与传感器目标连线之间的角度 由以上公式可大致得到多普勒频率D与径向运动速度v的对应关系 （此时令=0） 。 例如： 44Hz （D）1Km/h（v），8.8kHz（D）200 Km/h（v）。 3 探测静态目标的距离 探测静态目标的距离 IVS 系列雷达产品均适于探测静态目标与雷达传感器之间的距离，探测过程中只产生频率的延 时效应，即由时间延迟引起的同一时刻发射信号和目标回波信号的频率差
8、异。 工作模式工作模式 单通道 FMCW 工作模式，需设置调制信号。 适用模块适用模块 IVS-179，IVS-148，IVS-167 等。 应用领域应用领域 交通监测，火车调车帮助，汽车防撞控制等。 工作原理工作原理 以 IVS-179 为例。 深圳市华儒科技有限公司 SHENZHEN HUARU TECHNOLOGY CO.,LTD. 版本 V 1.0 技术支持手册 24GHz 平面天线雷达：雷达传感器功能应用说明 - 4 - - 4 - 1. 原理框图原理框图 1 2 图图 2 IVS-179 结构示意图结构示意图 信号源：信号源：（图 2 中 1 部分所示。） VCO：通过 Vtune
9、 的幅值变化来控制发射信号的频率，实现 FMCW 工作模式。 信号处理：信号处理：（图 2 中 2 部分所示。） RF 前置放大器：对回波信号进行放大处理，并能在一定程度上提高传感器远距离探测的灵敏度。 混频器：同一时刻发射信号与接收信号在此处混频。 IF 前置放大器：初步滤除干扰和噪声信号，限制信号带宽，并且能在一定程度上避免传感器遭受静电危害。 信号收发：信号收发： 发射天线：信号发射路径。 接收天线：目标回波信号接收路径。 2. 设置调制信号设置调制信号 探测静态目标的距离，即静态目标到传感器之间的距离，调制信号采用锯齿波即可。这是因为， 此时的干扰大多为多普勒信号，而在抗干扰性能方面，
10、锯齿波调制要优于三角波调制。选用线性升 坡曲线或者降坡曲线作为发射频率的时间相关函数，并定期重复这些波，以期得到可能的平均值。 调制幅度：选取调谐曲线中线性度最好的一段确定 Vtune 的调节范围。理论上，调制幅度 最大范围为 0.5V10V； 调制频率：理论上最大不能超过 150kHz，但建议探测远距离目标（30100m）时采用 100200Hz 的调制频率，探测近距离目标（1020m）时采用 5001kHz 的调制频率。 深圳市华儒科技有限公司 SHENZHEN HUARU TECHNOLOGY CO.,LTD. 版本 V 1.0 技术支持手册 24GHz 平面天线雷达：雷达传感器功能应用
11、说明 - 5 - - 5 - 3. 工作流程工作流程 雷达传感器接口连接方式请参见产品详细使用说明。具体工作流程如下： 由VCO输出一个频率为tra 的发射信号，其中一路经发射天线发射出去，一路又分流成两路分 别进入I、Q所在的通道的混频器中，其中Q通道的信号在混频之前还需先经 90的移相；接收天线 接收到的回波信号，先经低噪声放大处理后，再分别经混频器与实时分流的两路信号进行混频；混 频后得到的信号再经中频滤波放大处理，最终得到I、Q 两路中频信号。 I、Q 两路中频输出信号中均携带有探测目标的距离信息。 算法分析算法分析 差频信号中的距离信息，是通过由时间延迟引起的差频信号来反映的。下图
12、3 是带有锯齿形调 制方案的 FMCW 雷达发射和接收信号的时间相关曲线。 图图 3 经锯齿波调制的经锯齿波调制的 FMCW 雷达发射和接收信号的时间相关曲线雷达发射和接收信号的时间相关曲线 发射频率曲线（黄色）与接收频率曲线（蓝色）的唯一区别是时间延迟。如上图所示，在某一 时刻t0的瞬时接收信号，其频率低于瞬时发射频率（对于升坡曲线而言），原因是传感器在同一时 刻发射频率已经升高。 如果在混频器中混合发射信号和接收信号， 就会生成一个恒定的差频信号D ， 其中包含所需的距离信息。而且，此频率越高，目标的距离越远。参考算法公式： R 2 0 c T f fD （2） 或或 R 2 0 c f
13、1 f fD （3） D 差频 振荡器发射频率的变化范围，即调频宽度 T 齿波重复周期 R 目标的距离 调频速度， T 1 c0 光速 深圳市华儒科技有限公司 SHENZHEN HUARU TECHNOLOGY CO.,LTD. 版本 V 1.0 技术支持手册 24GHz 平面天线雷达：雷达传感器功能应用说明 - 6 - - 6 - 4 探测动态目标的距离和速度 探测动态目标的距离和速度 IVS 系列雷达产品均适于同时探测动态目标的距离和瞬时速度，探测过程中既产生时间延迟效 应又有多普勒效应，即同一时刻发射信号和目标回波信号的频率差异是由时间延迟效应和多普勒效 应共同引起的。 工作模式工作模式
14、 单通道 FMCW 工作模式，需设置调制信号。 适用模块适用模块 IVS-179，IVS-148，IVS-167 等。 应用领域应用领域 交通监测，铁路站台监控，汽车防撞控制等。 工作原理工作原理 以 IVS-179 为例。 可参见第 3 节。I、Q两路信号中分别都携带有在调制信号升坡阶段产生的信号差频diff_up和降 坡阶段产生的信号差频diff_down。diff_up和diff_down同时与动态目标的距离和速度信息相关。 算法分析算法分析 差频信号中的距离和速度信息，是通过多普勒效应和时间延迟效应叠加来反映的。下图描述了 采用三角波调制时雷达的发射和接收情况。 Dopp多普勒效应引起
15、的频移多普勒效应引起的频移 t传播引起的时间延迟，产生传播引起的时间延迟，产生delay 图图 4 经三角波调制的经三角波调制的 FMCW 雷达发射和接收信号的时间相关曲线雷达发射和接收信号的时间相关曲线 如上图所示，实线为发射信号，虚线为接收信号。 深圳市华儒科技有限公司 SHENZHEN HUARU TECHNOLOGY CO.,LTD. 版本 V 1.0 技术支持手册 24GHz 平面天线雷达：雷达传感器功能应用说明 - 7 - - 7 - 延时效应延时效应 将导致两个信号在X轴（时间轴）上，产生一个t的差值，t即为回波信号相较于 发射信号的时间延迟。由t会产生一个差频信号delay，delay即为某一时刻回波信号频率与发射信 号频率的差值，原因是当雷达接收到回波信号时发射频率已经发生变化。 由第 3 节中公式（2）可得： delay Tc fR 0 2 （4） 多普勒效应多普勒效应 将导致接收信号在Y轴（频率轴）上产生一个多普勒频移Dopp 。 由第 2 节中公式
