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(lián)網(wǎng)有限公司信息技術(shù)中心，四川 成都 610000）

0 引 言

隨著技術(shù)的進步和發(fā)展，工業(yè)和消費領(lǐng)域的智能化是未來的發(fā)展趨勢。智能化的關(guān)鍵在于感知和決策，而接近感應(yīng)是感知技術(shù)中的重要分支，有非常多的場景化應(yīng)用，例如智能路燈、手勢控制以及自動門禁等[1-3]。傳統(tǒng)的接近感應(yīng)技術(shù)依賴于光學(xué)和聲學(xué)，其中最主流的就是紅外和超聲波技術(shù)。其優(yōu)點在于技術(shù)比較成熟，量產(chǎn)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(fā)，此外抗干擾能力差，容易被灰塵、泥垢等遮擋。雷達發(fā)射和接收的是電磁波，具有穩(wěn)定性高、穿透性好等優(yōu)點，但由于成本過高一直沒有大規(guī)模應(yīng)用到消費場景。近年來，隨著雷達技術(shù)的發(fā)展，小型化低成本雷達芯片的出現(xiàn)為接近感應(yīng)帶來了新的技術(shù)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(fā)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(yōu)勢。本文設(shè)計了一種基于毫米波雷達的接近感應(yīng)模塊，用于汽車尾箱感應(yīng)開關(guān)（俗稱“一腳踢”）領(lǐng)域。當(dāng)雙手抱負物體而無法用手開關(guān)汽車尾箱時，用腳踢或者腳掃的動作可以達到開關(guān)尾箱的目的。在該應(yīng)用場景中，基于毫米波雷達的接近感應(yīng)模塊起到了感應(yīng)腳踢動作并發(fā)出開箱指令的作用。

1 理論和設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的接近感應(yīng)模塊用于汽車尾箱感應(yīng)開關(guān)，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(jù)。在本設(shè)計中，采用腳踢運動的多普勒效應(yīng)做接近判斷。雷達以恒定頻率發(fā)射電磁波，當(dāng)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(fā)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，F(xiàn)m為多普勒頻率，V為物體運動速度，F(xiàn)為發(fā)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(shè)計

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

式中，G為增益，S為天線口徑，λ為信號波長。

根據(jù)上式關(guān)系，選用串聯(lián)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(jié)果如圖2所示。

圖1 天線仿真模型

圖2 天線電磁仿真結(jié)果

從仿真結(jié)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(tǒng)探測要求。

1.3 毫米波收發(fā)電路設(shè)計

毫米波收發(fā)電路的核心是K波段毫米波收發(fā)芯片，其采用單頻連續(xù)波體制，內(nèi)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(fā)芯片原理框圖

通過MCU的DA產(chǎn)生固定電平信號，控制毫米波收發(fā)芯片內(nèi)部的壓控振蕩器產(chǎn)生24 GHz固定頻率的微波信號,并通過發(fā)射端口饋入天線?；夭ㄐ盘柦?jīng)天線接收后進入毫米波收發(fā)芯片，并在內(nèi)部混頻得到中頻信號，進入中頻調(diào)理電路。中頻調(diào)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(diào)理電路框架

高通濾波器用于發(fā)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(zhuǎn)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(jīng)過中頻調(diào)理電路后，進入MCU內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換電路。

1.4 數(shù)字處理及控制電路設(shè)計

模擬信號在MCU內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換電路變換為數(shù)字信號，采樣率1 kHz，采樣后對數(shù)字信號進行1 024點FFT。本文設(shè)計的雷達模塊的MCU采用STM32F427芯片，其內(nèi)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(zhuǎn)換。對于接近感應(yīng)場景，回波信號FFT之后會出現(xiàn)單一譜峰，MCU檢索回波信號FFT之后的頻譜。當(dāng)出現(xiàn)譜峰時，根據(jù)譜峰出現(xiàn)的位置可計算譜峰位置所代表的頻率，計算公式為：

式中，F(xiàn)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(shù)。

本文設(shè)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(qū)間內(nèi)，實際檢測時可以只檢測頻譜這一段區(qū)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(fù)檢測頻譜。傳感器模塊有一外部輸入的使能信號，當(dāng)MCU檢測到當(dāng)前使能信號為高且檢測到回波頻譜峰值后，輸出一個觸發(fā)信號驅(qū)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(fā)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(jié)果

本文設(shè)計的接近感應(yīng)模塊如圖6所示。

圖6 接近感應(yīng)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(yīng)模塊的驅(qū)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(fù)實驗50次。當(dāng)手掌接近時，感應(yīng)模塊驅(qū)動輸出信號拉高；無手掌接近動作時，感應(yīng)模塊驅(qū)動輸出信號為低電平。實驗結(jié)果表明，該接近感應(yīng)模塊工作正常，50次測試的成功率為100%。

3 結(jié) 論

基于毫米波雷達的接近感應(yīng)傳感器模塊內(nèi)部包括毫米波天線、毫米波收發(fā)電路、數(shù)字處理及控制電路等，同時結(jié)合了相應(yīng)的信號處理算法，產(chǎn)品集成度高、結(jié)構(gòu)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(lǐng)域，基于毫米波雷達的接近感應(yīng)傳感器也有廣泛的應(yīng)用。