基于毫米波雷达的接近感应传感器模块设计

许 明，孙剑卿

（1.广州中雷电科科技有限公司，广东 广州 510000；2.中移物联网有限公司信息技术中心，四川 成都 610000）

0 引 言

随着技术的进步和发展，工业和消费领域的智能化是未来的发展趋势。智能化的关键在于感知和决策，而接近感应是感知技术中的重要分支，有非常多的场景化应用，例如智能路灯、手势控制以及自动门禁等[1-3]。传统的接近感应技术依赖于光学和声学，其中最主流的就是红外和超声波技术。其优点在于技术比较成熟，量产成本较低；缺点是测量精度较低，在精细测量场景容易误触发，此外抗干扰能力差，容易被灰尘、泥垢等遮挡。雷达发射和接收的是电磁波，具有稳定性高、穿透性好等优点，但由于成本过高一直没有大规模应用到消费场景。近年来，随着雷达技术的发展，小型化低成本雷达芯片的出现为接近感应带来了新的技术方案[4]。雷达除了可以测量接近物体的距离外，还可以测定其接近速度得到很高精度的信息，避免了误触发的可能，在精确测量和需要较高体验感的消费场景具备独特的优势。本文设计了一种基于毫米波雷达的接近感应模块，用于汽车尾箱感应开关（俗称“一脚踢”）领域。当双手抱负物体而无法用手开关汽车尾箱时，用脚踢或者脚扫的动作可以达到开关尾箱的目的。在该应用场景中，基于毫米波雷达的接近感应模块起到了感应脚踢动作并发出开箱指令的作用。

1 理论和设计

1.1 系统设计

本文设计的接近感应模块用于汽车尾箱感应开关，在此场景下传感器置于汽车尾箱下方，脚面到传感器距离很近，不宜用测距方式作为判断依据。在本设计中，采用脚踢运动的多普勒效应做接近判断。雷达以恒定频率发射电磁波，当碰到接近的物体时，电磁波的反射位置越来越接近，每个波峰到达的时间都比上个周期的波峰更短，接收回波频率升高，发射频率和接收回波频率之差即为多普勒频率，其近似计算公式为：

式中，Fm为多普勒频率，V为物体运动速度，F为发射信号频率，C为光速。因此，通过测量多普勒频率就可以测量物体的运动速度[5,6]。

1.2 天线设计

天线是雷达向外辐射和接收信号的通道，性能优良的天线对于雷达达到性能指标至关重要[7-10]。在本设计中，由于接近感应范围的宽度较宽、距离较近，因此天线的波束覆盖范围应该较宽，同时增益不宜过高，以免带来远距离动作的误触发。天线采用贴片天线设计，直接印刷在PCB表面，可兼顾性能和成本。根据贴片天线理论，天线增益与口径满足以下关系：

式中，G为增益，S为天线口径，λ为信号波长。

根据上式关系，选用串联馈电贴片阵列作为天线形式，利用电磁仿真软件HFSS对天线性能进行评估，天线的仿真模型如图1所示，其仿真结果如图2所示。

图1 天线仿真模型

图2 天线电磁仿真结果

从仿真结果可知，天线的方位波束3 dB宽度为80°，俯仰波束3 dB宽度为15°，增益为15 dB，可满足系统探测要求。

1.3 毫米波收发电路设计

毫米波收发电路的核心是K波段毫米波收发芯片，其采用单频连续波体制，内部包含功率放大器、混频器以及压控振荡器等，原理框图如图3所示。

图3 毫米波收发芯片原理框图

通过MCU的DA产生固定电平信号，控制毫米波收发芯片内部的压控振荡器产生24 GHz固定频率的微波信号,并通过发射端口馈入天线。回波信号经天线接收后进入毫米波收发芯片，并在内部混频得到中频信号，进入中频调理电路。中频调理电路包含高通滤波器、中频放大器、抗混叠滤波器，其组成框架如图4所示。

图4 中频调理电路框架

高通滤波器用于发射泄露带来的低频杂散；中频放大器提高回波信号水平，保证回波可以达到AD转换的功率水平；而抗混叠滤波器用于滤除高频杂散，避免采样混叠。信号经过中频调理电路后，进入MCU内置的AD转换电路。

1.4 数字处理及控制电路设计

模拟信号在MCU内置的AD转换电路变换为数字信号，采样率1 kHz，采样后对数字信号进行1 024点FFT。本文设计的雷达模块的MCU采用STM32F427芯片，其内部自带FFT计算需要的硬件加速器，可高效快速完成信号从时域到频域的转换。对于接近感应场景，回波信号FFT之后会出现单一谱峰，MCU检索回波信号FFT之后的频谱。当出现谱峰时，根据谱峰出现的位置可计算谱峰位置所代表的频率，计算公式为：

式中，F为谱峰位置的频率，K代表谱峰位置，fs表示采样率，N为采样点数。

本文设计的传感器模块主要用于脚踢接近场景，按照一般脚踢速度0.5～2 m/s计算，频谱峰值位置位于40～170区间内，实际检测时可以只检测频谱这一段区间，以提高检测效率。

MCU按照上述检测逻辑，以100 ms为周期重复检测频谱。传感器模块有一外部输入的使能信号，当MCU检测到当前使能信号为高且检测到回波频谱峰值后，输出一个触发信号驱动尾箱打开，若没有检测到回波频谱峰值或者使能信号为低时，MCU不输出触发信号，等待进入下一个检测周期。MCU的接近检测逻辑如图5所示。

图5 MCU接近检测逻辑

2 测试结果

本文设计的接近感应模块如图6所示。

图6 接近感应模块实物

实际测试中，为方便测试，以手掌接近的方式代替脚踢，测量感应模块的驱动输出信号。手掌从离雷达天线面50 cm处向雷达接近，最近距离约5 cm，运动路程大约45 cm，重复实验50次。当手掌接近时，感应模块驱动输出信号拉高；无手掌接近动作时，感应模块驱动输出信号为低电平。实验结果表明，该接近感应模块工作正常，50次测试的成功率为100%。

3 结 论

基于毫米波雷达的接近感应传感器模块内部包括毫米波天线、毫米波收发电路、数字处理及控制电路等，同时结合了相应的信号处理算法，产品集成度高、结构紧凑，可有效检测脚踢接近动作。此外，在人体接近、无人车避障领域，基于毫米波雷达的接近感应传感器也有广泛的应用。