毫米波傳感器: 簡(jiǎn)介、集成與實(shí)現

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毫米的對應波長(cháng)之間。這些傳感器的名稱(chēng)及命名方式取決于它們使用的波長(cháng)。由于毫米波傳感器的工作頻率，有時(shí)它也是無(wú)線(xiàn)電探測和測距（雷達）的代名詞。

過(guò)去幾年，隨著(zhù)自動(dòng)駕駛汽車(chē)、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和測距系統中的行業(yè)的蓬勃發(fā)展，毫米波傳感器在設備中的應用急劇增加。隨著(zhù)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)趨勢中都發(fā)揮著(zhù)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計應用的特點(diǎn)，以及毫米波傳感器的相對優(yōu)缺點(diǎn)。在充分了解的環(huán)境中正確使用設計精良的設備，可以實(shí)現可擴展、低成本且高效率的系統。

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)是光探測和測距（lidar）傳感器，常被拿來(lái)與毫米波傳感器進(jìn)行比較，其應用也出現了驚人的增長(cháng)。這兩者在功能和一般用途上有所重疊，因此對于判定要使用哪種類(lèi)型的傳感器，具體的比較很重要。例如，對于在足夠大的范圍內檢測異物碎片 (FOD) 而言，lidar點(diǎn)云可能會(huì )因為lidar點(diǎn)之間的相對間距而遺漏部分細小的物體，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。 

表2：毫米波傳感器與lidar的優(yōu)勢。（圖源：作者）

組件

毫米波傳感器由三大子組件構成：天線(xiàn)或輻射元件、發(fā)射器和接收器。這些子組件中的每一個(gè)都可以根據設計目標進(jìn)一步劃分。這三個(gè)子組件同等重要，且需要深厚的專(zhuān)業(yè)知識才能成功設計并集成到一個(gè)應用中。

天線(xiàn)陣列是提供角分辨率的輻射元件。天線(xiàn)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(xiàn)陣列的一個(gè)缺點(diǎn)是，必須為傳感器專(zhuān)門(mén)分配較大的面積，才能增加更多天線(xiàn)。

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(xiàn)回波的性能。例如，雷達的距離分辨率通過(guò)波形帶寬與發(fā)射器和接收器直接相關(guān)。發(fā)射器和接收器的設計（圖1）對于解決同相和正交不平衡至關(guān)重要，完善的設計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雜設計與集成的示意圖。（圖源：作者）

雷達距離方程簡(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）的性能。假設毫米波傳感器設計精良且模糊處理得當，那么相對最大探測范圍可表示為：

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為目標的RCS，L為系統中的其他損耗，k_B為玻爾茲曼常數，T_s為系統噪聲溫度，而B_n為噪聲帶寬。

關(guān)鍵參數

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

表3：毫米波傳感器的關(guān)鍵參數。

大多數情況下，僅提供收發(fā)器（即發(fā)射器和接收器），不含天線(xiàn)。除非毫米波傳感器具有集成的天線(xiàn)陣列，否則不含天線(xiàn)設計，需要稍后進(jìn)行設計和集成。通常這可能是更好的選擇，因為這樣工程師就可以指定設計參數，并根據具體應用來(lái)定制毫米波傳感器，而不必受可能不適用的性能值限制。

測量和跟蹤

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

1.     發(fā)射器發(fā)送信號，通常是線(xiàn)性調頻信號。

2.     接收器接收與發(fā)射信號混合的反射信號。

3.     信號通過(guò)帶通濾波器以去除偽影。

4.     ADC對信號進(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（例如，通過(guò)恒虛警率探測）。

10.  形成軌跡并識別物體（例如，通過(guò)m-of-n探測、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處理鏈。這些步驟顯示探測和追蹤物體的高級流程與順序。（圖源：作者）

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

表4：毫米波傳感器的基本方程式。（圖源：作者） 

B = 帶寬

F = 脈沖重復頻率

M = 快速時(shí)間樣本

N = 慢速時(shí)間樣本

D = 天線(xiàn)孔徑

集成與實(shí)現

尺寸、重量、功耗及成本

在與其他傳感器比較時(shí)，應考慮毫米波傳感器的尺寸和重量。就尺寸而言，天線(xiàn)通常是限制因素，因為可能需要很大的天線(xiàn)陣列才能滿(mǎn)足高性能應用對增益、旁瓣或角分辨率的要求。由于多個(gè)組件嚴重依賴(lài)相關(guān)的波長(cháng)，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用而異。針對汽車(chē)應用，美國聯(lián)邦通信委員會(huì )對毫米波傳感器的最大等效全向輻射功率 (55dBm) 設下了嚴格規定。在需要高功率的其他應用中，毫米波傳感器可按照需求彈性擴展。正如雷達距離方程式所表示的那樣，高功率通常意味著(zhù)高性能。隨著(zhù)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。對于特定的應用，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(hù)對傳感器的預期輸出。

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首，如熱噪聲和相位噪聲。熱噪聲是傳感器噪聲系數的主要影響因素。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 )導致產(chǎn)生邊帶或傳感器響應全面降級。如果相位噪聲問(wèn)題很?chē)乐?，目標可能?huì )被邊帶掩蓋，降低傳感器的旁瓣電平。

即便是設計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、多徑效應或干擾。

信號處理集成

將毫米波傳感器集成和設計到任何應用時(shí)都需要特別注意。毫米波傳感器輸出的數據量（數據立方體）可能非常大，具體取決于A(yíng)DC樣本和IF帶寬。為了妥善操作和處理數據，工程師必須設計合適的信號處理鏈。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)需要適當的計算資源。這些計算資源可能包括現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA)。如果信號處理時(shí)序符合延遲要求，圖形處理單元 (GPU) 也可以成為替代計算資源。（由于延遲以及數字信號處理鏈并行化的方式等因素，與FPGA相比，GPU在追蹤應用中可能會(huì )遇到嚴重的障礙。）

與毫米波傳感器的通信一般通過(guò)提供SPI、I2C、調試UART和其他接口的微控制器來(lái)實(shí)現。集成的DSP模塊負責前端配置、控制和校準。通常情況下，波形設計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斟酌。運作模式需要通過(guò)DSP模塊和微控制器來(lái)定義，以影響傳感器的性能。

機械集成

在毫米波傳感器的機械集成過(guò)程中，工程師應注意天線(xiàn)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)多徑效應和虛假航跡。外部和內部校準可以消除和抑制傳感器可能出現的偽影。

應用

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

工業(yè)應用案例

毫米波傳感器在各種工業(yè)任務(wù)中發(fā)揮著(zhù)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(xiàn)的庫存。重要的是，毫米波傳感器在工作頻率范圍內可通過(guò)相對反射穿透細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；以低可靠性執行諸如FOD探測之類(lèi)的任務(wù)可能會(huì )產(chǎn)生不利影響。

機器人/汽車(chē)應用案例

在汽車(chē)領(lǐng)域，毫米波傳感器對于實(shí)現車(chē)輛4級自動(dòng)駕駛起著(zhù)不可或缺的作用。毫米波傳感器在汽車(chē)行業(yè)的應用包括物體探測、追蹤和特征描述。毫米波傳感器在汽車(chē)自動(dòng)駕駛領(lǐng)域舉足輕重，因為它們需要在不同類(lèi)型的天氣下保持性能穩定，能夠根據具體應用進(jìn)行擴展，并且傳感器本身也需要具備高可靠性。

特殊應用案例

本文許多讀者都接觸過(guò)機場(chǎng)掃描儀中的毫米波傳感器，它們在世界各地都發(fā)揮著(zhù)重要作用。通過(guò)在機場(chǎng)使用毫米波傳感器，安全團隊可以識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(xiàn)系統。

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

結語(yǔ)

毫米波傳感器以成熟而豐富的技術(shù)作為基礎；在充分了解的環(huán)境中，設計精良的設備可以實(shí)現可擴展、低成本且高效率的系統。 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