物联网中的高分辨率精确距离测量方案_毫米波雷达

物联网系统中为什么要使用毫米波雷达

物联网系统中使用毫米波雷达的原因主要基于其独特的优势和应用价值，这些优势使得毫米波雷达在物联网的多个领域中都发挥着重要作用。以下是详细的分析：

毫米波雷达的优势

1、高分辨率和短波长：

毫米波雷达利用毫米波段的电磁波，具有高分辨率和较短的波长，这使得它在物体检测、定位和跟踪方面具有出色的性能。

2、高穿透性：

毫米波雷达能够穿透雾、烟和灰尘等障碍物，在恶劣气候条件下仍能正常工作，为物联网系统提供稳定的数据支持。

4、精确的距离测量：

毫米波雷达可以根据接收回波与发送波的时间差准确测算目标物体与雷达之间的距离，为物联网系统提供精确的位置信息。

5、实时监测和多目标检测：

毫米波雷达可以连续不断地发送和接收信号，实现对目标的实时监测，并且可以同时检测多个目标，适用于复杂环境下的多目标跟踪和应用。

6、低功耗和长寿命：

毫米波雷达的功耗相对较低，使其在长时间运行时具有较好的耐用性，有利于降低物联网系统的整体能耗和运营成本。

7、隐私保护：

由于毫米波雷达不在可见光谱下工作，因此它比基于摄像头的传感器更好地保护隐私，适用于对隐私要求较高的物联网场景。

8、环境适应性强：

毫米波雷达对灰尘、烟雾和雾等大气条件的鲁棒性更强，可以在各种天气条件下返回室内外的准确测量结果。

毫米波雷达在物联网系统中的应用

毫米波雷达应用范围涵盖车规级、工业级、消费级和医疗级四类。汽车级应用是毫米波雷达最早的商用场景，同时也是当前毫米波雷达最大的应用市场；工业级应用主要包括智能交通、 安防监控、智能装备、智能楼宇、工业测量等领域，应用场景最为广泛，同时具备附加值高的特点；消费级应用主要包括 智能家居、智慧康养、消费电子等，是近两年兴起速度较快、关注度较高的新兴应用领域，未来具有较大的发展潜力。

具体应用场景

1、智能家居：

在智能家居中，毫米波雷达可用于检测人体的微小运动，实现智能照明、自动门锁等功能。通过实时监测家庭成员的位置和活动，系统可以根据需要自动调整环境，提升居住体验。

2、智能城市：

在智能城市中，毫米波雷达可以用于交通监测、人流统计和城市规划。它可以帮助实现智能交通管理、减缓拥堵，并提供更加智能的城市服务。

3、工业物联网：

在工业领域，毫米波雷达可用于实现生产线的自动化和智能化。它可以监测设备运行状态、检测产品缺陷，提高生产效率和产品质量。

4、健康监测：

毫米波雷达还可以用于健康监测领域，如检测和监控人类手势、情绪、运动、血液循环和心跳等生理指标，为医疗保健提供新的技术手段。

毫米波雷达应用范围涵盖车规级、工业级、消费级和医疗级四类。

综上所述，物联网系统中使用毫米波雷达的原因主要在于其高分辨率、高穿透性、精确的距离测量、实时监测和多目标检测等独特优势，以及其在智能家居、智能城市、工业物联网和健康监测等领域的广泛应用价值。这些优势使得毫米波雷达成为物联网系统中不可或缺的重要组成部分，为物联网的智能化、高效化和安全化提供了有力支持。

本文会再为大家详解雷达家族中的一员——毫米波雷达 .

毫米波雷达的定义

雷达是英文 Radar 的音译，源于 Radio Detection and Ranging的缩写，原意是“无线电探测和测距”，即用无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置。毫米波雷达是指一种工作在毫米波频段(milimeter wave)的雷达传感器。

国际电信联盟(ITU)发布的《无线电规则》(2020年)和我国《无线电频率划分规定》中，将无线电频率在 30.

300GHz的频段(波长 1-10mm)称呼为毫米波频段。

为符合国际电联的指定，美国电气及电子工程师学会(IEEE)在2002年发布的《雷达频带字母名称标准》(IEEE Std521TM-2002)中修订了对mm频段的定义，使毫米波雷达频段和代号在学术上的范围定义统一在30-300GHZ。IEEE还在2019年的标准中列出了分配给3区(中国所在的划分区域)的雷达具体频段。目前国内使用的 24GH2、60GH2、77GH2、80GHz等雷达产品统归为毫米波雷达。

毫米波雷达的基本特性

作为雷达系列中的高频段产品，毫米波雷达具有频带宽、波长短、大气传播损耗较大等基本特性，各特性对应的优缺 点概括如下图所示。

毫米波雷达的核心功能

毫米波雷达的核心功能包括测距、测速、测方位角、微动探测和 4D 成像等，通常雷达系统是通过同时测量 2-3 个功 能参量而构成一个应用产品。图表 3 列举了每种功能的典型应用及功能介绍。

毫米波雷达的基本原理

毫米波雷达三个基础的系统功能为距离测量、速度测量和角度测量。以 FMCW 雷达系统为例，其基本功能实现原理为：

1、测距原理

FMCW 毫米波雷达的测距主要是利用发射信号和回波信号之间的时延 td，结合毫米波传播速度 c、以及目标和雷达的 相对速度 v 推算出毫米波雷达和检测目标的相对距离 R 。

毫米波雷达具有较高的距离分辨率和测距精度，且可以通过后端算法实现毫米级的精确测距。

毫米波雷达测距能力与发射功率、天线增益、天线波束角和物体反射截面积等因素有关。通常发射功率越大，天线增益越高、天线波束角越窄以及物体反射截面积越大，雷达能够检测到的有效回波就越强，测量距离就越远。

2、测速原理

FMCW 毫米波雷达通常是利用多普勒效应来确定目标的径向速度。当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发 射击频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射机频率。 毫米波雷达测速范围和目标运动方向有关，目标靠近雷达做径向运动，目标速度为负；目标远离雷达做径向运动，目 标速度为正。测速精度数据取决于信噪比（衡量雷达接收信号质量的单位）。信噪比高不高，是衡量毫米波雷达的目标检 测性能是否强大的根本参数。

3、测角原理

关于毫米波雷达目标方位角的测量，是通过并列的接收天线收到

同一目标反射的雷达波相位差计算得到目标的方位角。原理如下图所 以及两天线收到雷达回波的相位差 b 通过简单的三角函数计算得到。

在 角 度 测 量 中， 毫 米 波 雷 达 可 以 通 过 MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）天线阵列增加系统虚拟孔径，进而 获得更高的分辨率。

毫米波雷达的系统组成

毫米波雷达系统主要由天线、射频前端组件、数字信号处理器和雷达控制电路等组成。

射频前端组件：负责毫米波信号调制、发射、接收以及回波信号的解调。单片微波集成电路（MMIC）大大简化了雷 达系统结构，集成度高、成本低且成品率高，更适合于大规模生产，是目前主流的毫米波雷达射频前端组件集成方式。

数字信号处理器：通过嵌入不同的信号处理算法，提取从前端采集得到的中频信号，获得特定类型的目标信息。毫米 波雷达的数字处理主要算法包括：阵列天线波速形成和扫描算法、信号预调理、杂波处理算法、目标检测 / 测量的算法、 目标分类与跟踪算法以及信息融合算法。数字信息处理是毫米波雷达稳定性、可靠性的核心。

天线：可以发射和接收毫米波，是毫米波雷达的重要部件，体积小，通常集成在 PCB 板上，按照天线模式可分为远程雷达（开口约 30°，200m）、中程雷达（开口约 60°，100m）和近程雷达（开口约 120°，30m）。

控制电路：根据信号处理器获得的目标信息，结合雷达终端动态信息进行数据融合，最终通过主处理器进行智能处理， 对雷达终端前方出现的障碍物进行分析判断，迅速做出处理和发出指令，及时传输给报警显示系统和制动执行系统。

毫米波雷达的使用频率

毫 米 波 雷 达 有 24GHz、60GHz、77GHz、80GHz、120GHz 等 频 段 产 品。 目 前， 国 内 常 用 的 毫 米 波 雷 达 频 段 为 24GHz、60GHz 和 77GHz 这三个频段。24G 毫米波雷达在各方面性能比较成熟，且成本较低，适用的领域会更广，例如交通、安防、智能家居、康养医疗等等；77GHz 毫米波雷达在精度上相比 24GHz 更高，主要应用于汽车领域，且应用规模已超过 24GHz。

毫米波雷达的工作体制

根据辐射电磁波方式不同，毫米波雷达主要有脉冲体制以及连续波体制两种。其中连续波又可以分为 FSK（频移键控）、 PSK（相移键控）、CW（恒频连续波）、FMCW（调频连续波）等方式，图表 8 中对比了不同工作体制的优势和不足。

目前，连续波体制中的调频连续波 FMCW 是主流方案。调频连续波是连续发射调频信号，以测量距离、角度和速度等。 调频连续波不仅能同时测出多个目标的距离和速度信息，还可对目标进行连续跟踪。相对其他电磁波雷达，调频连续波雷 达的发射功率较低、且成本较低，被毫米波雷达厂商广泛使用。

6.4竞品对比

毫米波雷达具有探测性能稳定、作用距离较长、环境适用性好等特点。与超声波雷达相比，毫米波雷达具有体积小、 质量轻和空间分辨率高的特点。与红外、激光、摄像头等光学传感器相比，毫米波雷达穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候全天时的特点。各类传感器的优缺点如图表 9 所示。

毫米波雷达的雷达方案供应商和方案集成商

毫米波雷达产业链中游企业主要包括雷达方案供应商和方案集成商。其中雷达方案供应商主要通过完成雷达系统设计、 天线设计和后端算法开发，为客户提供毫米波雷达方案模块或整机产品。方案集成商则依托毫米波雷达技术，为各具体应 用领域提供定制化的智能集成方案，例如汽车 tier 1 供应商、智能交通方案集成商等。

目前，中国毫米波雷达中游市场整体上仍由博世、大陆、安波福、维宁尔、海拉、电装等国际企业占主要份额，但国 内企业也正在加速追赶。在汽车雷达领域，森思泰克、华域电子、华为、承泰科技等本土企业已经实现量产落地，进入国产化替代周期。在智能交通领域，毫米波雷达的作用尤为关键，中游企业慧尔视、海康智联、大华股份、象德信息、宇视科技、 木牛科技、雷森电子为市场主要参与者；智能家居雷达经过近几年探索，国内市场已经初步形成，主要参与者包括云帆瑞 达、迈睿智能、电目科技、精益远达、全耀传感、易探科技、速数智能等；智慧康养领域主要参与者有清雷科技、兆观科技、 德心智能、苗米科技、英特睿达、知谱科技、算丰征途等。

供应商A：-云帆瑞达

http://www.micradar.cn/

1、产品能力

（1）选型手册

http://www.micradar.cn/products.html

（2）主推型号1:R24DVD1

对应的产品详情介绍

本雷达是一个自成体系的隔空感知传感器，由射频天线、雷达芯片和高速主频MCU 一起组合而成的模组，依赖稳定灵活优越的算法架构核心，解决用户的各种场景探测需求，可搭载上位机或者主机灵活输出探测状态和数据，满足几组 GPIO 可供用户定制开发。雷达天线发射电磁波信号，并同步接收目标反射后的回波信号，雷达处理器通过解析回波信号的波形参量，反馈目标的距离、方向、速度等信息。可以探测运动物体的状态和轨迹.

产品功能:生命感知、区域安防、灯光联动、睡眠监控

产品应用:智能灯、开关面板、传感器

产品介绍:R24DVD1是基于毫米波雷达实现人体生物呼吸感知，持续记录人体存在情况，停留时间，以及身体运动幅度，可以通过无线信号通知网关实现场景联动。并且可通过底层开放参数实现定制化场景。

支持协议:Zigbee/wi-Fi/4G

产品封装图

体积:35mmX31mmX7.5mm接口:Pitch 2.0mm 双排插针接口，2*3和2*4一共2组接

接口

td {white-space:nowrap;border:1px solid #dee0e3;font-size:10pt;font-style:normal;font-weight:normal;vertical-align:middle;word-break:normal;word-wrap:normal;}

接口	引脚	描述	典型值		说明
接口1	1	5V	5.0V		电源输入正端
	2	GND			地
	3	RX	3.3v		串口接收
	4	TX	3.3v		串口发送
	5	S1	3.3V/0V		有人/无人
	6	S2	3.3V/0V		活跃/静止
接口2	1	3V3	3.3V		输出电源
	2	GND			地
	3	SWC			保留
	4	SWD			保留
	5	GP1			备用扩展引脚
	6	GP2			备用扩展引脚
	7	GP3			备用扩展引脚
	8	GP4			备用扩展引脚

硬件参考设计

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