雷達如何在高挑戰性環境中用於偵測車輛與防撞

在物流、製造、採礦、運輸、農業和其他產業中，動作監測與位置感測器能防止碰撞、確保安全性並提高生產力。感測器能安裝於車上或置於策略性定點。

感測器必須能針對特定應用需求進行設定，並具備多功能感測能力，包括根據距離、角位置和速度來偵測物體。對於繁忙或複雜的環境而言，需要能同時偵測多個目標物。

採用能承受污垢、灰塵、風勢、降水及其他環境條件的技術，對裝卸區和堆高機速度控制等應用很有利。自訂偵測窗形和目標物設定點等參數，還能進一步提升偵測表現。

本文會先介紹工作頻率對幾個關鍵雷達規格的重要性，接著比較多種雷達技術，像是頻率調變等幅電波 (FMCW) 和同調脈衝雷達 (PCR)、偵測方案、光束樣式及感測區域技術。接著將介紹能加速開發先進雷達感測器型系統的軟體套件。

最後以幾個應用範例說明 Banner Engineering Q90R 系列雷達感測器如何利用這些要素提供多功能感測能力，確保在嚴苛環境中可靠地偵測，包括偵測感測裝卸區是否有卡車，以及偵測控制堆高機的速度以增強安全性。

無線電偵測與測距 (雷達) 是一種能放射高頻無線射頻能量的主動感測器技術。能量會從路徑中的物體上反射，反射能量的特性不僅能用來偵測物體和確定物體的距離，有時也能測量物體移向或離開感測器時的速度。

工作頻率是決定雷達感測器效能的基本特性。現今工業雷達感測器的工作頻率為 24 GHz、60 GHz 和 122 GHz，這些頻率屬於工業、科學和醫療 (ISM) 頻段，無須特別許可即可使用。

雷達感測器的工作頻率對幾種規格具有顯著的影響，包括：

• 範圍 - 24 GHz 等低頻雷達感測器的偵測範圍最長。
• 準確度 - 122 GHz 等高頻雷達感測器具有更高的準確度，能偵測較小的物體。
• 盲區 - 雷達感測器的盲區 (又稱阻擋距離) 是由於目標物太接近所致。頻率較高的感測器，一般來說盲區較小。
• 耐天候 - 感測功能不受風勢、霧氣、蒸汽和溫度變化所影響。雷達通常不受雨水或冰雪干擾。24 GHz 雷達對雨和雪的耐擾性最佳。
• 目標物的材質 - 24 GHz 雷達雖然最能抵禦天氣的干擾，但對許多不同材質的感測能力最為有限。60 GHz 或 122 GHz 雷達感測器能偵測高介電質和低介電質的材料 (圖 1)。

圖 1：雷達感測器的工作頻率對「根據目標物的介電特性辨識多種目標物材質」的能力影響甚鉅。(圖片來源：Banner Engineering)

頻率以外的規格

頻率是雷達感測器最典型的特徵，但其他重要規格還包括 FMCW 與 PCR 等雷達技術、可調距離式與逆反射感測器等偵測方案，以及視野、窗形和目標物設定點。

FMCW 會發射經過調變的連續訊號並在固定的頻寬內增減頻率。藉由測量反射訊號的頻率，雷達能得知訊號從目標物反射回來所花費的時間。飛行時間 (ToF) 資訊決定出目標物的距離。

FMCW 的優勢包括無需單獨的天線或脈衝即可同時測量距離和速度、具有優異的距離解析度、能區分不同的緊湊型目標物、在嚴苛環境中的準確度更高。

PCR 雷達會傳送脈衝，關閉發射器，等待接收目標物的回音，然後重新啟動發射器以傳送新的脈衝並繼續執行此循環。如同 FMCW，PCR 雷達利用一種 ToF 分析形式確定目標物的距離和速度。使用脈衝意味著 PCR 雷達的功耗比 FMCW 更低。PCR 常是電池供電型系統的首選，也非常適合低功率短程應用。

可調距離式與逆反射感測器

可調距離式雷達藉由感測反射的無線射頻波來偵測物體。當物體具有能反射大量無線射頻能量的廣大雷達橫截面時，非常適合使用這種雷達。金屬表面積較大的物體 (尤其是與雷達光束垂直的表面)，通常具有較大的雷達橫截面。

可調距離式雷達感測器的設定點距離可以設定。這種感測器利用 ToF 計算來確定目標物的距離，而且只會在設定點距離內存在目標物時做出提醒。

逆反射雷達感測器則有賴牆壁等反射參考目標。其藉由辨識參考目標回傳訊號的干擾來偵測物體。這些雷達感測器能進行最佳化，感測出沒有廣大雷達橫截面的物體。

60 GHz FMCW 雷達感測器

Q90R 系列 FMCW 可調距離式雷達感測器的工作頻率為 60 GHz，在準確度、距離和材質偵測能力方面均衡健全。此外，這些感測器具有 IP69K 防護等級，適用於嚴苛的環境 (圖 2)。視野選擇有 120° x 40° 和 40° x 40°。關於距離和偵測最近或訊號最強的物體，此類參數可根據特定應用需求進行修改。

圖 2：Q90R 系列 FMCW 可調距離式雷達感測器的工作頻率為 60 GHz，並採用耐用的 IP69K 封裝。(圖片來源：DigiKey)

Q90R2-12040-6KDQ 具有高設定彈性的 120° x 40° 視野，此視野能分成許多獨立的偵測區域並幫助感測確切位置 (圖 3)。此產品的多維感測能力有助於根據距離、徑向位置和速度閾值更聰明地偵測物體。如同 Q90R 系列雷達感測器其他型號，此產品的偵測範圍介於 0.15 至 20 m。此產品亦提供許多連接選項，包括 IO-Link 和 Banner 的 Pulse Pro 脈衝頻率調變 (PFM) 技術。

圖 3：Q90R2 雷達感測器具有可設定的 120° x 40° 廣角視野 (圖片來源：Banner Engineering)

軟體能釋放效能

可利用 Banner 的 Measurement Sensor Software 軟體發揮出 Q90R 和 Q90R2 雷達感測器的強大特點，這款圖形使用者介面 (GUI) 使設計人員能設定和視覺化來自感測器的資料

此軟體以圖形呈現感測器看見的內容，這對雷達感測器這種缺乏可見光束的感測器很有幫助。使用者能修改響應速度、輸出設定和濾波選項等感測器參數。

Q90R2 的 120° x 40° 視野具有高設定彈性並能實現精準的定位與控制能力。設計人員能透過 Banner 的軟體自訂進階感測參數，例如每個應用的窗形及目標物設定點。(圖 4)。

圖 4：使用 Banner 的 Measurement Sensor Software，設計人員能將視野 (上) 和窗形及目標點 (下) 進行最佳化。(圖片來源：Banner Engineering)

裝卸區車輛偵測

自動準確偵測裝卸區的卡車，對支援生產力和安全性以及符合環保標準非常重要。傳統的門鈴或指示燈解決方案通常並不適用。裝卸區可能很吵雜，現場未必總能聽見門鈴聲。高架照明和機器照明以及堆高機上的閃光燈也容易使人忽略指示燈的存在，即使指示燈正在閃爍。

自動化感測器解決方案是理想之選，但卡車的尺寸和製造材料相當多元，且可能搭配多種顏色及表面拋光。這些挑戰以及噪音、灰塵、雨水或冰雪等環境條件的不確定性，使人難以實作一個以光電或超音波感測器為主的可靠解決方案。

Q90R2 等雷達感測器通常是首選。這種感測器不受周圍環境條件影響。其具有 IP67/IP69K 防護等級的外罩，因此適用於暴風雨及其他嚴苛的環境條件，並具有 - 40°C 至 +65°C 的廣大工作溫度範圍。這種感測器能可靠偵測卡車的存在，無論材質、顏色、表面結構或反射率如何。

Q90R2 可設定的獨立式感測區域和 120° x 40° 光束樣式，能使一部感測器完成兩部感測器的工作並偵測出兩個相鄰裝卸區的卡車 (圖 5)。

圖 5：Q90R2 雷達感測器的 120° x 40° 光束樣式使得一部感測器能監測兩個卡車裝卸區。(圖片來源：Banner Engineering)

堆高機的速度控制與安全性

除了偵測車輛以外，雷達感測器還能安裝於堆高機等車輛以偵測環境變化，進而提高安全性。例如，Q90R2 雷達感測器能安裝在堆高機的後面或側面並配置許多不同距離的區域。

廣大的 120° x 40° 光束樣式使得 Q90R2 特別適合監測周圍可能正在移動的物體。此外，Q90R2 還提供徑向距離、角位置和目標速度回授。當危險源接近時，堆高機駕駛能獲得警示，堆高機則能自動限速或停止移動。

若是在室內和戶外使用堆高機，可在堆高機車頂安裝光束樣式 40° x 40° 的 Q90R 雷達感測器以進行天花板偵測。當堆高機位於戶外且未偵測到天花板時，機器能以最大允許速度移動。當堆高機在具有天花板的室內環境移動，機器能自動降低最大速度以增強安全性並防止受損 (圖 6)。

圖 6：雷達感測器能用於監測堆高機周圍的人或物體，以及天花板監測。(圖片來源：Banner Engineering)

視系統需求而定，Q90R 有幾種不同的型號及輸出設定，包括：

• Q90R-4040-6KDQ，搭配雙離散 NPN/PNP、PFM 和 IO-Link 輸出
• Q90R-4040-6KIQ，搭配類比電流 (4 至 20 mA)、1 個 NPN/PNP 離散輸出和 IO-Link 輸出
• Q90R-4040-6KUQ，搭配類比電壓 (0 至 10 V 或 0.5 至 4.5 V)、1 個 NPN/PNP 離散輸出和 IO-Link 輸出

結論

Q90R 系列雷達感測器的功能相當多元。其工作頻率為 60 GHz，因此能偵測許多不同的材質。這些 FMCW 雷達的偵測範圍可達 20 m 並具有可設定的光束樣式，能支援廣泛的應用。這些雷達有幾種輸出選擇以支援不同系統需求，並能安裝於堆高機等車輛上或置於策略性定點，例如裝卸區旁。最後，設計人員可選擇使用 Banner 的 Measurement Sensor Software 加速系統的設計與部署。