毫米波傳感器: 簡(jiǎn)介、集成與實(shí)現(xiàn)

毫米波 (mmWave) 傳感器使用電磁頻譜中的特定頻段：30GHz至300GHz的頻率之間，或10毫米至1毫米的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)之間。這些傳感器的名稱及命名方式取決于它們使用的波長(zhǎng)。由于毫米波傳感器的工作頻率，有時(shí)它也是無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距（雷達(dá)）的代名詞。

過(guò)去幾年，隨著自動(dòng)駕駛汽車、物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、智能建筑和工業(yè)自動(dòng)化等常將毫米波傳感器集成到物體探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)中的行業(yè)的蓬勃發(fā)展，毫米波傳感器在設(shè)備中的應(yīng)用急劇增加。隨著使用量的增加，毫米波傳感器的成本已逐漸下降，推動(dòng)了進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。就性能而言，毫米波傳感器功能多元又極具成本效益，在多種技術(shù)趨勢(shì)中都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

要充分利用毫米波傳感器，工程師需要深入了解所設(shè)計(jì)應(yīng)用的特點(diǎn)，以及毫米波傳感器的相對(duì)優(yōu)缺點(diǎn)。在充分了解的環(huán)境中正確使用設(shè)計(jì)精良的設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展、低成本且高效率的系統(tǒng)。

以下概述將有助于理解毫米波傳感器的工作原理，以及如何為各種應(yīng)用開(kāi)發(fā)毫米波傳感器。

概述

幾乎在所有情況下，毫米波傳感器都是作為有源傳感器，通過(guò)發(fā)射能量來(lái)感知周邊環(huán)境。由于毫米波傳感器的極高頻 (EHF) 范圍，因此具有元器件尺寸較小、分辨率較高且更精準(zhǔn)等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是，高頻率也會(huì)帶來(lái)成本高、惡劣氣象條件下衰減快和散射度較高等缺點(diǎn)。表1列出了毫米波傳感器的一些常見(jiàn)優(yōu)缺點(diǎn)。 

表1：毫米波傳感器與低頻傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。（圖源：作者） 

光學(xué)飛行時(shí)間 (ToF) 傳感器，更具體地說(shuō)是光探測(cè)和測(cè)距（lidar）傳感器，常被拿來(lái)與毫米波傳感器進(jìn)行比較，其應(yīng)用也出現(xiàn)了驚人的增長(zhǎng)。這兩者在功能和一般用途上有所重疊，因此對(duì)于判定要使用哪種類型的傳感器，具體的比較很重要。例如，對(duì)于在足夠大的范圍內(nèi)檢測(cè)異物碎片 (FOD) 而言，lidar點(diǎn)云可能會(huì)因?yàn)閘idar點(diǎn)之間的相對(duì)間距而遺漏部分細(xì)小的物體，因此使用毫米波傳感器可能比使用lidar更合理。表2列出了毫米波傳感器與lidar各自的優(yōu)勢(shì)。 

表2：毫米波傳感器與lidar的優(yōu)勢(shì)。（圖源：作者）

組件

毫米波傳感器由三大子組件構(gòu)成：天線或輻射元件、發(fā)射器和接收器。這些子組件中的每一個(gè)都可以根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)一步劃分。這三個(gè)子組件同等重要，且需要深厚的專業(yè)知識(shí)才能成功設(shè)計(jì)并集成到一個(gè)應(yīng)用中。

天線陣列是提供角分辨率的輻射元件。天線陣列還能讓傳感器控制波束、消除干擾源，并改善傳感器的波束方向圖。天線陣列的一個(gè)缺點(diǎn)是，必須為傳感器專門分配較大的面積，才能增加更多天線。

毫米波傳感器的發(fā)射器和接收器決定了傳感器的波形以及傳感器處理天線回波的性能。例如，雷達(dá)的距離分辨率通過(guò)波形帶寬與發(fā)射器和接收器直接相關(guān)。發(fā)射器和接收器的設(shè)計(jì)（圖1）對(duì)于解決同相和正交不平衡至關(guān)重要，完善的設(shè)計(jì)有助于毫米波傳感器突破性能限制。

圖1：展示毫米波傳感器子組件的復(fù)雜設(shè)計(jì)與集成的示意圖。（圖源：作者）

雷達(dá)距離方程簡(jiǎn)要描述了這三個(gè)子組件如何協(xié)作并影響毫米波傳感器（雷達(dá)）的性能。假設(shè)毫米波傳感器設(shè)計(jì)精良且模糊處理得當(dāng)，那么相對(duì)最大探測(cè)范圍可表示為：

λσπR=4P_tG_pG_tG_Rλ2σL(4π)3P_Rk_BT_sB_n

其中，P_t為發(fā)射功率，G_P為處理增益，G_t為發(fā)射增益，G_R為接收增益，P_R為接收功率，σ為目標(biāo)的RCS，L為系統(tǒng)中的其他損耗，k_B為玻爾茲曼常數(shù)，T_s為系統(tǒng)噪聲溫度，而B_n為噪聲帶寬。

關(guān)鍵參數(shù)

在討論毫米波傳感器時(shí)，需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。表3列出了基本參數(shù)清單：

表3：毫米波傳感器的關(guān)鍵參數(shù)。

大多數(shù)情況下，僅提供收發(fā)器（即發(fā)射器和接收器），不含天線。除非毫米波傳感器具有集成的天線陣列，否則不含天線設(shè)計(jì)，需要稍后進(jìn)行設(shè)計(jì)和集成。通常這可能是更好的選擇，因?yàn)檫@樣工程師就可以指定設(shè)計(jì)參數(shù)，并根據(jù)具體應(yīng)用來(lái)定制毫米波傳感器，而不必受可能不適用的性能值限制。

測(cè)量和跟蹤

有了雷達(dá)距離方程之后，下面簡(jiǎn)要概述一下毫米波傳感器探測(cè)物體的步驟：

1.     發(fā)射器發(fā)送信號(hào)，通常是線性調(diào)頻信號(hào)。

2.     接收器接收與發(fā)射信號(hào)混合的反射信號(hào)。

3.     信號(hào)通過(guò)帶通濾波器以去除偽影。

4.     ADC對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。

5.     進(jìn)行脈沖壓縮。

6.     進(jìn)行范圍處理。

7.     進(jìn)行多普勒處理。

8.     進(jìn)行角度處理。

9.     形成探測(cè)（例如，通過(guò)恒虛警率探測(cè)）。

10.  形成軌跡并識(shí)別物體（例如，通過(guò)m-of-n探測(cè)、恒定加速度卡爾曼濾波器）（圖2）。

圖2：此示意圖顯示毫米波傳感器的信號(hào)處理鏈。這些步驟顯示探測(cè)和追蹤物體的高級(jí)流程與順序。（圖源：作者）

在形成探測(cè)的過(guò)程中，距離分辨率、距離精準(zhǔn)度、多普勒分辨率、多普勒精準(zhǔn)度和角度估計(jì)精準(zhǔn)度都是關(guān)鍵指標(biāo)（表4）。

表4：毫米波傳感器的基本方程式。（圖源：作者） 

B = 帶寬

F = 脈沖重復(fù)頻率

M = 快速時(shí)間樣本

N = 慢速時(shí)間樣本

D = 天線孔徑

集成與實(shí)現(xiàn)

尺寸、重量、功耗及成本

在與其他傳感器比較時(shí)，應(yīng)考慮毫米波傳感器的尺寸和重量。就尺寸而言，天線通常是限制因素，因?yàn)榭赡苄枰艽蟮奶炀€陣列才能滿足高性能應(yīng)用對(duì)增益、旁瓣或角分辨率的要求。由于多個(gè)組件嚴(yán)重依賴相關(guān)的波長(zhǎng)，因此毫米波傳感器的尺寸在未來(lái)不太可能改變。

毫米波傳感器的功耗隨應(yīng)用而異。針對(duì)汽車應(yīng)用，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)對(duì)毫米波傳感器的最大等效全向輻射功率 (55dBm) 設(shè)下了嚴(yán)格規(guī)定。在需要高功率的其他應(yīng)用中，毫米波傳感器可按照需求彈性擴(kuò)展。正如雷達(dá)距離方程式所表示的那樣，高功率通常意味著高性能。隨著功耗（即發(fā)射功率）的提升，成本、尺寸和重量也會(huì)提高。

正如前面所說(shuō)，毫米波傳感器的成本在過(guò)去幾年有了大幅下降。對(duì)于特定的應(yīng)用，毫米波傳感器可能比其他替代品更劃算，但最終選擇哪種傳感器，還是取決于用戶對(duì)傳感器的預(yù)期輸出。

噪聲和偽影

降低毫米波傳感器性能的噪聲或偽影來(lái)源包括典型的罪魁禍?zhǔn)?，如熱噪聲和相位噪聲。熱噪聲是傳感器噪聲系?shù)的主要影響因素。另一方面，如果產(chǎn)生發(fā)射波的時(shí)鐘的振蕩器不完美或有噪聲，毫米波傳感器還會(huì)產(chǎn)生相位噪聲。相位噪聲會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生邊帶或傳感器響應(yīng)全面降級(jí)。如果相位噪聲問(wèn)題很嚴(yán)重，目標(biāo)可能會(huì)被邊帶掩蓋，降低傳感器的旁瓣電平。

即便是設(shè)計(jì)精良的毫米波傳感器，工程師也必須考慮并減少其他噪聲或偽影的來(lái)源，如由其他毫米波傳感器引起的雜波、多徑效應(yīng)或干擾。

信號(hào)處理集成

將毫米波傳感器集成和設(shè)計(jì)到任何應(yīng)用時(shí)都需要特別注意。毫米波傳感器輸出的數(shù)據(jù)量（數(shù)據(jù)立方體）可能非常大，具體取決于ADC樣本和IF帶寬。為了妥善操作和處理數(shù)據(jù)，工程師必須設(shè)計(jì)合適的信號(hào)處理鏈。抑制偽影（例如雜波、干擾）和優(yōu)化追蹤性能是先決條件；因此在集成時(shí)需要適當(dāng)?shù)挠?jì)算資源。這些計(jì)算資源可能包括現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)。如果信號(hào)處理時(shí)序符合延遲要求，圖形處理單元 (GPU) 也可以成為替代計(jì)算資源。（由于延遲以及數(shù)字信號(hào)處理鏈并行化的方式等因素，與FPGA相比，GPU在追蹤應(yīng)用中可能會(huì)遇到嚴(yán)重的障礙。）

與毫米波傳感器的通信一般通過(guò)提供SPI、I2C、調(diào)試UART和其他接口的微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。集成的DSP模塊負(fù)責(zé)前端配置、控制和校準(zhǔn)。通常情況下，波形設(shè)計(jì)和波形控制需要妥善集成到毫米波傳感器中。某些情況下的時(shí)序考量以及波形使用方式必須仔細(xì)斟酌。運(yùn)作模式需要通過(guò)DSP模塊和微控制器來(lái)定義，以影響傳感器的性能。

機(jī)械集成

在毫米波傳感器的機(jī)械集成過(guò)程中，工程師應(yīng)注意天線前方的雜波，并為傳感器的參照系正確定向。不正確的定向會(huì)降低性能，產(chǎn)生不必要的偽影，并可能引發(fā)多徑效應(yīng)和虛假航跡。外部和內(nèi)部校準(zhǔn)可以消除和抑制傳感器可能出現(xiàn)的偽影。

應(yīng)用

從功能上來(lái)說(shuō)，毫米波傳感器分為三大類：物體探測(cè)、特征描述和追蹤。毫米波傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)、機(jī)器人、汽車和其他產(chǎn)業(yè)。

工業(yè)應(yīng)用案例

毫米波傳感器在各種工業(yè)任務(wù)中發(fā)揮著重要作用，例如描述物體的缺陷特征、保證質(zhì)量和追蹤生產(chǎn)線的庫(kù)存。重要的是，毫米波傳感器在工作頻率范圍內(nèi)可通過(guò)相對(duì)反射穿透細(xì)薄材料并描述材料的特征。在工業(yè)垂直市場(chǎng)，信任毫米波傳感器的可靠性和性能至關(guān)重要；以低可靠性執(zhí)行諸如FOD探測(cè)之類的任務(wù)可能會(huì)產(chǎn)生不利影響。

機(jī)器人/汽車應(yīng)用案例

在汽車領(lǐng)域，毫米波傳感器對(duì)于實(shí)現(xiàn)車輛4級(jí)自動(dòng)駕駛起著不可或缺的作用。毫米波傳感器在汽車行業(yè)的應(yīng)用包括物體探測(cè)、追蹤和特征描述。毫米波傳感器在汽車自動(dòng)駕駛領(lǐng)域舉足輕重，因?yàn)樗鼈冃枰诓煌愋偷奶鞖庀卤３中阅芊€(wěn)定，能夠根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行擴(kuò)展，并且傳感器本身也需要具備高可靠性。

特殊應(yīng)用案例

本文許多讀者都接觸過(guò)機(jī)場(chǎng)掃描儀中的毫米波傳感器，它們?cè)谑澜绺鞯囟及l(fā)揮著重要作用。通過(guò)在機(jī)場(chǎng)使用毫米波傳感器，安全團(tuán)隊(duì)可以識(shí)別被衣物遮擋的物體，進(jìn)而避免侵入式的搜身流程。毫米波掃描儀還能代替反向散射X射線系統(tǒng)。

毫米波傳感器的使用還可以擴(kuò)展到人體追蹤和探測(cè)，使系統(tǒng)能夠探測(cè)心跳并追蹤障礙物后面的人。

結(jié)語(yǔ)

毫米波傳感器以成熟而豐富的技術(shù)作為基礎(chǔ)；在充分了解的環(huán)境中，設(shè)計(jì)精良的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展、低成本且高效率的系統(tǒng)。 本文簡(jiǎn)單介紹了毫米波傳感器以及集成它們時(shí)需要考量的一些因素。

作者簡(jiǎn)介