ミリ波レーダーの原理・特徴

エスタカヤ電子工業ではテキサス・インスツルメンツ(TI)社のミリ波レーダーICをベースとしたレーダーモジュールを提供しています。
ミリ波レーダーの活用分野は様々です。ここではミリ波レーダーの原理や特徴について解説します。

ミリ波センサーの利用用途

特徴

● 対象（人、物、車、etc.）までの距離、速度、角度を高精度で計測
● 逆光、暗闇、煙、霧、雨、温度など外部環境の影響を受けない
● プラスチックを透過するので筐体の内側に組込め、過酷な環境で使用可能
● 信号発生器、送信、受信、信号処理が1チップに統合され、小型、低消費電力、低価格
● 測定範囲が広い（FOV=120°）

利用用途

● 占有検出・人感知・ジェスチャー認識・心拍/呼吸計測
● 防犯カメラの機能拡張・交通量モニタリング
● ドローン/ロボット/AGV等の衝突防止・速度検出・着陸アシスト
● 高精度液面検出・振動モニタリング
● 自動車：緊急自動ブレーキ・アダプティブ・クルーズ・コントロール・レーンチェンジアシスト

ミリ波は、波長が1mm から10mm で、周波数が30GHz から300GHzの電磁波で、光に近い性質を持ち、直進性が非常に強く、レーダー、イメージング、通信、電波天文等に利用されています。

車載、産業用で利用されるミリ波レーダーの周波数には以下があります。

検出方式には、FMCW、パルス、CWドップラー、2周波CW、パルス圧縮等の方式がありますが、車載用と車載から派生したレーダー用ICの大半はFMCW方式を採用しています。FMCW方式は、船舶、航空で使用されるパルスレーダに比べ、送信電力や受信回路周波数が低く、信号処理量が少ないことから、回路が簡単でワンチップ化・低コスト化し易いという利点があります。ここではTIのミリ波ICに採用されているFMCW方式について解説します。

1．シンセサイザがチャープ信号（送信波）を生成
2．チャープ信号をTxアンテナから送信
3．物体に反射されたチャープ信号をRxアンテナで受信
4．Tx信号とRx信号をミキサーで合成し、IF信号（数MHz）を生成
5．IF信号をADコンバータでサンプリング
6．プロセッサでFFT等の信号処理を行い、物体の距離、速度、角度情報を生成

物体に反射して受信されたチャープは、送信チャープに対して、距離に比例した遅れが生じます。送信と受信の差分のIF周波数は、近くの物体は低い周波数、遠くの物体は高い周波数となり、IF信号をFFTすると時間領域から周波数領域に変換され（上図）、周波数に応じた距離情報が得られます。これをRange FFT (1D FFT)と呼びます。複数繰返すチャープのRange FFT出力をFFTすることで、速度情報が得られます。これをDoppler FFT（2D FFT）と呼びます。複数アンテナ間のRange Doppler FFT (2D FFT）の結果をFFTすることで角度情報が得られます。これを到来角推定（3D FFT）と呼びます。

79GHzの利点の1つに最大で４GHz（77～81GHz）と広い帯域幅を利用できることにあります。距離分解能（ほぼ等距離にある複数の物体を分離する能力）をDres、光速をc、帯域幅をBとすると「Dres = c/2B」となり、帯域幅が200MHzの24GHzレーダーが距離分解能が75cmに対して79GHz帯では3.75cmの距離分解能を得ることが可能です。

例えば、レーダーから見て互いに50cm離れた距離にある２つの物体は、24GHzレーダーでは1つの物体と認識されることになります。
※注意：距離分解能と距離精度は異なります。4GHz帯域のFMCWレーダーの距離精度は1mm以下となります。

ミリ波センサーで利用される高周波帯は電波法で規制されています。日本で販売されている半導体メーカーのミリ波レーダーセンサーの評価ボードの多くは日本での技術適合証明を取得していません。そのため、このようなメーカー製の評価ボードの利用は制限されます。エスタカヤ電子工業では技術適合証明取得済みの評価ボードを製造・販売しています。また、ソフトウェア、ハードウェアのカスタマイズにも対応しております。ミリ波レーダーの活用をお考えのお客様は当社までお問い合わせください。