智能交通和工业中的微波雷达

1、智能交通和工业中的微波雷达主办机构：中国科学院老科协【前言】民用微波雷达及其传感器是一个新兴的高科技产业。这次沙龙重点讨论了民用微波雷达的技术特点、典型产品和应用、市场规模、产业化机会。微波雷达在测速，车流量检测，物位计等方面已有广发应用。但是，随着智能交通的发展，对微波雷达提出了新的需求，例如对多目标、同时测速和测距等。这对技术提出了新的挑战。沙龙还讨论了民用雷达技术的特点，要实现产业化应用，不仅技术指标上要满足需要，而且还要应用环境的适应性、可靠性和低成本，这需要科学技术的再进步。高科技产品发展需要工艺进步、需要进一步的理论深入。【主旨报告】邹谋炎：智能交通和工业中的微波雷达技术状况和市场

2、前景一、民用微波雷达和传感器：特点和产业化机会民用微波雷达出现在市场上的历史不长。随着微波器件和混合微波集成电路技术的进步，微波芯片或微波片上系统（System On Chip，SOC）的价格逐年下降，发展应用系统的经济门槛大大降低，这为民用提供了可能性。微波雷达和传感器的高可靠性、准确度、有能力非接触和远距离测量目标距离、速度和存在，这些特点是其他技术无法比拟的。从90年代起在国际市场上陆续出现了各种各样的民用微波雷达系统产品。这是一个高新产品市场。在最近20年间，产品逐步得到广泛认识和接受，近年来市场发展越来越快。民用微波雷达和传感器使用“民用频率”，国外称工业-科学-医学（ISM）频率或

3、无需申报频率，我国规定了相应的“业余频率”。在我国，适用于民用微波雷达的频率主要包括1010.5GHz、2424.25GHz、4747.2GHz、7181GHz、122.25123GHz等。可以看出，这些频率基本上都比常规军用雷达频率高，意味着技术差异、仪器条件差异。这导致民用微波雷达的技术门槛较高，对专业人员有特定的高要求；在雷达制造方面要求微波电路加工工艺。这是限制，但更是有准备者的机会。二、一个例子：汽车前向防撞和自适应巡航控制（FCA&ACC）雷达国外汽车制造商从1974年起就有发展汽车FCA雷达的报道，成规模的产品发展则是90年代和以后的事。目前国外主流的FCA&AC

4、C雷达使用24GHz（用于短距雷达，1530米）和77GHz（用于长距雷达，100200米）。图1   汽车实现FCA&ACC的典型雷达配置图2   几种典型的国外汽车FCA&ACC雷达国外的FCA&ACC雷达制造商众多，但雷达价格仍然较高，因此目前只在高档车上才有配置。大量的研究统计资料表明，汽车配置FCA&ACC雷达可以大大减少公路交通事故。十分清楚，发展FCA&ACC雷达，达到低价格、高性能目标，其经济和社会效益巨大，是国内外发展商的共同兴趣目标。早期的FCA雷达主要使用24GHz频率以及频率键控（FSK）、

5、线性调频（LFM）和脉冲多普勒（PD）等体制。直到现在，FCA雷达仍然在复合地使用这些体制。FSK方案能够测量目标速度、距离、移动方向，实现技术比较简单。缺点是只容许单个目标，只当目标移动时才能测量距离。LFM方案能够测量目标速度、距离、移动方向、存在，容许两、三个目标。LFM方案实现起来要复杂些，技术要点在于线性调频的线性度和频率定标。2001年德国汉堡港大学的H. Rohling教授等提出了一种FSK-LFM复合体制，保持了LFM的全部功能，但有很强的多目标能力。随后，一些器件制造商，如AnalogDevices、Hittite发展了实现FSK-LFM方案的专用芯片，使得采用FSK-LFM

6、复合体制变得方便。在国内有多个公司宣声称在发展FCA&ACC雷达，但至今没有任何一个公司能够提供市场产品。现在24GHz的全套芯片在市场上已经能够得到，国内雷达制造商一定会开展发展竞争。虽然24GHz雷达的设计和工艺对国内少数制造商来说不应该有困难，为了达到优良的性能和低廉的价格，仍然面临着技术挑战。这场竞争肯定能够提升国内制造商的高端科技产品发展能力。如果做得好，自主发展的FCA雷达所面向的就不仅仅是国内市场。然而，24GHz只适合用于中短距雷达。当距离长时，为了达到适当角分辨需要窄波束，24GHz的天线尺寸太大，不适合于安装到小型车辆上。国外使用77GHz频率的雷达可以解决这个问题

7、，这取决于国外制造商能够得到的工艺制造条件。24GHz雷达可以使用常规的分离器件和电路制造技术，但77GHz很难这样做。77GHz雷达的微波头（天线-收发组件）现在是由具有高端微波工艺条件的加工制造商完整地制造出来，价格贵，并且有销售限制。目前在国际市场上77GHz雷达需要的套片虽然可以凑起来，但价格贵，对绑定和结构工艺的要求更高，不大可能在目前国内条件下制造出价格适当的雷达产品。这种情况下，一个较好的折中是选择47GHz作为长距雷达的工作频率，雷达制造就能够继续使用分离器件的结构和绑定工艺。当前国内FCA&ACC雷达的发展重点应该是PSK-LFM复合方案，需要将长距雷达和短距雷达组合

8、在一起。24GHz + 47GHz可能成为一个适当选择。由于微带阵列天线和微波收发电路设计已经成熟；管芯级的安装和绑定工艺已经解决；复合微波印制板工艺已经可以得到，发展国内FCA&ACC雷达的时机已经到来。该雷达的市场和社会经济效益巨大，值得发展商和政府相关部门关注。三、其他的民用微波雷达产品和市场汽车前向防撞和自适应巡航控制雷达是民用微波雷达拥有大市场的例子，其它产品和应用例子的市场也不可小视。国内公路安全管理用测速雷达大致是2005年以后逐步成规模地发展起来的。主要产品的工作频率为24GHz，用于公路车辆超速抓拍系统、卡口记录管理系统等。现在国内应用已相当普及，雷达销售市场总额已经

9、接近亿元人民币，而相应的设备、系统、服务产业应该超过10亿人民币。国内早期的测速雷达使用俄、美进口的雷达头，天线方向性比较差。报告人于2005年针对测速应用设计制作了国内第一款24GHz平板型雷达，关键在于微带阵列天线的成功。这个结果后来在产品发展上得到成功应用，成为行业内知名的自主创造产品，以质量和价格优势赢得声誉。图2   中国市场上的几种测速雷达中国测速雷达的应用市场仍然有扩展空间，例如在南方许多地区仍然在使用地感线圈，因为后者整个系统要便宜一些。随着测速雷达的价格进一步降低，性能进一步提升，完全取代地感线圈是迟早的事。正在发展中的2-D或3-D雷达将具有希望有的新功

10、能，提升公路安全管理系统的整体能力，可以取代现有的测速雷达。车流量检测雷达是智能交通系统（ITS）的基础构件。有代表性的车流量检测雷达有美国Wavetronix 公司生产的 SmartSensor 系列雷达以及上海慧昌公司的微普微波车流量检测雷达。有报道称，几年前北京市政府购买了2百多套SmartSensor HD, 显示了政府部门对发展ITS的愿望。事实上，发展ITS需要的传感器，包括车流量检测器，数量巨大，意味着大市场和资金需求。既然ITS是解决交通科学管理的一种方法，中国各地政府都有发展愿望，就给雷达发展商提供了机会，关键是性能和价格的竞争。图3  车流量检测雷达车流量检测雷达

11、典型地使用线性调频连续波体制，距离分辨率达到1米左右就可以满足应用要求。天线波束在高低向比较宽，要求覆盖例如8个车道。而天线波束在方位向要求尽量窄，例如40或更窄，使得雷达容易分开前后距离很近的车辆。典型地是将雷达正侧向安装在公路旁的高柱上。这种情况下，雷达得不到关于车辆速度的多普勒频率信息。使用双天线波束雷达系统可以适当弥补速度测量缺失的问题，改善关于车辆平均速度、车辆长度（类型）的统计估计。总的来说，车流量检测雷达的设计和产品化要相对容易一些，会在一段时间里成为国内雷达制造商共同关注的热点。雷达在工业上应用的典型例子是雷达物位计或雷达液位计。众多生产企业拥有若干大型物料罐。这是一个个大型封

12、闭体，进料和出料机械化操作，需要用传感器测量罐内的物料或液料的高度（体积）。雷达物位计因其非接触、测量准确性、和物料环境适应性特别受到青睐。中国市场上有多家国外进口的雷达物位计，例如德国西门子公司的产品因性能优良占有一定市场。国内也有制造商，但技术来源不详。图4  雷达物位计的例子从工作原理上大致有两种典型的雷达物位计。一种称为导波雷达物位计，是将微波时域测量技术用于距离测量。雷达发射源产生纳秒宽度的窄微波脉冲，微波载频典型地使用610GHz，该微波脉冲加到一个金属导波杆一端上。导波杆很长，从雷达直插到物料罐底部。在物料表面处，导波杆的周围介质发生变化，会引起微波脉冲信号反射。测量出

13、反射微波脉冲相对于发射脉冲的延时，就能得出物料高度。另一种物位计使用2426GHz线性调频连续波，其测量原理和常规的多普勒雷达测高仪相似。由于物位计容许使用相对长的测量时间（例如秒级或更长）来获得测量数据，在距离测量中使用信号积累技术非常重要，能够大大提高测量准确度。有人估计中国雷达物位计及相关设备市场已达到4亿元人民币。民用雷达和雷达传感器还有大量的应用领域可以开拓。例如：   机车测速雷达，用以克服车轮打滑情况下光电速度传感器出现严重误差的问题；   工程运转系统防撞传感器；   船用防撞雷达，适合于小型船舶的廉价雷达； 

14、;  山体坡面位移监测雷达；   区域周边防护雷达和传感器；   微波场景监视雷达；   微波成像监视系统。民用微波系统还包括微波通讯设备的一个大领域，典型地有   微波宽带无线接入系统（宽带城域网）；   宽带应急通讯系统；   卫星通讯系统；   地面-卫星动中通系统。这些系统的微波硬件部分在中国有大市场需求，但目前基本上依赖进口。四、从民用微波看科技人员如何面对从科研到产品的转化1、科技人员需要学习产业化实践，了解产业化观念可以看出，民用微

15、波是一个大领域，可以开辟出一个大市场。同时，这是一个很专业的高技术领域，有相当高的技术门槛，不是没有技术和条件准备的企业单位都容易进入的。在我国，相关的研究机构和从研人员都很多，但还没有出现全面发展的格局，没有出现大量自主创造产品的局面。这个情况事实上不只在微波专业领域。不少科研人员抱怨研究成果难以转变成产品，政府和管理部门在推动“成果转化”方面做了许多努力，但收效不多。报告人认为，相当多的科研人员和管理机构对如何才能实现从科研到产品的转化认识有待深化。报告人借此提出一些问题供大家讨论。一个应用科学界的研究人员，当你为理论方法的进步津津乐道的时候，是否进一步想过，这有用吗？对谁有用？该如何用？

16、如果变成产品，还差哪些条件？不要以为这些问题很俗套，这事实上就是所谓的产业化观念。如果你在研究中习惯于提这些问题，会有利于使工作更深入和实在。一段时间积累下来，和产业的距离可能会越来越近。现在许多研究所承担各种国家项目，要出研发产品，但不是进入市场的那种大量产品。研究人员习惯于“赶超国际一流”，这肯定是正确的。但研究所的项目要作为产品拿到市场上，常常会遇到大困难：成本、可靠性、大量生产和使用的成熟性、市场适应性等等。很清楚的是，如果研究所希望对创造产业有所贡献，就不仅要鼓励研发人员争国际一流，还需要鼓励他们尽早地思考如何进入市场的问题。确实，研究项目和市场产品多少有些不同，这里不妨列出几条：1

17、）、研发原则需要改变科研项目：性能最优性原则，成本宽松甚至不计成本。产品：可用性和可靠性原则，对成本斤斤计较。2）、设计原理需要改变科研项目：按专业理论设计，一般不考虑构成元件的容差。产品：扩展专业理论到简约设计和参数中心设计，必须考虑构成元件的容差。3）、质量和可靠性控制不同科研项目：重要但不作重点，容许多套筛选，以通过成果鉴定为目的。产品：必须重点考虑，不能用多套筛选，而是必须用常规容差元件、低成本材料、低成本工艺，同时保证高成品率。4）、生产机制不同科研项目：实验室少量制作，关键工艺可外协，不必要考虑生产系统。产品：必须组建生产系统，必须把握关键工艺，这意味着必须加入生产系统和工艺相关的

18、理论、方法和技术。当然，以上列出的差别可能不普遍适用，但了解这些差别应该是有益的。科技人员有必要了解产业化实践可能会出现的问题。同时，科技管理者应该清楚一个事实：即使科技人员将成果描绘得神乎其神，将研究成果变成产品也决不是一个简单问题。人们习惯于将“科研成果转化”简单化处理，而大多数例子不成功，又多把责任归咎于科技人员，这都是不恰当的。2、工艺是决定高科技产品发展可行性的关键以测速雷达为例，这种雷达能够实现自主创造，得益于国内已经可以得到价格适当的工艺条件。国内许多科技人员对本领域或本行业的制造技术缺乏了解，对加工工艺陌生，是一件很遗憾的缺失。一家著名国外微波器件制造商的销售员讲了一个故事。一

19、种微波器件尺寸很小，需要在数十倍显微镜下处理安装（粘贴）、绑定（金丝焊接）。国内两家公司购买了几十只，但面临如何拿捏、搬运一个个小器件就不知所措，最后只好放弃。一个微波技术专家，不仅要懂得理论、设计，还应该懂得微波电路如何加工出来；微波器件如何安装到电路上；电路性能要求对加工误差的限制；电路制造的工艺过程和条件要求；微波器件的保护措施；微波组件如何进行结构上的互连设计和加工，等等。可见只倒腾Maxwell方程是不够的。工艺是一道道门槛。每越过一道门槛，就会发现一个可施展的新领域。工艺自然是高技术竞争的致命武器。中国科技落后主要在于高科技工艺落后。一个科技创业者，如果你的产品中包涵着你能够掌握的

20、工艺秘密，你就是一个幸运者，只要好好把握机会就可能成功。任何一个高科技创业者，在创业计划开展前都要思考的几个问题是：（1）产品目标的卖点或强点在哪里？（2）设计和产品制造技术是不是易于被模仿？（3）产品能不能以适当的价格制造出来？事实上，只要你的产品涉及到较深度的工艺过程，实施价格不贵，就可以大胆去做。我们说民用微波是当前的一个产业机会，依据是针对一大类产品的制造工艺已经可以解决，并且价格不贵。对77GHz及以上的应用，国外产品的造价仍然很高，国内缺乏相应的工作和条件。但只要适当放低频率，产业化工作仍然不受限制。3、理论研究有用吗？面对产业化，不少科技人员怀疑，理论研究还有用吗？个人经验认为，

21、高科技产业不仅需要深入的理论研究，依靠深入的理论成果还会产生出很强的竞争力。报告人曾给学生们讲过一个例子。一批大型天线制造后，测试性能达不到要求，使制造厂面临危机。抛物面天线的设计不困难，但加工过程会引入结构误差和铆钉凸起，是问题的原因。对结构误差和铆钉凸起要提出什么样的容许条件才能保证天线性能？处理这样的问题靠敲敲打打行吗？正是一位科技专家的研究结果给问题一个明确的回答，使国内某大型雷达的天线制造克服了困难。报告人在发展微带阵列天线设计中对理论的应用也深有体会。研发人员可以找到上百种资料、书籍论及微带天线研究和设计，但关于微带阵列天线的理论和设计，没有任何一个资料是系统的、闭合的。为了进行设

22、计，必须深入研究资料，将理论和设计方法连贯起来。这不可避免要进行理论的补充推演。对设计结果必须进行理论检验，计算理论预示的天线方向性特性；必须有依据估计和限制工艺误差对天线特性的影响；必须有依据估计寄生辐射对天线特性的影响；必须依据这些非理想效应决定天线特性的设计余量，才能保证设计的最优性。本领域的专家和研究者应该知道这些问题的理论深度和应用意义。经过报告人的工作，这些问题有了较好的回答。其结果是，自主发展的微带阵列天线设计和仿真软件能够达到天线尺寸和特性的最佳折中；对24GHz阵列天线只需一次设计制作循环，保证设计仿真和产品测试结果高度一致；实现设计、仿真、绘制版图的自动化；使用国产材料、民

23、营企业工艺，达到很高的大量生产合格率。这些结果包含着理论和方法上的某些创新，不仅仅能应用于当前的产品。图5、  理论预示的和实测的天线方向性特性例子 图6、 右：不连续性最小化设计；左：国外典型设计。图7、  本报告人设计生产的若干天线样品另一个例子是电子产品的成品率优化，这超出了国内大学和研究生教材内容。成品率常常是产品成败的关键。中国电子产品的成品率、可靠性不够高，已经影响了“中国制造”和“中国创造”的声誉和市场地位。科研项目中可能不会提出成品率问题。但是电子产品企业必须使用有误差的元器件，达到高成品率，并且保证产品接受民用复杂环境的考验。国外研究者早已经提出

24、了一套科学化的方法，能够提高电子产品的成品率和可靠性，这套方法称为最优化参数中心设计技术。但实施这套方法需要一定的理论和实践知识，如建立器件特性的数学模型；提出和分析低敏感度电路方案；实施电路的蒙特卡洛仿真分析和最坏情况分析；对仿真结果的统计分析，得出设计需要的最优化参数中心数据集合。报告人在产品实践中采用了这些方法用于关键电路设计，使得测速雷达能够在宽温度范围内满足测速的精度要求，并且使得雷达的调试变得简单易行。从我们的初步实践来看，希望从事科技创业的科技人员需要了解产业化观念，学习准备相关的工艺或实践知识。要力求将自己的研究工作做到可应用的深度，而不限于纸面上花哨的公式。从应用的具体要求提

25、出的问题常常是困难的、很富挑战性的，这是产生科技创新的重要源泉。所以，高科技创业需要有深入的知识准备。通常人们所说的“下海”只是科技打工，离高科技创业可能很远。五、发展民用微波雷达和传感器面临的难点和挑战民用微波雷达和传感器是一个新兴领域，有大市场需求，可以创造出大产业。然而，在中国发展产业会面临着许多困难，包括技术层面、管理层面、和政策层面的困难。此处根据个人的初步实践提出一些体会，供有兴趣的科技人员和管理者参考。1、技术层面的困难和挑战技术层次较高：   国内研发人员对12GHz以上普遍缺乏经营积累；   微波加工工艺水平低，直接限制工作频率和系统性

26、能；   对国外关键器件的依赖性；   测试仪器昂贵；   以国外发展商为直接竞争对手。民用雷达的应用环境恶劣：   户外雨、雾、盐雾、粉尘、油污；   低温-400C 高温 +700C；   强环境电磁干扰、声学干扰、雷电；   强烈振动（对车载应用）；   产品使用条件恶劣、无维护、安装人员无专业知识；   保证大量产品的可靠性更富挑战性。产品生产条件和价格要求：   基于国内民品可得到的器材

27、和工艺加工条件；   用民品误差等级器材满足高成品率、高可靠性；   低价格是民品生存发展的基本条件。2、管理和政策层面的困难和建议民用微波雷达和传感器这种层次的高科技产业常常出自某个或某些科技人员的知识积累。一个有效的管理或政策支持模式能够大大激发科技人员的创造热情，并为国家节省大量的研究发展资金。相当多的高科技发展不能靠堆人来解决，也不能靠人为扶持所谓“精英”来解决。国家使用这些政策已多年了，但自主创造的创业仍然很少。报告人认为，要让科技创业形成大气候，国家政策的原则应该是鼓励每个科技人员，创造公平的发展环境。对提出发展项目的个人或团队，建议可以按“

28、有限支持和责任签约”方式进行管理。沿着这个思路，有可能给许多创业者提供机会。我们在发展高科技民营企业过程中非常无奈地发现，政府已出台的支持政策只适合于已经成功进入市场的企业；在未成功到一定规模之前，难以得到支持。这种“锦上添花”的事，无疑会挫伤高科技创业者对政府的信任感。高科技民营企业在创业之初会同样会遇到一般中小企业会遇到的困难，如注册手续烦杂。多数科技人员缺乏资金积累，同时缺乏社会经验及法律知识，与投资人合作，上当者不是个例。这些方面无疑期待得到政策和法律上的帮助。我国专利评审、质量管理行政审批等非常不适应高科技创业的需要，在实际上已经成为障碍。建议专利和质量管理部门引入利益无关专家质询机

29、制，来提升高技术评审的准确性，避免以行政代技术专业，或不作为拖沓的现象发生。六、结论民用微波雷达和传感器是一个新兴的高科技产业，技术层次高，见效快，产出投入比很高，能够创造大量的就业机会。该产业的产业链巨大，影响面宽，市场包括：交通安全和安全管理（陆、海、空）；公共安全管理；环境监测；自然灾害监测；工业工程；微波通信等等。该产业的市场规模巨大，仅国内年度市场份额可达数百亿以上。同时，有关领域的科学技术发展前景广阔，能够推动微波系统硬件技术的发展，促进通信等多领域发展；积累资金和提供需求牵引，推动微波理论和技术、雷达理论和技术、传感器技术的进步。本报告从民用微波雷达和传感器产业化问题出发，对高科

30、技产业化进行了一般性讨论，提出了一些需要了解的困难和建议。希望起到抛砖引玉的作用，欢迎有兴趣的科技人员和管理者参与到讨论中，共同推动高科技产业化的进步。返回锚点 【讨论】李致洁：汽车防撞雷达探测距离150米，这150米中间有很多车辆等东西，都会反射回来雷达信号，雷达是不是就总是报警了？邹谋炎：汽车防撞雷达要解决多种目标问题，什么时候报警是可以设定的，150米是高速公路用的。功能转换是用软件控制的。白有天：城市里用探测距离12米的，和高速公路用的有点区别。邹谋炎：做雷达和怎么使用雷达是两个事。不用担心市场，不但已经落实了，而且市场是在期待产品的。白有天：不能走光伏产业的路设备、技术、原料都是进口的，做出来产品还要卖给欧美，人家还惩罚你！钮德禄：芯片是国外还是国内的？邹谋炎：是国外进口的芯片。钮德禄：高端技术科学应该做。我们国内在技术上非常保守，保密的很多是根本不需要的东西，不该保密的要解密。郭开周：我很关心芯片问题，芯片不是简单的东西，“线”的理论不成了，要用“场”的理论。工艺常常使得结果与设计产生很大的误差，所以基础研