雷达技术在感应开关中的应用

2021-12-15李国枭刘会泽胡文涛

日用电器 2021年11期

李国枭刘会泽胡文涛

（宁波公牛电器有限公司慈溪 315314）

引言

从20世纪初，雷达概念基本形成后的一百年内，相关技术迅速发展。早期只限于军用航空航海，时至今日已经在智能设备、自动驾驶汽车等领域大规模民用。频段方案也发展出：超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达、激光雷达等。

随着生活水平的不断提高，人们对智能家居的需求也日益增长。存在感应技术在酒店控制、工业照明、智能安防等应用场景有着巨大需求。早期的相关产品大多采用红外模块、声控模块和光敏电阻来实现。而得益于电子半导体技术的发展和相关元器件价格的降低，现阶段使用高频雷达实现这一功能的存在感应开关得以实现。

本文浅析一种雷达在存在感应开关中的应用方案，并通过实际测试验证各频段方案与感应开关应用场景的契合度。

1 频段方案

本次实验分析的频段方案，从低到高可分为：红外、多普勒（CW）微波、60 GHz毫米波、77～ 79 GHz毫米波。其中红外又分为（被动）PIR和主动PIR方案：多普勒（CW）微波分为24 GHz和5.8 GHz方案；60 GHz毫米波分为FMCW毫米波雷达和CW毫米波雷达。

1.1 方案选择

1.1.1 红外PIR

现有的产品低成本方案大多采用红外人体感应技术。使用菲涅尔镜片，增强对人体的红外辐射敏感度，同时抑制环境干扰影响。通过菲涅尔透镜的聚焦作用，红外信号将检测区内分为若干个明区和暗区；当人体经过检测区时产生变化热释红外信号，从而产生变化电信号（图1）。

图1 红外技术原理

此类技术相对成熟，价格低廉、功耗低（微安级功耗，适用于单火线开关），被动PIR不会发出任何类型的辐射，隐蔽性较好。但同时缺点也比较明显：

1）受热源干扰。

2）被动红外穿透力差。

3）易受射频辐射干扰。

4）环境温度和人体温度接近时，灵敏度低。

5）横向运动效果尚佳，径向运动检测能力较差。

6）需要在外面板安装涅菲尔透镜。

综上各种缺陷，很多场景已经不能完全满足用户需求。

1.1.2 多普勒雷达

多普勒雷达是一种较成熟的脉冲雷达（图2）。相比红外PIR方案，多普勒雷达解决了热源干扰的问题，检测灵敏度也不受温度影响。微波信号可以穿透玻璃、薄木板等墙体实现检测，角度大，反应快。同时因其运用了多普勒频移效应，故对径向运动人体的检测能力大大提高，但横向的运动难以监测，且依然存在难以检测静物，精确度低，难以抵抗电磁干扰等问题。这些是多普勒雷达的物理缺陷，难以弥补。

图2 多普勒原理

1.1.3 FMCW毫米波雷达（77～79 GHz毫米波）

FMCW毫米波雷达是指调相连续毫米波雷达。高频FMCW毫米波雷达几乎满足所有对人体存在感应传感器的全部要求，检测精准，防干扰、耐污防潮。

但是，一方面因为其较高的功耗和较大的模块体积，难于在小场景设备中应用；另一方面囿于法律法规相关限制，77 GHz～79 GHz的FMCW毫米波雷达只能应用于汽车领域。故排除此方案。

1.1.4 60 GHz毫米波

此频段涵盖了FMCW和CW毫米波雷达两种方案。理论上，越高的雷达频率对应着越高的检测分辨率，和更好的检测效果。

从生理学角度来看，正常人体生理活动可由人体的体表微动信息来反映如图3，例如可通过胸腔的振动来得到呼吸、心跳等活动信息。心搏引发的胸壁位移幅度为0.6 mm，呼吸时产生的胸壁位移幅度则在4～12 mm左右。

图3 雷达检测人体原理

若假设模块使用10 GHz雷达来检测胸腔运动，通过计算：每1 mm的位移则会引起相对最大25.2 °的信号相位偏移。故而说，在雷达频率足够高时，即使是很小幅度的胸腔振幅，基带信号的相位偏移量也能够被设备分辨出来[1]。

但是若工作频率过高，则杂波干扰也会相应增大。通常情况下生物雷达会选取2.4～60 GHz的频率。

所以调频连续波雷达在不影响感应效果的情况下，降低波的频率至符合相关法律规定的范围，同时又可以降低频率和模块体积。图4为毫米波、多普勒微波、红外技术对比。基于此原理的60 GHz的FMCW毫米波雷达，是人体感应开关传感器的较优选择。

图4 毫米波、多普勒微波、红外技术对比

2 方案验证

为了验证上述方案在实际测试和使用环境中的表现，设置了以下几个模拟场景的验证测试。通过将FMCW毫米波雷达与传统红外的方案测试结果相对比，验证是否符合理论预期。

2.1 静止测试

在一无强磁场、辐射或热源干扰、空旷的25 ℃室温实验场景下，将FMCW毫米波雷达模块和红外人体感应模块置于同一位置，多次分别在不同距离位置设置一静止不动的测试人员。上电后检查反馈信号：是否能检测到人体存在；是否可以持续检测到人体存在。

从表1测试结果来看基本符合理论预期，红外模块难以感应静止的人体目标，而在FMCW毫米波雷达的监测范围内则可以持续感应有无静止人体。

表1 人体静止检测

2.2 穿透测试

在一无强磁场、辐射或热源干扰、空旷的25 ℃室温实验场景下，将FMCW毫米波雷达模块（无外置透镜天线）和红外人体感应模块置于同一位置，多次分别使用木板、玻璃和墙壁将测试人员与测试模块隔离。上电后检查反馈信号：是否能检测到人体存在，以此测试传感器识别运动人体的穿透性能。

从表2测试结果来看， FMCW毫米波雷达的信号可以穿透一般的木板和玻璃，但无法穿透墙壁。而红外感应模块均无法穿透。

表2 墙壁穿透测试结果

2.3 温度测试

在一无强磁场、辐射干扰的空旷实验场景下，将FMCW毫米波雷达模块（无外置透镜天线）和红外人体感应模块置于同一位置。在25 ℃、35 ℃和40 ℃的环境温度下测试两种模块的工作状态是否受到干扰。

从表3测试结果来看基本符合理论预期， FMCW毫米波雷达的工作不受温度影响。而红外人体感应原理是检测温差，故受温度影响很大。

表3 温度干扰测试结果

2.4 距离测试

在一无强磁场、辐射或热源干扰、空旷的25 ℃室温实验场景下，将FMCW毫米波雷达模块（无外置透镜天线）和红外人体感应模块置于同一位置，多次分别在不同距离位置设置运动的测试人员。上电后检查反馈信号：是否能检测到人体存在，以此测试传感器识别运动人体的极限距离。

理论上来讲，雷达在不同的功率和尺寸下的有效检测范围有很大差别，本次的感应距离-实验结果仅代表在本次实验中使用的两组功率较低，透镜尺寸相仿的感应模块。

从表4的测试结果来看，试验所使用的红外与FMCW毫米波雷达无外置透镜天线的状态下，FMCW毫米波雷达的动态人体监测距离范围略小。在配置外置透镜天线后的FMCW毫米波雷达的感应距离会超过红外感应距离，但相应的横向感应的角度会随之降低，在产品化过程中应参考具体应用场景选择是否加装外置透镜天线。

表4 检测范围测试结果

3 设计方案

伍衍亮、赵宇和龚梁提出一种方案——基于60 GHz毫米波雷达的人体感应检测系统。该系统可以较为精确地检测在室内活动人员的相对距离、相对角度、运动速度、运动加速度等信息。

图5 系统结构

整个系统主要分为：芯片模块、天线模块、电源模块及外围电路部分。主芯片模块使用TI公司的IWR6843芯片，其内部集成了DSP系统（DSS）、雷达波系统（BSS）和主子系统（MSS）。BSS主要负责射频信号处理，DSS主要负责信号处理，MSS主要负责跟踪、分类等算法和上层应用的实现。天线模块负责发射和接收雷达信号，同时也会将波形进行对比计算以实现对目标物距离、角度或运动速度的检测。电源模块为整个系统的各模块提供不同的稳定电压。外围电路包括但不限于晶振及复位电路、QSPI FLASH、JTAG仿真口、USB口、UART串口等。

该方案通过分类、滤波、追踪等算法，来检测室内人体运动状态信息。可有效地区分人和非人（包含运动状态家具如风扇等），以及判断人体的环境位置。经过实验验证（结果见图6、图7），该系统正常情况下水平检测角度可达到±75 °，垂直检测角度为±40 °，检测最大距离为8 m。系统检测精度≤0.1 m，角度输出精度≤1 °。功能测试中，在部分实验场景的综合检测准确率≥90 %，与以往的人体检测方案相比：抗干扰能力更强（不受烟雾、温度和光线等影响）、检测范围更广、检测精度更高。该方案在智能家居和人体感应开关领域，具有一定的研究和参考价值[2]。