作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

在戶外和工業(yè)應(yīng)用以及其他惡劣環(huán)境中，超聲波傳感器等遙感技術(shù)可能會(huì)受到干擾。惡劣天氣、灰塵、碎屑和復(fù)雜的感測(cè)環(huán)境，都是可能影響標(biāo)準(zhǔn)傳感器的問(wèn)題。

雷達(dá)傳感器可以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，在各種環(huán)境條件下探測(cè)移動(dòng)和靜止目標(biāo)。本文討論了雷達(dá)在哪些場(chǎng)景下會(huì)優(yōu)于其他選擇，并介紹了 [Banner Engineering] 的幾種雷達(dá)傳感器、它們的應(yīng)用，以及選擇傳感器時(shí)應(yīng)記住的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

為什么要使用雷達(dá)傳感器？

在面對(duì)雨水、灰塵和其他常見(jiàn)的空氣傳播物質(zhì)時(shí)，雷達(dá)表現(xiàn)穩(wěn)健，而且在明亮和無(wú)照明空間中也同樣有效，不會(huì)受到溫度變化和風(fēng)的影響。雷達(dá)可以探測(cè)具有各種涂層、幾何形狀和顏色的表面，還可以穿透非導(dǎo)電材料，使雷達(dá)傳感器能夠探查容器內(nèi)部。

此外，雷達(dá)可以在相對(duì)較遠(yuǎn)的距離上使用，而且抗串?dāng)_能力強(qiáng)，使其在傳感器密集部署的短程應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。

雷達(dá)如何工作

雷達(dá)的工作原理是向目標(biāo)物體發(fā)射電磁波并接收反射信號(hào)，根據(jù)信號(hào)往返時(shí)間來(lái)確定距離。雷達(dá)傳感器主要采用兩種技術(shù)：頻率調(diào)制連續(xù)波 (FMCW) 和相干脈沖雷達(dá) (PCR)。

FMCW 雷達(dá)發(fā)射連續(xù)的無(wú)線電波，可對(duì)移動(dòng)和靜止目標(biāo)進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)。PCR 傳感器以脈沖形式發(fā)送無(wú)線電波，通常使用低功率發(fā)射器。因此，PCR 傳感器更適合短程應(yīng)用。

工作頻率對(duì)探測(cè)范圍和材料靈敏度也有很大影響。低頻信號(hào)更適合遠(yuǎn)程探測(cè)，非常適用于金屬和水等介電常數(shù)較高的材料。頻率越高，則精度越高，越適合探測(cè)較小的目標(biāo)和更多種類的材料。

波束圖和感應(yīng)區(qū)

雷達(dá)傳感器經(jīng)優(yōu)化后，可聚焦于特定的感興趣區(qū)域，跟蹤一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)。關(guān)鍵參數(shù)包括波束圖、感應(yīng)區(qū)和盲區(qū)。

雷達(dá)傳感器發(fā)射特定形狀的無(wú)線電波，這種形狀由水平和垂直角度所決定。窄波束圖可實(shí)現(xiàn)精確的探測(cè)和更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，而寬波束圖可覆蓋更大的區(qū)域，并能更好地探測(cè)形狀不規(guī)則的目標(biāo)。

許多雷達(dá)傳感器支持在其波束圖內(nèi)配置多個(gè)感應(yīng)區(qū)。利用此特性可實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的探測(cè)場(chǎng)景，例如在防碰撞應(yīng)用中為近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)設(shè)置不同的參數(shù)。

盲區(qū)是指緊靠傳感器前方的區(qū)域，該區(qū)域中的探測(cè)不可靠。傳感器的頻率越高，通常盲區(qū)越短。

確定最優(yōu)雷達(dá)傳感器：從基礎(chǔ)開(kāi)始

選擇雷達(dá)傳感器時(shí)，有許多因素需要考慮。除了基本工作參數(shù)外，雷達(dá)傳感器還有各種影響成本、耐用性和易用性的特性。圖 1 提供了一個(gè)流程圖，以 Banner Engineering 的[雷達(dá)傳感器] 為例，說(shuō)明了其中的一些決策點(diǎn)。

圖 1：說(shuō)明雷達(dá)傳感器選型過(guò)程的流程圖。（圖片來(lái)源：Banner Engineering）

Banner Engineering 的 [Q90R] 系列是一個(gè)很好的入門選擇。這些 FMCW 傳感器的工作頻率為 60 GHz，兼顧了探測(cè)距離、精度和材料探測(cè)能力。其感應(yīng)范圍為 0.15 m 至 20 m，盲區(qū)為 150 mm，并可配置兩個(gè)感應(yīng)區(qū)。

這些傳感器的一個(gè)用例是探測(cè)卡車何時(shí)到達(dá)裝卸區(qū)。在本例中，相對(duì)較寬的 40° x 40° 波束圖讓用戶可以更容易找到安裝位置，確保裝卸區(qū)始終在視線范圍內(nèi)。

[Q90R2-12040-6KDQ] （圖 2）在這些功能的基礎(chǔ)上增加了可配置的寬視場(chǎng)（120°x 40°）和跟蹤兩個(gè)目標(biāo)的能力，因而能夠應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的探測(cè)場(chǎng)景。

圖 2：Q90R2-12040-6KDQ FMCW 雷達(dá)傳感器的工作頻率為 60 GHz，可跟蹤兩個(gè)目標(biāo)，并具有可配置的寬視場(chǎng)。（圖片來(lái)源：Banner Engineering）

窄波束應(yīng)用的雷達(dá)選擇

在某些應(yīng)用中，雷達(dá)需要識(shí)別較小目標(biāo)。對(duì)此，[T30R] 系列傳感器（圖 3）是很好的選擇。這些傳感器的波束圖為 15° x 15° 或 45° x 45°，工作頻率為 122 GHz，感應(yīng)范圍為 25 m，盲區(qū)為 100 mm，并可配置兩個(gè)感應(yīng)區(qū)。

憑借窄波束圖和高工作頻率，該傳感器系列能夠?qū)μ囟▍^(qū)域進(jìn)行精確探測(cè)。例如，這些傳感器可用于監(jiān)測(cè)狹窄容器內(nèi)的液位。

圖 3：T30R 系列的工作頻率為 122 GHz，波束寬度為 15° x 15°，可進(jìn)行精確探測(cè)。（圖片來(lái)源：Banner Engineering）

[T30RW] 型號(hào)采用 IP69K 外殼，適用于高壓、高溫沖洗環(huán)境，如洗車場(chǎng)。其感應(yīng)范圍為 15 m，波束圖為 15° x 15°。

視覺(jué)反饋雷達(dá)傳感器的選擇

雖然雷達(dá)傳感器通常會(huì)集成到更大的自動(dòng)化系統(tǒng)中，但擁有一個(gè)一目了然的狀態(tài)指示燈還是很有幫助的。例如，在電動(dòng)汽車 (EV) 充電站，可視化顯示屏可以幫助駕駛員正確定位車輛。

在此類應(yīng)用中，[K50R] 系列的內(nèi)置 LED 可發(fā)揮重要作用。

尤其值得一提的是 Pro 型號(hào)，如 [K50RPF-8060-LDQ]（圖 4），其顯示屏色彩豐富、易于解讀。

圖 4：K50RPF-8060-LDQ 采用 LED 提供視覺(jué)反饋。（圖片來(lái)源：Banner Engineering）

K50R 系列的主要規(guī)格包括：工作頻率為 60 GHz，感應(yīng)范圍為 5 m，盲區(qū)為 50 mm，有兩個(gè)可配置的感應(yīng)區(qū)，波束圖為 80° x 60° 或 40° x 30°。

遠(yuǎn)程雷達(dá)傳感器的選擇

對(duì)于需要探測(cè)更遠(yuǎn)距離的應(yīng)用，工作頻率為 24 GHz 的雷達(dá)通常是理想選擇。這些較低頻率器件（如 [QT50R] 系列）的感應(yīng)范圍為 25 m，對(duì)于移動(dòng)設(shè)備防碰撞等應(yīng)用非常有價(jià)值。該系列還有一個(gè)或兩個(gè)可配置感應(yīng)區(qū)，波束圖為 90° x 76°。對(duì)于移動(dòng)目標(biāo)，其盲區(qū)為 400 mm；對(duì)于靜止目標(biāo)，其盲區(qū)為 1000 mm。

QT50R 的一個(gè)顯著特點(diǎn)是支持通過(guò) DIP 開(kāi)關(guān)進(jìn)行配置。這樣就可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置。不過(guò)，有些應(yīng)用需要更復(fù)雜的配置。

例如，[Q130R] 傳感器（圖 5）專為需要復(fù)雜探測(cè)功能和高級(jí)配置選項(xiàng)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。其工作頻率為 24 GHz，探測(cè)距離為 40 m，波束圖為 90° x 76° 或 24° x 50°，盲區(qū)為 1000 mm，可準(zhǔn)確探測(cè)移動(dòng)和靜止目標(biāo)。

圖 5：Q130R 雷達(dá)傳感器專為需要復(fù)雜探測(cè)功能的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可準(zhǔn)確探測(cè)移動(dòng)和靜止目標(biāo)。（圖片來(lái)源：Banner Engineering）

值得一提的是，Q130R 采用了基于 PC 的圖形用戶界面 (GUI) 來(lái)支持復(fù)雜的設(shè)置和微調(diào)。例如，其可用于繁忙鐵路貨場(chǎng)中的位置反饋。在此應(yīng)用中，傳感器可配置為忽略停在一條軌道上的背景列車，而識(shí)別前方經(jīng)過(guò)的其他列車。

結(jié)語(yǔ)

雷達(dá)傳感器能夠在各種戶外和惡劣環(huán)境中工作，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。為了更大限度地發(fā)揮雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，必須分析應(yīng)用要求，選擇具有正確工作頻率、波束圖及其他規(guī)格的傳感器。有了精心選擇的雷達(dá)，許多遙感應(yīng)用難題就能迎刃而解。

審核編輯 黃宇