毫米波傳感器: 簡介、集成與實現(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毫米的對應波長之間。這些傳感器的名稱及命名方式取決于它們使用的波長。由于毫米波傳感器的工作頻率，有時它也是無線電探測和測距（雷達）的代名詞。

過去幾年，隨著自動駕駛汽車、物聯(lián)網 (IoT)、智能建筑和工業(yè)自動化等常將毫米波傳感器集成到物體探測和測距系統(tǒng)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。隨著使用量的增加，毫米波傳感器的成本已逐漸下降，推動了進一步的開發(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，在多種技術趨勢中都發(fā)揮著關鍵作用。

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，以及毫米波傳感器的相對優(yōu)缺點。在充分了解的環(huán)境中正確使用設計精良的設備，可以實現(xiàn)可擴展、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，以及如何為各種應用開發(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，通過發(fā)射能量來感知周邊環(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。但是，高頻率也會帶來成本高、惡劣氣象條件下衰減快和散射度較高等缺點。表1列出了毫米波傳感器的一些常見優(yōu)缺點。 

表1：毫米波傳感器與低頻傳感器的優(yōu)缺點。（圖源：作者） 

光學飛行時間 (ToF) 傳感器，更具體地說是光探測和測距（lidar）傳感器，常被拿來與毫米波傳感器進行比較，其應用也出現(xiàn)了驚人的增長。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點云可能會因為lidar點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：天線或輻射元件、發(fā)射器和接收器。這些子組件中的每一個都可以根據設計目標進一步劃分。這三個子組件同等重要，且需要深厚的專業(yè)知識才能成功設計并集成到一個應用中。

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。天線陣列的一個缺點是，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，雷達的距離分辨率通過波形帶寬與發(fā)射器和接收器直接相關。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）

雷達距離方程簡要描述了這三個子組件如何協(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(tǒng)中的其他損耗，k_B為玻爾茲曼常數，T_s為系統(tǒng)噪聲溫度，而B_n為噪聲帶寬。

關鍵參數

在討論毫米波傳感器時，需要考慮幾個關鍵參數。表3列出了基本參數清單：

表3：毫米波傳感器的關鍵參數。

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。除非毫米波傳感器具有集成的天線陣列，否則不含天線設計，需要稍后進行設計和集成。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.     信號通過帶通濾波器以去除偽影。

4.     ADC對信號進行采樣。

5.     進行脈沖壓縮。

6.     進行范圍處理。

7.     進行多普勒處理。

8.     進行角度處理。

9.     形成探測（例如，通過恒虛警率探測）。

10.  形成軌跡并識別物體（例如，通過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 = 快速時間樣本

N = 慢速時間樣本

D = 天線孔徑

集成與實現(xiàn)

尺寸、重量、功耗及成本

在與其他傳感器比較時，應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，因為可能需要很大的天線陣列才能滿足高性能應用對增益、旁瓣或角分辨率的要求。由于多個組件嚴重依賴相關的波長，因此毫米波傳感器的尺寸在未來不太可能改變。

毫米波傳感器的功耗隨應用而異。針對汽車應用，美國聯(lián)邦通信委員會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(guī)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、尺寸和重量也會提高。

正如前面所說，毫米波傳感器的成本在過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，如果產生發(fā)射波的時鐘的振蕩器不完美或有噪聲，毫米波傳感器還會產生相位噪聲。相位噪聲會導致產生邊帶或傳感器響應全面降級。如果相位噪聲問題很嚴重，目標可能會被邊帶掩蓋，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ADC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；因此在集成時需要適當的計算資源。這些計算資源可能包括現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)。如果信號處理時序符合延遲要求，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遇到嚴重的障礙。）

與毫米波傳感器的通信一般通過提供SPI、I2C、調試UART和其他接口的微控制器來實現(xiàn)。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DSP模塊和微控制器來定義，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程中，工程師應注意天線前方的雜波，并為傳感器的參照系正確定向。不正確的定向會降低性能，產生不必要的偽影，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(xiàn)的偽影。

應用

從功能上來說，毫米波傳感器分為三大類：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、汽車和其他產業(yè)。

工業(yè)應用案例

毫米波傳感器在各種工業(yè)任務中發(fā)揮著重要作用，例如描述物體的缺陷特征、保證質量和追蹤生產線的庫存。重要的是，毫米波傳感器在工作頻率范圍內可通過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，信任毫米波傳感器的可靠性和性能至關重要；以低可靠性執(zhí)行諸如FOD探測之類的任務可能會產生不利影響。

機器人/汽車應用案例

在汽車領域，毫米波傳感器對于實現(xiàn)車輛4級自動駕駛起著不可或缺的作用。毫米波傳感器在汽車行業(yè)的應用包括物體探測、追蹤和特征描述。毫米波傳感器在汽車自動駕駛領域舉足輕重，因為它們需要在不同類型的天氣下保持性能穩(wěn)定，能夠根據具體應用進行擴展，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機場掃描儀中的毫米波傳感器，它們在世界各地都發(fā)揮著重要作用。通過在機場使用毫米波傳感器，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展到人體追蹤和探測，使系統(tǒng)能夠探測心跳并追蹤障礙物后面的人。

結語

毫米波傳感器以成熟而豐富的技術作為基礎；在充分了解的環(huán)境中，設計精良的設備可以實現(xiàn)可擴展、低成本且高效率的系統(tǒng)。 本文簡單介紹了毫米波傳感器以及集成它們時需要考量的一些因素。

作者簡介