Las soluciones de radar Demorad de 24 GHz permiten nuevos sensores sin contacto para el mercado masivo industrial emergente

La tecnología de radar de onda milimétrica basada en silicio de 24 GHz está permitiendo una nueva generación de sensores inteligentes sin contacto del mundo real que se utilizan cada vez más en aplicaciones de mercado masivo como automoción, vehículos aéreos no tripulados/drones, industria amplia y consumo. Estos sensores de radar brindan información en tiempo real, como la presencia, el movimiento, la posición angular, la velocidad y el rango de un objeto desde unos pocos centímetros hasta varios cientos de metros del sensor. Hasta hace poco, los sensores de radar en frecuencias de ondas milimétricas se realizaban utilizando soluciones discretas que eran de gran tamaño, complejas y caras de construir, lo que limitaba la adopción en el mercado industrial. Los nuevos productos de radar de 24 GHz de Analog Devices brindan el rendimiento y los altos niveles de integración que se traducen en menor potencia, tamaño pequeño, bajo costo y facilidad de uso para aplicaciones tales como detección de objetos, seguimiento, control de seguridad y sistemas de advertencia para evitar colisiones. .

Desafío de desarrollo de sensores de radar: abordado por la solución del sistema de radar de 24 GHz

Con la aparición de nuevas aplicaciones de sensores para radares de RF, surgen nuevos desafíos de desarrollo para muchas empresas que desean evaluar, diseñar y fabricar rápidamente una solución de sensor de radar.

Reconociendo los desafíos para las empresas que están motivadas para desarrollar el radar de RF como tecnología de detección, Analog Devices presentó recientemente una solución prototipo de nivel de sistema de radar de 24 GHz llamada Demorad (Figura 1), que permite el desarrollo de aplicaciones de hardware y software en un diseño de referencia de sistema completo. El sistema de radar Demorad de 24 GHz es una novedosa plataforma de evaluación de radar de microondas con ejemplos de software listos para usar que permiten la fácil puesta en marcha de un sensor de radar en cuestión de minutos. Demorad permite la creación rápida de prototipos de productos de sensores de radar que pueden medir información en tiempo real, como la presencia de objetivos/objetos, el movimiento, la posición angular, la velocidad y el alcance del sensor.

La solución de hardware del sistema incluye antenas de RF y una cadena completa de señal de RF a banda base, ADF5904 (recepción), ADF5901 (transmisión), ADF4159 (PLL), ADAR7251 (AFE), incluido el DSP ADSP-BF707 de ADI que se conecta rápidamente a una computadora portátil/PC (Figura 2) con una interfaz gráfica de usuario fácil de usar y un software de algoritmo de radar. Radar FFT y firmware de control están disponibles en Blackfin^® bibliotecas DSP. En cuestión de minutos, los usuarios pueden conectar el sistema de la plataforma a una computadora con el software cargado. Soporte completo de software del CI de radar de 24 GHz mediante una GUI de software y bibliotecas de funciones de soporte de radar DSP disponibles con capacidad añadida para escribir datos sin procesar para el posprocesamiento en una PC mediante MATLAB^® herramientas para el diseño de software de sensores de radar, como FFT de radar 2D/3D, CFAR y algoritmos de clasificación.

Para obtener más información sobre Demorad, consulte este producto destacado: Demorad: plataforma de sensores de radar de 24 GHz.

Conceptos básicos del radar FMCW

En la Figura 3, se muestra la rampa de radar de onda continua modulada en frecuencia (FMCW) o la generación de chirp para transmisión de radar, y un conjunto de ecuaciones de radar importantes que se utilizan para definir la información de diseño del sensor de radar.

La resolución de alcance depende del ancho de banda de barrido de la portadora de transmisión: cuanto mayor sea el ancho de banda de barrido de transmisión, mayor será la velocidad de alcance del sensor de radar. La resolución de la velocidad depende del tiempo de permanencia y la frecuencia de la portadora: cuanto mayor sea la frecuencia de la portadora o el tiempo de permanencia, mayor será la resolución de la velocidad. La resolución angular depende de la frecuencia de la portadora: cuanto mayor sea la frecuencia de la portadora, mejor será la resolución angular.

La Figura 4 describe el posprocesamiento de los datos capturados en el ADSP-BF707.

La cadena de señales del sistema de radar Demorad incluye algunos algoritmos básicos en el DSP que se implementan para DSP FFT, beamforming y CFAR. La detección básica de objetivos y las clasificaciones de objetivos se ejecutan en una PC host. Demorad está diseñado principalmente para recopilar señales de radar en el dominio del tiempo y el dominio de la frecuencia. El Demorad no incluye detección avanzada de objetivos ni algoritmos de clasificación de objetos. Este es un ejemplo de trabajo de desarrollo a nivel de aplicación que generalmente lo lleva a cabo el desarrollador del sistema final con un buen conocimiento del entorno en el que funcionará el sensor de radar y el tipo de detección de objetos que se requiere.

En la Figura 5 se muestran algunas FFT 2D optimizadas para Blackfin ADSP-BF70x con una función de ventana integrada, que ayuda a evitar la saturación, logra una SNR más alta y optimiza el diseño de la memoria para un mayor ancho de banda y un procesamiento de datos más eficiente. Demorad ofrece diferentes modos de funcionamiento.

Modo de radar FMCW

En el modo FMCW, se puede medir la distancia a objetivos estacionarios. La frecuencia de la señal de recepción reducida para un objetivo es proporcional a la distancia al objetivo. En la GUI, se puede realizar el procesamiento FFT para determinar la frecuencia. El uso de la opción de visualización de rango-tiempo hace posible ver objetivos en movimiento, mientras que la pantalla almacena una serie de barridos FMCW.

Modo Doppler de rango

En el modo doppler de distancia, se puede analizar la distancia a los objetivos, así como la velocidad. El modo Doppler de rango es uno de los modos de operación más poderosos debido a su capacidad para procesar múltiples rampas de transmisión o chirridos simultáneamente mediante la evaluación de una transformada de Fourier bidimensional. Los datos procesados ​​por Doppler de distancia se muestran en el mapa de Doppler de distancia. El doppler de rango es poderoso porque permite separar objetivos con diferentes velocidades, incluso si están ubicados a la misma distancia. Esto es útil para varios objetivos que se mueven rápidamente en diferentes direcciones, por ejemplo, para resolver escenarios de tráfico complicados con automóviles que se mueven en direcciones opuestas o durante maniobras de adelantamiento.

Modo de formación de haz digital (DBF)

En el modo DBF, se muestran la distancia y el ángulo al objetivo. Las señales de recepción de los cuatro canales de recepción se utilizan para estimar el ángulo del objetivo. La pantalla muestra la distribución espacial de los objetivos en el plano xy. En el modo DBF, el sistema se configura igual que en el modo FMCW pero con un procesamiento diferente de las señales de conversión descendente de IF. Después de calcular el rango, la información del ángulo del objetivo se calcula evaluando las diferencias de fase entre los cuatro canales de recepción. En el modo DBF, se requiere una calibración del sistema frontal del radar para eliminar las variaciones de fase deterministas no deseadas entre los canales de recepción. Cada sistema Demorad viene con datos de calibración de fábrica que se cargan cuando se ejecuta la GUI. Las señales IF muestreadas luego se corrigen antes de evaluar los datos medidos de los sensores.

La plataforma Demorad utiliza la operación MIMO mediante el uso de las dos salidas de transmisión disponibles en el ADF5901 y la ubicación adecuada de la antena. Esto produce siete canales de recepción para aumentar la resolución angular del sensor; por ejemplo, cuatro canales de recepción reales y cuatro canales de recepción virtuales con superposición en un canal. La forma de onda utilizada en Demorad utiliza la función de rampa rápida del ADF4159 PLL con un chirrido ascendente de 280 μs y un chirrido descendente de 4 recepciones para un período de rampa total de 284 μs. Se toman 256 muestras o se muestrean datos en la rampa ascendente con los ADC ADAR7251 AFE funcionando a 1 MSPS.

El Demorad utiliza un radar FMCW para detectar el alcance y la velocidad de objetos a una distancia de hasta 200 metros con una resolución de aproximadamente 75 cm. El campo de visión (FOV) es de aproximadamente 120° en acimut y 15° en elevación, según el diseño del conjunto de antenas. Al combinar antenas como se usa en la formación de haces digitales (DBF), Demorad usa DBF para calcular la información angular en el FOV.