:::

聯盟成果

:::

臺灣電磁產學聯盟2013年第二次研發季報-新興雷達感測技術與產業應用

活動成果
張貼人:網站管理員公告日期:2013-07-23
 
      近年來隨著半導體製程與各種無線服務的興起,原用於軍事國防的雷達感測技術逐漸普及於一般民生用途,而使其重要性與日俱增。本次季報由台灣電磁產學聯盟、台大電信所及台大電信研究中心合力主辦,廣邀各界人士前來參加,與會人數超過百人,反應踴躍。聯盟有幸邀請到產官學的幾位專家進行五場專題演講,範圍包含各種應用如安全監控、工廠作業控制與自動化、國土安全、車用電子、生理感測、智慧家電等,自發展背景、技術瓶頸、產業價值及未來應用上進行詳細的介紹。並有一場專題座談會,提供與會專家與現場貴賓進行意見上的交流與討論。由於雷達系統與射頻元件研發、系統整合、數位訊號處理等技術息息相關,可帶動龐大的相關產業應用。此次研發季報提供豐富的資訊,期能對台灣科技業產業升級有作助益,並提升國家競爭力。

引言-台灣大學吳瑞北教授
       本場活動由台灣大學吳瑞北教授揭開序幕。相較於一年多前車用電子會議迄今,可發現產官學研各界人士相繼投入發展各種先進雷達技術。除了汽車產業外,雷達技術在醫療監控方面亦有所貢獻,故委由中山大學洪子聖教授籌劃本季報進行相關議題探討。在雷達方面的應用包括交通、監控與醫療等產業,雷達系統的發展已開始普及於民間應用,在結合各種技術之後,可進一步的改善我們的生活品質並促進產業發展。

專題演講
雷達在安全監控產業方面之應用--中山科學研究院楊培基 博士

       相較於超音波、影像、紅外線、雷射等感測機制,雷達技術偵測性能穩定,不受灰塵、天候、目標物類型等因素影響,在大感測範圍下具有自動偵測/ 追蹤以及高量測精度等優點。隨著科技的發展,雷達技術逐漸克服價格、尺寸與輻射功率的限制而普及於交通產業、安全監控、醫療器材、遙感救災等民間應用上。而由於雷達偵測範圍是與發射平均功率相關,使得不需要高峰值發射功率之頻率調制連續波雷達逐漸受到矚目。

      在新一代安全監控系統上,由於雷達技術可以得到較完整之目標資訊(物體大小、距離、移動軌跡、速度),在結合光學感測器之目標辨識能力後,可針對環境中的威脅做出即時且適當的反應措施。安全防護雷達主要以同調式都卜勒雷達來偵測違法侵入的人車等物體,而技術上的挑戰來自於環境中微小目標的偵測以及背景雜波,因此需提高雷達的同調性。在演講中,楊博士並分別針對長、中、短距離等不同環境及各種客製化系統的雷達設計、價格、性能進行介紹。在產業發展上,目前的市場需求穩定成長,若能克服價格與誤報率之後,市場規模則可望有爆炸性的擴增。

Emerging Development of Radar Technology on Process Surveillance and Applications -- 桓達科技 鄭兆凱 博士
      在2013 年,麥肯錫公司預測了在2015 年最具潛力的十五項科技,其中關於移動式網際網路、物體間網際網路(物聯網),自主/ 半自主交通科技、石油與天然氣探勘等四項皆是雷達科技的應用範圍。鄭博士以廣泛應用於倉儲管理的物位計為例,該產品的性能主要著重於準確率、可靠度與耐久度。該產品須投入大量經費通過各種認證、低功耗研發與耐久度測試,但產品生命週期普遍較長(一般超過十年),利潤亦較一般消費性電子產品為高。目前在實際應用上仍遭遇到各種不同的挑戰,例如劇烈溫度、濕度、壓力變化下的性能穩定性,又如不同被測物之間,隨著介電係數變化而須進行客製化設計。

      由於雷達系統具有大範圍的感測能力,因此如何進行程序控制與資料傳送則是另一關鍵問題。該公司通過Wireless Hart 認證,不僅具有無線傳輸的便利性,並可維持有線傳輸的高品質。演講中並以QAZ01 Zigbee 射頻模組為例,介紹其抗干擾與靈敏度等特性。

      具測距能力的雷達架構主要可以分為脈衝雷達(Pulse Radar) 與頻率調制連續波雷達(FMCW Radar),鄭博士分別介紹了各種調變與解調方法。而桓達科技基於功率消耗與性能考量,選擇以FMCW 為核心技術,在架構上可以有效避免雜訊干擾,並將產品線應用於國土安全檢測、造紙、水泥、食品、鋼鐵等各項產業之中。

次世代矽基毫米波雷達技術 -- 交通大學 鍾世忠 教授
      依據報導指出,在2001 年時,全球大多數國家汽車銷售量皆為正成長。而2001 到2010年間, 新興國家車輛市佔率由24.1% 上升到52.4%,成長幅度驚人。即令是金融海嘯期間,新興國家仍有7% 以上的成長率。而在2005 到2011年中,車用安全系統的年成長率達到8.45%。由於毫米波雷達對環境的適應性最佳,超過半數的主要車廠採用77 GHz 雷達系統,在歐洲的銷售量超過60%。2014 年歐洲撞擊測試規格規定:在撞擊前車輛停止可獲得五顆星評等。此規定使防撞雷達需求持續升溫。其中,又以適應性巡航控制系統(Adaptive Cruise Control, ACC)與智慧型停走系統(Stop & Go)最為著名,兩者的銷售量與成長率表現皆十分亮眼。

       在鍾教授的前期研究成果中,包括各種毫米波天線:摺疊反射面天線、透鏡天線、應用羅曼透鏡之天線陣列等;利用二維快速傅立葉轉換(2D-FFT)運算FMCW 雷達訊號,可由頻譜中同時得知待測物之速度與距離;並完成多種操作於24 GHz 頻段之盲點警示與前視警示雷達。未來則將著眼於77 GHz 長/ 短距雙模雷達系統,其技術突破點有三。一、整合長/ 短距天線於單一基板上面,且設計低損耗之多通道饋入網路搭配高解析度方位角判別演算法以達到前車位置偵測之高精確性。二、利用CMOS製程開發出單晶片多通道之射頻晶片,並設計低損耗高效能轉接之構裝,以提升系統效能。三、發展一高效率、低複雜度之FMCW 演算法,以正確得到待測物體之距離,速度和角度等資訊;並研發多物體之目標物追蹤與雜波消除演算法以降低誤判率;利用DSP 可程式化之特性設計自我診斷系統,避免任一元件損壞造成系統無法正常運作。

       在發展上,台灣可將本身高品質與技術之產業基礎轉化形成完整供應鏈。而相關的技術研發更可運用到次世代產業,如寬頻通訊、無線檢測、高速醫學影像傳輸等,對國內產業進一步升級,並進入毫米波產業領域有高度前景及效應。


非接觸雷達技術之生理感測應用-- 工業技術研究院 林宏墩 博士
       根據統計,台灣超過四成的45 歲以上成年人有高血壓現象,並至少有600 萬人有睡眠障礙。呼吸與心跳訊號為最基礎之生命跡象,而傳統方法以接觸式感測為主,具有容易引發皮膚過敏反應、缺乏機動性與整合性、操作不便等問題。在2000 年時,工研院與俄羅斯航空大學合作開發超寬頻雷達感測技術,藉由比較發射與反射脈衝訊號的時間間距變動,可長期且密集偵測受測者生理訊號,對於臨床醫學與居家照護來說有莫大的應用潛力。工研院曾將雷達感測技術應用於文創與醫療上,並分別在2010 台北國際花卉博覽會夢想館與2012 台北醫療展中展出實際成果。

       目前工研院量測中心以自有經費投入研發之低功耗雷達在配合微型化設計與可橈式感測模組之後,其面積為25 × 23 mm2,整合無線傳輸功能與可攜式裝置(智慧型手機、平板電腦與筆記型電腦裝置)可應用於車駕疲勞警示、多生理參數整合技術、情緒指標量測、生理感測與情緒分析、失能老人生理照護系統上,其範圍遠大於傳統生理感測器。林博士並以實際操作影片展示其多方面的研究成果。

具備無線心肺訊號檢測、定位、通訊功能之配戴式雷達 -- 中正大學電機系張盛富 教授
       張教授所研發之配戴式雷達E-Nurse Card,大小為8.4 × 5.9 cm2,可放置於胸前口袋中以克服感測期間受測者隨機身體移動干擾的問題。該架構採用都卜勒雷達與WLAN 分時多工機制,可實現非侵入式心肺訊號檢測、人員定位與即時傳輸受測者生理及定位資訊之通訊功能。在生理訊號感測方面,使用一種動態直流抵銷機制,以避免環境中的雜波訊號使後端電路飽和而造成錯誤感測結果。在靜止、運動、前後、左右擺動四種狀態下量測生理訊號,量測與實際值間具有良好的一致性。在無線室內定位方面則是採用抵達角度(Angle of Arrival, AOA) 機制,E-Nurse Card 所發射的訊號,將由環境中的接收機所接收,該接收機配有可掃描波束位置的天線陣列,藉由兩組波束角度的交叉點即可得知受測者的位置。實驗情況有二:在6.46 × 6.78 m2 的空曠空間內同時定位35 組位置;與在11.36 × 6.75 m2 的教室內同時定位40組位置,環境中並有多張桌椅造成額外的回波訊號,定位誤差約為0.35 m。由於該裝置具有高機動性,張教授並展示與手機結合的應用,不僅可以感測室內不同受測者的生理與定位資訊,也可在室外時配合GPS 功能進行定位。

Panel Discussion:
先進雷達感測器之發展與挑戰 -- 從系統整合到產業創新應用

主持人: 中山大學電機系洪子聖 教授
與談貴賓:(按姓氏筆畫排序)
• 工研院量測中心林宏墩 經理
• 中科院電子所楊培基 研究員
• 國研院儀科中心廖泰杉 副組長
• 桓達科技鄭兆凱 副總
• 交通大學電機系鍾世忠 教授


       在經過前面五場專題演講的報告後,在座談會上則是以問答的形式進行意見交流,其討論內容摘錄於下:

一、依據台灣現有產業基礎,台灣近期內最有發展「錢途」之民用雷達產品是什麼?
       凡是與人類生命相關的產業最為重要,而經過破壞性創新的產業應用後,其收益十分驚人。雷達技術在民間以生理感測與車用電子為大宗,又因為防撞標準與無人駕駛技術的需求而使雷達技術的發展備受矚目。此外,在國土檢測與防災系統的建置上,雷達科技因為具有全天候量測的特性而無可取代,台灣目前多半使用國外製造之雷達防災系統,但由於應用環境不同,出於儀器本土化之目的,應由國內廠商進行設計與製造,以配合國內地理環境特殊性。

二、對開發民用雷達產品,採用FMCW 及Pulse 技術之優劣比較與發展前景?

       早期Pulse 雷達由於中頻訊號處理方法可與超音波技術通用,而具有成本上的優勢。然而隨著半導體製程與數位訊號處理能力的進步,兩者成本無顯著差異。而由於FMCW 雷達容易達成低功耗、高解析度、低盲距等目標,在數百公尺以下的民用市場較受歡迎,若能滿足法規上的發射功率限制,則有更大的應用空間。

三、雷達技術的踏入門檻高,生命週期長,如何建議台灣產業進入?
       雷達系統牽涉到的技術種類既廣且深,在應用面上也有許多客製化的設計需要長時間經營,並且需要投入大量資金進行法規上的認證。然而正因為如此,競爭廠商不多,並容易帶來較高的利潤。洪教授並補充,無線通訊系統的複雜度更高,雷達系統的相關技術與標準認證十分值得台灣廠商投入,以進行產業升級。

四、醫療與車用電子的正確率造成責任歸屬問題?
      目前產品的說明書上皆會列出規格,以提供輔助與警示。任何單一技術都有其瓶頸與限制,妥善的使用方能達到最大的功效。而關於正確率方面,考量未來將應用於自動化駕駛,因此相關技術仍須提升以確保生命安全。

五、民用雷達產品規格有哪些標準?台灣該如何參與制定相關標準?
       以雷達液位計為例,認證每年的維護經費高達五十萬,因此在本質安全上的認證往往優先於開發設計,此外認證的審核時間多半與公司的規模有關,當市場產品線齊全時,便具有制定相關標準的實力。目前各國皆致力於自身標準的建立,台灣應加緊腳步以促進產業發展。而除了一般民用標準外,尚需配合國家對於無線產品頻率、功率與頻寬的限制以符合國家安全。

六、政府目前推動防災國家型計畫有哪些國土安全監控任務會用到雷達系統?產學研界該如何整合推動相關技術?
       台灣的地貌環境極為複雜,且季節降雨量落差大,必須要針對此特性進行客製化演算法設計,以監測水庫、土石流、地下水位等國土安全。由於超音波雷達容易受限於天候,因此未來主要以雷達科技為主,大型氣象雷達、雷達波雨量量測計、液位計、微波影像等科技都亟需發展。目前,日本與泰國等地皆有類似水文觀測的需求,此技術也可應用在極地氣候觀測上,前景可期。國內產業可藉由國科會產學合作計畫、科專計畫與院部專案進行合作與技術研發。

 
 
最後修改時間:2013-07-23 PM 11:33

cron web_use_log