毫米波雷达技术 生理检测相关技术调研

学习目标：

毫米波雷达简介：

工作在毫米波波段探测的雷达。通常毫米波是指30_{300GHz频率(波长为1}10mm）的波。英文名为Radar (Radio Detection andRanging)，即无线电探测和测距;
毫米波的波长介于微波和厘米波之间，因此毫米波雷达兼有微波雷达和光电雷达的一些优点，非常适合于自动驾驶汽车领域的应用。
毫米波雷达的无线电波的频率是毫米波频段。测距原理跟一般雷达一样，也就是把无线电波(雷达波)发出去，接收回波，根据收发之间的时间差测得目标的位置数据。

结构拆解：

主要工作器件为集成好的电路板以及天线。发射天线由TX1和TX2组成，接收天线为RX1-RX4来接收回波的数据。

毫米波雷达特征介绍：

1、分辨率高、尺寸小

根据波的传播理论，频率越高，波长越短，分辨率越高，穿透能力越强，但在传播过程中的损耗也越大，传输距离越短。由于天线和其他的微波元器件尺寸与频率有关，因此毫米波雷达的天线和微波元器件可以较小，小的天线尺寸可获得窄波束。

2、抗干扰能力强，探测性能好

毫米波位于微波和远红外波之间，兼具微波制导和光电制导的优点。并且，频率越低,波长越长，绕射能力越强，传输距离越远。所以相对微波，毫米波的分辨率更高，指向性更好，抗干扰能力和探测性能更好。


从上图可以看到，毫米波传播时衰减较小的“大气窗口"主要集中在35GHz,45GHz，94G Hz，140GHz，220GHz频段附近。毫米波雷达常见工作频段在24GHz (波长1.25cm，通常也算在毫米波波段)，77GHz (波长3.9mm)，79GHz三个频段附近，波的传播过程中衰减相对较小，因此可以探测较远距离。

3、全天时全天候工作

与红外波相比，毫米波的大气衰减小、对烟雾灰尘具有更好的穿透性，受天气影响小。这些特指决定了毫米波雷达具有全天时全天候的工作能力

4、可直接测量距离，速度信息

毫米波雷达与红外系统相比，毫米波雷达的一个优点是可以直接测量距离和速度信息。

测量方式：

位置
位置测量。雷达调频器通过天线发射微波信号，通过对接收到的回波信号的相距时间进行计时。通过相应公式计算出距离。

速度
对于相对运用的物体，在收到的波形信号中除了会产生时间差值以外，还会产生多普勒位移。通过对相应数据的提取便可以计算出运动物体的运行速度。

方位角
当发出的毫米波信号被反射回来时，通过检测多个接收天线收到的目标反射回来的毫米波的相位差，从而计算出目标所在的方位角度。

应用场景限制

环境影响：
雨、雾和湿雪等高潮湿环境性能将会衰减。以及大功率器件和插损将会降低毫米波雷达的
探测距离。
丛林穿透性差：
相比于微波，对密林，树丛穿透力低。
成本高：
元器件的成本高并且由于体积的限制导致开发加工的精度相对要求较高。
开发周期长：
由于体积限制，单片收发集成电路的开发相对迟缓。

功能差异比较

应用场景

1、汽车和工业领域应用

实现汽车ADAS(高级驾驶辅助系统）和无人驾驶的终极目标
车载毫米波雷达通过阵列天线向外发射调制毫米波，然后将接收的回波信号和本地振荡混频提取中频信号，经后方MCU单元运行2-D傅里叶变换等处理提取汽车周与目标的相对速度、相对距离、相对角度，以及相对运动方向等信息。汽车中央处理单元会基于提取的信息进行智能处理，并给驾驶员警示信息，或者及时采取主动干预措施，从保证主动安全性能，减少事故几率。主要使用24GHz和77GHz频段。
77GHz频段相较于24GHz频段优势
更高的距离分辨率和测距精度
由于距离分辨率和精度与扫描带宽成反比，因此与24GHz雷达相比，77GHz雷达传感器在距离分辨率和精度方面的性能更好，经过测试发现可提高20倍。实际上，77GHz雷达可实现的距离分辨率为4cm(24GHz雷达分辨率为75cm)。

更高的速度分辨率和精度
速度分辨率和精度与射频(RF)频率成反比。因此,频率越高，分辨率和精度就越好。

更小的尺寸
较高射频频率的主要优势之一就是传感器尺寸可以更小。对于相同的天线视场和增益，77GHz天线阵列的尺寸可以在x和Y维度上减小约3倍(见图)。

2、生命检测领域应用

生命体征检测:
生命体征是一组个人健康状况和身体功能的医学参数，它们可为疾病恢复或及时诊断提供线索。目前主要并且便于获取的生命体征有四个:体温(BT)、血压(BP)、呼吸频率(BR)和心率(HR)，生命体征因年龄、性别、体重和健康水平而异，同时也会一个人在特定情况下的身体或心理活动而有所不同。
毫米波雷达在目标距离检测中提供毫米级精度的潜力使其成为检测人体生物信号的理想技术。此外，毫米波技术还带来了非接触、连续监视病人的优势。

毫米波雷达如何探测生命体征?
由于短波具有超高的精度，因此工作的毫米波雷达将能够探测到短至毫米的运动。
由于胸部的运动，反射信号被相位调制。调制包含了运动的所有组成部分，包括由心跳和呼吸引起的运动。雷达通过发射多个调频信号，对经人体反射后的回波信号进行解调、积分、放大、滤波等处理，可得到与被测人体生命特征相关的参数。

图中显示了毫米波雷达向病人的胸部区域发射线性调频脉冲。
雷达根据预定时间间隔发送多个线性调频脉冲。每个脉冲都进行距离快速傅立叶变换（FFT)，并选择与人的胸部位置相对应的距离档。每个线性调频脉冲都会记录该选定距离档中的信号相位。由此计算出相位变化，并从而得出速度。所获得的速度仍然包括所有运动分量。通过执行多普勒FFT对获得的速度进行频谱分析，可以解析出各种分量。

3、智能家居领域应用

养老监护
应用于智慧养老监护场景，可实现生命体征探测、跌倒检测等功能，让养老更贴心、居家
更安心。

人体感应智能灯
通过雷达感应当前的区域人员数量，从而做到对光照强度的调节，以及达到人走灯灭的效果。节约能源。

人体存在检测器
市面上现有Aaara人体存在检测器，可以与相关智能家居产品进行联动,从而达到在不同的使用场景产生不同的效果。

智能马桶
检测人体移动位置，在合适的
场景进行开合。

市面上现有设备介绍

1、开发板

WR1443BOOST开发板
频段为76~81GHz
集成了一些外设，底层硬件资源丰富，上层应用软件需要自己额外编写。可开发性高。

2、集成应用模块、产品

市面上应用类产品较多，由于开发雷达功能涉及知识面较为广泛，因此应用型产品、模块在市面产品上占主要部分。厂商已将相应的计算算法封装完成，细化了产品的具体应用领域进行销售。方便了二次开发，及使用。

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