2023-11-06671
摘要：随着现代社会高速发展，物联网产品的广泛应用和不断升级，人们对智能化产品的隐私安全性、高效性和隐蔽性，提出了更高的要求。雷达传感器利用电磁波的回波特性来获取探测目标及其周围环境的特征信息，相较于其他人体运动存在检测传感器具有很强的抗干扰能力和更高的隐蔽性。本文就人体运动存在检测的雷达传感器的原理、功能结构和应用等方面进行详细的介绍，并对其未来的发展趋势和市场前景进行展望。
关键词：雷达传感器；物联网；人体感应
引言：
近年来，现代无线通信技术的发展加快了物联网（IOT）应用的落地升级。物联网智能化设备的应用也极大节省人力资源并提升了人类社会的生活质量，与此同时也给人们的生活带来新的困扰。一方面，物联网应用对传感器的可靠性和隐蔽性要求越来越高，另一方面，视觉传感器对信息的采集引起了人们对隐私安全问题的担忧[1]。
产生以上困扰的主要原因是因为现在市场上广泛应用的人体运动存在检测传感器主要为PIR红外传感器和摄像传感器。红外传感红虽然设备成本低但检测误差大，同时对安装环境要求也较为苛刻，在环境温度与人体体温相当时或者环境亮度较强时无法正常。而摄像传感器虽然不存在以上问题，但其安装成本过高隐秘性较差，并且在卫生间、卧室等相对隐秘的空间无法使用。雷达传感器通过分析发射和接收电磁波信息获取目标信息。由电磁波的特性决定，其工作条件不受温度、亮度、湿度的影响且具有穿透遮挡物的能力。与此同时，雷达传感器不采集图像信息，也就不存在隐私泄露的风险，完全适用于卫生间、浴室等特殊场所。
近年来，随着CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）集成电路工艺的发展，使得雷达的集成度更高、功耗和尺寸大幅减小，结合现代先进的信号处理技术，增强了雷达传感器的感知能力。使得低功耗、轻量化的人体运动存在的雷达传感器，应用场景更加广阔，更加适用于物联网近距离探测传感发展。
本文将围绕人体运动存在检测雷达传感器展开探讨和研究，主要包括人体运动存在检测雷达传感器的原理、功能结构、应用场景等方面的内容。
1人体运动存在雷达传感器原理
雷达技术是一种无线感知技术[2]。主要是利用电磁波进行探测和测量的，通过回波特性分析获取探测目标的位置、速度、方向和距离等信息。其发射出一束电磁波，当电磁波遇到物体时，会被反射回来并被接收器接收。通过测量反射回来的电磁波的时间和强度，雷达系统可以确定物体的位置、形状、大小等信息。应用于物联网的人体运动存在检测雷达传感器一般为多普勒雷达或者调频连续波雷达。
多普勒雷达主要利用多普勒效应，通过发射机发射一段电磁波，再经接收机获取被探测物体反射回来的电磁波。如果探测物体和雷达之间发生相对运动，雷达接收到的电磁波频率就会发生变化，进而确定目标的速度信息。由于电磁波在空气中的传播损耗，目标相对雷达距离越远损耗越大，雷达接收电磁波幅度越小。因此，通过接收电磁波幅度的变化判断目标的运动方向。
调频连续波雷达不同于多普勒雷达，其发射信号不再是固定频率的连续波，而是在一定周期发射一个频率连续变化的连续波。接收机通过测量反射信号与发射信号的频率差异，测算出被测物体与雷达之间的距离和运动速度。对于调频连续波雷达而言其探测目标距离越远，意味着其探测时间越长，经处理后的差频频率越高，反之则越低。调频连续波雷达的调制方式一般为三角波、锯齿波、编码调制或者噪声调制。
图1.1为调频连续波雷达的测距原理示意图，雷达发射信号的频率与时间成正比，由于电磁在空气中传播，发射和接收信号之间产生了频差Δf，利用接收的频差，计算出电磁波传播时间Δt，由此计算出雷达距离探测目标的距离。需特别注意的是此处的传播时间是雷达发射到目标，再由目标反射回雷达接收机的时间。因此，计算时电磁波传播距离和雷达探测存在2倍的关系。
图1.1 调频连续波雷达测距原理示意图
多普勒雷达和调频连续波雷达经过低功耗、高集成的轻量化设计均可应用人体运动存在检测的物联网传感器使用并且适用于不同的工作频段，不同的工作场景。多普勒雷达因为仅需发射固定频率连续波，结构实现上也更为简单，但仅能检测运动的物体，对于固定的物体无法检测。而调频连续波雷达探测无盲区，既可以测量速度又可测量距离，并且在短距离测量领域优势十分明显。但，由于需要在固定周期内产生调频信号，其结构相对复杂。同时，对于复杂目标测量时，测量距离和速度有误差。
不论是多普勒雷达，还是调频连续波雷达都具有容易实现、结构简单、功耗低、尺寸小、低成本的优点，作为人体运动存在检测传感器，在物联网领域可以得到广泛的运用。
2人体运动存在雷达传感器的功能与结构
为方便理解，介绍人体运动存在雷达传感器前，首先对雷达传感器的工作过程进行阐述。雷达传感器为获取检测目标信息，首先由天线发射特定频率的射频信号经传播后，由天线在自然界中接收特定频率的射频信号输入到接收机。接收机将所需射频信号放大后输入给混频器与发射频率相乘，获得容易处理的中频信号；再由滤波器滤除带外干扰信号输出至基带放大器实现有效信号的放大，经ADC采样获得数字信号，经过数字信号处理（一般为在频域进行处理）后获取探测目标的相关信息。图2.1为雷达传感器的功能结构图，其各个结构的功能如下。
频率综合器，主要产生一定的频率信号作为发射信号和本征信号分别传送给发射机和混频器。对于多普勒雷达只需产生固定频率的射频信号[3]，而调频连续波雷达则需在一定周期内产生扫频信号[4]。
发射机主要由射频功率放大器构成，用于将频率综合器产生的信号功率放大到足够高，以达到雷达传感器所需的探测距离。
接收机主要由低噪声放大器构成，根据实际情况也会添加射频滤波器用来提高接收机性能。主要对天线接收的有效信号进行放大，便于系统后级电路的处理分析。这主要因为自然界环境的复杂多变导致射频信号有不同程度的损耗，使得天线接收的信号波动较大。在引入足够低的噪声情况下，对天线接收的有效信号进行放大，提高雷达传感器的灵敏度，即提高探测距离。
图 2.1 雷达传感器的功能结构图
混频器将频率综合器产生的射频信号与接收机接收的回波信号进行乘法运算，将射频信号转换为易于处理的低频信号。
基带放大器/滤波器，用来对混频器转换的低频信号进行滤波放大，是有效信号达到一定幅度供ADC采样。雷达传感的基带放大器一般采用低通或带通滤波，主要是因为混频器输出的信号都会包含高频的干扰信号，增加滤波放大后将有效信号分离出来，可以提高雷达传感器的探测距离。
最后，放大后的基带信号经ADC采样转换为易于处理的数字信号，经过数字信号处理，MCU运算后获得探测目标的距离、速度等信息。
多普勒雷达和调频连续波雷达原理在人体运动存在检测雷达传感器中都有广泛的运用。基于这两种雷达原理的人体运动存在检测雷达传感器电路结构均采用零中频下变频收发机架构。电路模块中最大的差别在频率综合器。基于多普勒雷达的人体运动存在检测传感器仅需要产生固定频率的射频信号使用简单的压控振荡器（VCO）即可实现[2]，而基于调频连续波雷达的人体运动存在传感器则需要在固定周期内产生变频信号，为了保证输出射频信号的线性度，需要带有锁相环的压控振荡器才能够实现，其电路结构也更为复杂。
3人体运动存在雷达传感器的应用
随着集成电路的快速发展，小尺寸、低功耗的轻量化雷达传感器应运而生，并逐步在智能设备中应用。如毫米波雷达在汽车自动和辅助驾驶中广泛的应用。更低成本、更低功耗、更小尺寸的人体运动存在检测雷达传感器，也逐渐适用于智能设备和家电产品的控制应用中。雷达传感器相较于其他人体检测传感器，具有超强的抗干扰能力，并且对塑料、墙体、木板等材料具有一定的穿透能力，因此，雷达传感器可以安装在家电内部（雷达天线正前方不能有金属材料），不受外部安装部件的影响导致无法正常工作，保证了产品外形的美观和一致性。
智能照明领域中，人体运动存在检测雷达传感器正在逐步的应用推广。这得益于其具有更高的精度、更长的探测距离以及更低的功耗，并可以精确检测人体的位置和动作。相比之下，红外线传感器容易受到环境因素的影响，如环境温度接近人体温度时或受到强光照射时便无法正常工作[5][6]。而雷达传感器则不会受到这些因素的影响。其次，在大型空间或者长廊中，雷达传感器可以在较长的距离内探测到人体的位置和动作进而实现整个空间内人员控制和管理。而其他传感器则需要分布式安装并确保传感器间不会互相干扰才能在大型空间中应用，这使得其安装难度，使用成本大大增加。同时，雷达传感器可以设置不同的工作频率可以实现密集安装。根据雷达传感器穿透性，使得照明系统的集成度更高，不需要单独的传感器供电系统，极大程度上降低了智能灯的使用门槛和安装成本。如集成的雷达球泡灯、LED吸顶灯、卧室地灯等都已在市场中应用，随着市场的推广具有广阔的应用前景。
在智能安防领域[8]，将摄像和人体运动存在检测雷达传感器联合使用，可以提高安防系统的检测精度和检测范围，实现对人员的全方位监控。在智能门禁系统中通过低功耗的雷达传感器唤醒屏幕，启动摄像功能进行人脸识别，降低系统的运行功耗。同时结合雷达传感器进行多重检测，提高门禁系统的安全性。
在智能家电领域，人体运动存在检测雷达传感器也具有广阔的应用前景，将传感器集成在家电内部实现智能化便捷化的控制。例如：将雷达传感器集成在智能空调系统中，根据雷达传感器检测空间中人员的存在与否，对自动调节空调系统的温度、风速等，优化设备功率配置，降低使用成本。同时，利用雷达传感器检测人体动作实现空调系统的多样开关；追踪人员的运动的方向实现空调系统的风向追踪或者防直吹功能等。总之，将人体运动存在检测雷达传感器与智能家电相结合联合使用其他传感器设备结合智能化技术，实现智能家电的智能化、便利化发展，降低用户使用成本，提高用户使用的便利性和舒适性[9][10]。
4人体运动存在雷达传感器现状与展望
随着物联网技术的不断发展，人体运动存在雷达传感器在物联网领域中的应用也越来越广泛。当前高端的雷达传感器已在汽车自动驾驶领域得到广泛的应用。而相对低成本的人体运动存在雷达传感器的消费市场刚刚起步，目前主要应用在智能照明、智能安防、智能家电等领域，未来的市场潜力巨大。人体运动存在雷达传感器可以提供位置、速度以及距离等信息相较于其他传感器（红外、超声波、声光）有巨大的优势。目前低功耗、小型化、低成本仍是其技术突破的主要方向。
未来随着物联网技术的进一步发展，数字产业的不断升级，人体运动存在雷达传感器的应用前景也会更加辽阔。一方面，随着雷达技术的不断发展，应用于人体运动存在检测的雷达传感器的性能不断提升，尺寸更小功耗更低使得其应用面更加广阔。另一方面，随着人工智能，大数据等技术的不断发展，人体运动存在雷达传感器的应用场景也将不断的拓展，应用领域也将会更加广泛。
5结语
人体运动存在雷达传感器具有强抗干扰能力和穿透能力并可以提供人员运动方向、速度以及距离等信息。相较于其他人体运动存在检测传感器，其探测距离更远，探测精度，应用场景也更加丰富多元。随着人体运动存在雷达传感器市场不断推广，在低功耗、低成本、小尺寸人体运动存在雷达传感器技术的进一步突破，再结合快速发展的人工智能、大数据的技术，使其具有强大的市场潜力。
参考文献
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