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商用微波雷达和传感器的某些新方向----谨以本文迎接2017

已有 7479 次阅读 2016-12-31 19:20 |系统分类:科研笔记|关键词:微波雷达,,自主创造,,交通,自主驾驶,平安城市| 交通, 自主创造, 微波雷达, 自主驾驶, 平安城市

    商用微波雷达和传感器的某些新方向

            ---- 谨以本文迎接2017


                              邹谋炎

  交通管理用微波雷达在国内已成规模使用,汽车安全驾驶需要的雷达也在竞争发展之中。这些发展中,国外产品技术表现的优势是明显的。事实上,近几年国内发展起来的公司大多选择了以国外核心芯片组为基础的模式。这种模式使产品发展商绕开了对核心技术的了解,能够开展的创造性也相当低。不过,笔者并不认为中国的商用微波雷达和传感器市场会全面沦为国外技术和产品的应用市场。国内自主创造的技术并非完全没有优势,只是管理和政策层面还缺乏有效的鉴别、推动和支持措施。自主发展技术的优势包括本土适应性多样性、成本、价格等。我们的产品发展实践表明,国产微波应用产品可以在部件设计、系统实现原理、设计和加工结合方面多下功夫。只要这些方面做了深入工作,不仅能够拥有自主核心技术,从产品市场的角度,未必就会比使用国外核心芯片组的产品处于劣势。国外厂家开发的集成芯片组价格较高,功能上是应用指定的,可扩展性有限。而应用微波能做的事很多,为有自主创造能力的产品研发人员提供了宽广的创造空间。本文根据笔者个人对市场需求的了解、技术实现上的可能性和现实性,提出几项新的产品方向,这些题目对国内外同行都有挑战性,可以作为重要的科研发展项目,希望同行们分享,共同努力来推动应用微波技术和产品的发展。

一.       智能交通雷达

智能交通雷达旨在用一只雷达硬件,只需配备不同软件,即可完成交通管理的几项不同的基本需求,至少包括:

1、作为多道定位测距测速雷达。一只智能交通雷达可以代替最多4到6只独立的测速雷达或测距测速雷达,价格不应高于普通测速雷达价格的2倍。德国产的SmartMicro系列雷达及基于国外核心芯片组开发出的各种多目标交通雷达能否满足指定的多道卡口定位应用还未见报道。作为多道定位测速雷达,必须保证完全等价于多只单车道雷达,达到多个车道有独立而又一致的测距定位精度、测速精度。对城市交通应用,还必须能够检测很低速的车辆。现有的多目标雷达似难以满足这些综合性的要求。

2、作为红绿灯路口车辆排队长度检测器。虽然市面上已有的多目标交通雷达宣传广告称可以作为排队长度检测器,但缺乏实际测量数据支持。以SmartMicro多目标交通为例,这类雷达难以检测速度低于5km/H的车辆。而检测排队长度时,要求雷达对处于停驶状态的许多车辆给出检测结果,排队长度可能超过150米。这个要求对雷达研发人员是一个不小的挑战。

    3、作为车流量检测器。车流量检测器通常又称为断面雷达。多目标交通雷达原则上可以作为断面雷达,但这些雷达的价格可能是最重要的限制。国产的断面雷达在性能上还难以获得市场的认可。美国的SmartSensorHD 被认为是目前最好的断面雷达,但这种雷达采用正横向照射方式,不能利用多普勒效应测速,因此估计车辆速度的准确度比较低,造成车长估计的准确度和分类准确度都比较低。如果将雷达的照射方式改为斜横向照射,可以用多普勒效应进行速度估计。而这样,对雷达信号检测系统的要求会提高,雷达算法、软件也会大不相同。

   一个智能交通雷达可能达到这些目标吗?我们不妨期待一下。或者,可以作为三个产品一个个地实施,也有应用价值。

    二、具目标识别能力的微波扫描图像雷达

   汽车自动驾驶技术的一个瓶颈是目标识别。视频识别技术和激光扫描成像雷达经实际检验后认为不足以保障自动驾驶的安全。虽然深度学习和大数据方法已提到研究日程上,将来的实施代价可能会成为又一个瓶颈。微波扫描图像雷达从图像分辨率上可以接近激光扫描器,但能够提供视频图像或激光扫描图像所缺乏的性质。微波雷达目标对微波的反射特性与目标的多种属性相关:金属或非金属;金属棱边的取向与电磁波极化方向的夹角;金属棱边反射区长度与电磁波波长的关系等。这些观察,虽然在理论上还缺乏细致的研究报道,并且大多数情况下被纳入深度保密范围,但其定量化认识已经可以为道路交通需要的目标识别提供有用的信息。例如,一个利用不同极化特性的微波扫描图像雷达有可能提供更多的信息,使自动驾驶系统能够更准确地区分前面的小车、大车、广告牌、地物、人等等。当然,微波扫描图像雷达不可能一枝独秀,它应该和视频技术及其他技术用信息融合的方式结合起来。

  三、城市低空治安管理用雷达网

在1公里以下的城市空域是常规的军用雷达盲区。随着小型飞机和无人机的普及应用,城市低空治安管理工作的展开已经提上日程。一个缺乏低空治安管理的城市不可能是一个放心的“平安城市”。

10GHz以上的微波雷达可以填补军用雷达对空域警戒监视的空白,所花的代价相对更合理。当然,技术挑战相当高。首先,实施低空治安管理的雷达应该是一个环视扫描的成像雷达,扫描覆盖半径应达到1到5公里或更高。特别是,对反射面积仅0.01平方米的小尺寸无人机的检测距离希望达到500米。其次,雷达要有能力在复杂的建筑群中有效地抑制固定目标,把移动的小目标检测出来。注意,目标不必是径向移动,可能只是横向移动。再则,雷达应该全天候可靠操作,满足环境试验的严格考核。将这样的成像雷达分布在城市的若干必要区域,并联网构成信息指挥系统,加上必要的低空治安管理措施,可以达到低空治安管理的系统化目标。

四、短距精密测距雷达

人们注意到,调频连续波(FMCW)雷达的距离分辨率受调频带宽限制,使得这类雷达难以达到毫米级的测距精度。虽然有发展商宣称一个距离分辨率为0.25米的雷达能够提供25px的测距精度,其科学依据和适用场合是什么?你相信吗?另一方面,工程测量用光学或微波测距机,使用相位测量方法可以达到很高的测距精度。但在使用中要求合作目标处于完全静止,测量过程中测距机内部的电路工作于稳态。短距精密测距雷达要求容许雷达和目标有相对移动。例如无人机测高和机器人定位,要求雷达测距精度达到25px级,雷达价格希望处于民用游戏级可接受,雷达面积希望和银行卡相当,这可能吗?

5、多点定位通信雷达

将雷达和通信结合起来不是一个完全创新的想法。然而,此处描述的系统应该是一个完全创新的系统。例如一组上百人的消防队员进入楼内,我们希望对每个队员进行实时定位和保持通信指挥,这样的系统对于保障每个队员的生命安全和提高消防效能都有极重要的意义。为了监测大型工程是否有山体滑坡的危险,需要对大面积分布测试点进行准确的移位观测,观测距离可能到数百米,精度到毫米级。海洋运输和海洋工程需要使大型装备相对船体或支撑台架实现多点精确定位和对接。这些应用中,用雷达对多点同时进行精确定位是基本要求,在许多情况下还希望实现定位信息的交互传送。

本文列出的几项发展目标只是商用微波雷达和传感器的许多发展方向中的例子。这些发展题目肯定不是空穴来风,而是有明确的应用需求;从技术可实现上也不是凭空想像,而是有现实性和可能性。当然,每个题目都有高度的挑战性,不可能在短期内完成。我们只能靠一步步的工作,逐步去追寻心中的梦想。欢迎有发展兴趣的朋友共同讨论和合作。




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3 周浩 谢力 zhouwangpu

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