浅谈毫米波雷达（MMWR）技术

本系列文章为于振南老师的颠覆认知的“工业之眼”--毫米波雷达（MMWR）部分，本文内容为: 初探MMWR的神奇。

毫米波？也许你只在网上或新闻里有所耳闻，知道华为的5G基站使用了毫米波，或者知道特斯拉的自动驾驶有MMWR。其实前者是毫米波的通信应用，它使得通信带宽得到质的飞跃，为所谓的“大上行业务”应用提供了支撑（实时机器视觉就是最典型的“大上行”应用）。不过，本章并不讲毫米波的这种通信应用，而是侧重于后者，即在雷达方面的应用。

2021年前后，我的硬件团队一直在研发一个神奇的东西，就是太赫兹MMWR（THz MMWR）。应该说这项工作还是极具挑战的。我团队里有从英国名校留学回来的硬件工程师，精通高频模拟电路设计和无线系统仿真；另有工程师，包括我在内精通数字信号处理和嵌入式；这期间甚至还有位高权重的大佬（不便透露实名）参与关键部分的研发。即使这样，我们仍然感觉到了巨大的研发阻力。

太赫兹毫米雷达其实是MMWR的一个先进分支，或者说是新兴概念，它象征着最激进的MMWR技术。太赫兹MMWR的诸多优异特性使其成为了相关行业的聚焦点。

什么？MMWR到底是什么？它到底有多神奇？振南不再啰嗦，直接来看本章的内容。

正文

1、初探MMWR的神奇

我所带领的硬件团队主要是研发各种传感器，比如振动传感器、位移传感器等等。可以说，这些传感器基本上都没有什么难度。主要是实现基本的采集和算法应用，我们的主要精力还是放在业务功能层面的实现，以及整个硬件产品的统一化、标准化，还有硬件技术架构的建立（矩阵硬件和Microbus嵌入式架构就是在这期间搞出来的）。说实话，这些产品都算不上有多高门槛的产品，基本上有一定规模的硬件团队都能作得出来。当然Xstack和个别产品的高精度、高性能是我们看家的东西。但是我们仍然缺少能够主导市场的“独角兽”产品。

1.1那场突破认知的交流会

那是一次技术交流会，更准确的说是产品推销会，主角是北京ZGZL（它是专作MMWR的一家公司），好像名不见经传，但其实是一家高技术企业，我了解到他们人数并不算多，但是人才层次很高。主讲人先介绍了一些应用场景（基本都集中在测距、位移测量和多目标这些方面）。

1.1.1 桥梁纵向位移测量

2020年的“虎门大桥事件”，估计很多人仍然记忆犹新。其根本原因是所谓的“卡门涡街效应”（吊桥共振）。

所以，桥梁的纵向位移（土木工程称之为“挠度”）测量历来都是重中之重。人们也想了很多办法来实现测量，比如GNSS（通过GPS卫星数据来解算空间位移）、静力水准（通过连通管原理来测量）、动态激光测距等等。而MMWR则开辟了新的思路，如图18.2-3。

 

18.2 MMWR对桥梁挠度进行多点测量

 

18.3 MMWR对某机场跑道跨线桥的挠度进行测量

MMWR具有同时测量多个目标的能力，所以用它来检测桥梁挠度成本会更低。看到它的这些特性，你是不是也有点动心了？

1.1.2 钢索拉力测量

很多时候我们都需要去测量一根钢索或金属丝上的拉力。大家可以想想都有哪些方法。

18.4 测量钢索上的拉力（右为桥梁拉索）

1、拉力传感器直接测量

最直接的是使用拉力传感器，如图18.5所示。

OK，这些传感器需要事先安装在钢索上，而很多时候这可能并不现实。比如桥梁上的拉索，或者是已经固定好的钢缆，几乎不可能为了安装传感器而返工。那有没有更好的方法？

2、振动法测拉力

我们基本上有一个宏观的认知：一根被绷紧的琴弦，它绷得越紧在拨弄时所发出的声音越尖锐，而越松则发出的声音越低沉。从频域的角度去解释就是，前者振动基频高而后者低。我们把钢索比作琴弦，如果我们可以采集到它微弱的振动信号，然后通过FFT计算其基频，是不是就可以知道它的松紧程度了？所以，市面上有了很多基于此原理的振动式拉力计（你可能搜不到，但其实已经有很多场景在应用了）。

在使用这类传感器的时候，我们需要将其安装在钢索上，并确保其钢性连接，以便振动的良好传递。然后通过电激励或者自然风（比如桥梁拉索）产生振动，继而计算其拉力。

认真的读者，从图18.6中可能会发现一些问题：在拉索建成之后，会在外面套一层保护套，所以振动索力计最终是安装在保护套上的，而非直接安装于拉索的金属表面，这样会导致振动传导出现问题。但是这种方法已经比较先进的了。

3、MMWR测拉力

毫米波有一个重要的特性就是有较好的穿透性。只要MMWR的测量精度足够高，能够分辨微小的位移变化，那我们就可以用它透过保护套，直接去测量钢索的微小位移（其实振动本质上就是微小位移），只要采样率足够高（根据著名的信息论香农定理，也称奈奎斯特采样定理，采样率至少是基频的2倍），我们就可以采集到连续的振动信号，从而提取基频，计算拉力。

这种方法，不用接触钢索（隔空测量），而且多根钢索只要是在雷达视域之内，都可以同时测量。是不是感觉，MMWR是位移测量的终级解决方案。

其它更多的应用场景就比较专业了，振南仅举以上两个应用实例。

1.2 令人咂舌的测量精度

主讲人继续介绍：“我们的MMWR采用微波干涉测量原理，位移测量精度最差0.1mm，量程±100mm，采样率可以达到20Hz，距离可以达到50米，而且同时可以测量5个目标。”并带来了一些测试照片，振南给大家看一下。

千分表对比测试，如图18.7。

18.7 雷达测量与千分表测量结果对比实验

此实验的结果如图18.7。（摘自中公智联官方数据）

18.7 对比实验的实验结果

可以看到，MMWR对于位移测量的精度偏差在0.03mm以内。

这是什么概念？相当于这套东西可以在几十米外，可以准确检测到目标幅度为0.1mm的位置移动。“哇！我浅浅的呼吸一下，前胸起伏的幅度都比这个位移要大！”对，它可以在几十米开外，判断一个人是否还有呼吸（这是MMWR最典型的医疗应用，非接触式呼吸检测）。

也许是我们比较孤陋寡闻，但是对于这样的测量精度，我们一是吃惊，二是怀疑。这样的精度指标到底是如何实现的？（其实在后期深入的了解了MMWR的原理之后，我们发现实现这些指标并不是特别困难）

编辑：黄飞