基于毫米波雷達的接近感應傳感器模塊設計

許 明，孫劍卿

（1.廣州中雷電科科技有限公司，廣東 廣州 510000；2.中移物聯網有限公司信息技術中心，四川 成都 610000）

0 引 言

隨著技術的進步和發展，工業和消費領域的智能化是未來的發展趨勢。智能化的關鍵在于感知和決策，而接近感應是感知技術中的重要分支，有非常多的場景化應用，例如智能路燈、手勢控制以及自動門禁等[1-3]。傳統的接近感應技術依賴于光學和聲學，其中最主流的就是紅外和超聲波技術。其優點在于技術比較成熟，量產成本較低；缺點是測量精度較低，在精細測量場景容易誤觸發，此外抗干擾能力差，容易被灰塵、泥垢等遮擋。雷達發射和接收的是電磁波，具有穩定性高、穿透性好等優點，但由于成本過高一直沒有大規模應用到消費場景。近年來，隨著雷達技術的發展，小型化低成本雷達芯片的出現為接近感應帶來了新的技術方案[4]。雷達除了可以測量接近物體的距離外，還可以測定其接近速度得到很高精度的信息，避免了誤觸發的可能，在精確測量和需要較高體驗感的消費場景具備獨特的優勢。本文設計了一種基于毫米波雷達的接近感應模塊，用于汽車尾箱感應開關（俗稱“一腳踢”）領域。當雙手抱負物體而無法用手開關汽車尾箱時，用腳踢或者腳掃的動作可以達到開關尾箱的目的。在該應用場景中，基于毫米波雷達的接近感應模塊起到了感應腳踢動作并發出開箱指令的作用。

1 理論和設計

1.1 系統設計

本文設計的接近感應模塊用于汽車尾箱感應開關，在此場景下傳感器置于汽車尾箱下方，腳面到傳感器距離很近，不宜用測距方式作為判斷依據。在本設計中，采用腳踢運動的多普勒效應做接近判斷。雷達以恒定頻率發射電磁波，當碰到接近的物體時，電磁波的反射位置越來越接近，每個波峰到達的時間都比上個周期的波峰更短，接收回波頻率升高，發射頻率和接收回波頻率之差即為多普勒頻率，其近似計算公式為：

式中，Fm為多普勒頻率，V為物體運動速度，F為發射信號頻率，C為光速。因此，通過測量多普勒頻率就可以測量物體的運動速度[5,6]。

1.2 天線設計

天線是雷達向外輻射和接收信號的通道，性能優良的天線對于雷達達到性能指標至關重要[7-10]。在本設計中，由于接近感應范圍的寬度較寬、距離較近，因此天線的波束覆蓋范圍應該較寬，同時增益不宜過高，以免帶來遠距離動作的誤觸發。天線采用貼片天線設計，直接印刷在PCB表面，可兼顧性能和成本。根據貼片天線理論，天線增益與口徑滿足以下關系：

式中，G為增益，S為天線口徑，λ為信號波長。

根據上式關系，選用串聯饋電貼片陣列作為天線形式，利用電磁仿真軟件HFSS對天線性能進行評估，天線的仿真模型如圖1所示，其仿真結果如圖2所示。

圖1 天線仿真模型

圖2 天線電磁仿真結果

從仿真結果可知，天線的方位波束3 dB寬度為80°，俯仰波束3 dB寬度為15°，增益為15 dB，可滿足系統探測要求。

1.3 毫米波收發電路設計

毫米波收發電路的核心是K波段毫米波收發芯片，其采用單頻連續波體制，內部包含功率放大器、混頻器以及壓控振蕩器等，原理框圖如圖3所示。

圖3 毫米波收發芯片原理框圖

通過MCU的DA產生固定電平信號，控制毫米波收發芯片內部的壓控振蕩器產生24 GHz固定頻率的微波信號,并通過發射端口饋入天線。回波信號經天線接收后進入毫米波收發芯片，并在內部混頻得到中頻信號，進入中頻調理電路。中頻調理電路包含高通濾波器、中頻放大器、抗混疊濾波器，其組成框架如圖4所示。

圖4 中頻調理電路框架

高通濾波器用于發射泄露帶來的低頻雜散；中頻放大器提高回波信號水平，保證回波可以達到AD轉換的功率水平；而抗混疊濾波器用于濾除高頻雜散，避免采樣混疊。信號經過中頻調理電路后，進入MCU內置的AD轉換電路。

1.4 數字處理及控制電路設計

模擬信號在MCU內置的AD轉換電路變換為數字信號，采樣率1 kHz，采樣后對數字信號進行1 024點FFT。本文設計的雷達模塊的MCU采用STM32F427芯片，其內部自帶FFT計算需要的硬件加速器，可高效快速完成信號從時域到頻域的轉換。對于接近感應場景，回波信號FFT之后會出現單一譜峰，MCU檢索回波信號FFT之后的頻譜。當出現譜峰時，根據譜峰出現的位置可計算譜峰位置所代表的頻率，計算公式為：

式中，F為譜峰位置的頻率，K代表譜峰位置，fs表示采樣率，N為采樣點數。

本文設計的傳感器模塊主要用于腳踢接近場景，按照一般腳踢速度0.5～2 m/s計算，頻譜峰值位置位于40～170區間內，實際檢測時可以只檢測頻譜這一段區間，以提高檢測效率。

MCU按照上述檢測邏輯，以100 ms為周期重復檢測頻譜。傳感器模塊有一外部輸入的使能信號，當MCU檢測到當前使能信號為高且檢測到回波頻譜峰值后，輸出一個觸發信號驅動尾箱打開，若沒有檢測到回波頻譜峰值或者使能信號為低時，MCU不輸出觸發信號，等待進入下一個檢測周期。MCU的接近檢測邏輯如圖5所示。

圖5 MCU接近檢測邏輯

2 測試結果

本文設計的接近感應模塊如圖6所示。

圖6 接近感應模塊實物

實際測試中，為方便測試，以手掌接近的方式代替腳踢，測量感應模塊的驅動輸出信號。手掌從離雷達天線面50 cm處向雷達接近，最近距離約5 cm，運動路程大約45 cm，重復實驗50次。當手掌接近時，感應模塊驅動輸出信號拉高；無手掌接近動作時，感應模塊驅動輸出信號為低電平。實驗結果表明，該接近感應模塊工作正常，50次測試的成功率為100%。

3 結 論

基于毫米波雷達的接近感應傳感器模塊內部包括毫米波天線、毫米波收發電路、數字處理及控制電路等，同時結合了相應的信號處理算法，產品集成度高、結構緊湊，可有效檢測腳踢接近動作。此外，在人體接近、無人車避障領域，基于毫米波雷達的接近感應傳感器也有廣泛的應用。