淺談毫米波雷達（MMWR）技術(shù)

本系列文章為于振南老師的顛覆認知的“工業(yè)之眼”--毫米波雷達（MMWR）部分，本文內(nèi)容為:?初探MMWR的神奇。

毫米波？也許你只在網(wǎng)上或新聞里有所耳聞，知道華為的5G基站使用了毫米波，或者知道特斯拉的自動駕駛有MMWR。其實前者是毫米波的通信應(yīng)用，它使得通信帶寬得到質(zhì)的飛躍，為所謂的“大上行業(yè)務(wù)”應(yīng)用提供了支撐（實時機器視覺就是最典型的“大上行”應(yīng)用）。不過，本章并不講毫米波的這種通信應(yīng)用，而是側(cè)重于后者，即在雷達方面的應(yīng)用。

2021年前后，我的硬件團隊一直在研發(fā)一個神奇的東西，就是太赫茲MMWR（THz MMWR）。應(yīng)該說這項工作還是極具挑戰(zhàn)的。我團隊里有從英國名校留學(xué)回來的硬件工程師，精通高頻模擬電路設(shè)計和無線系統(tǒng)仿真；另有工程師，包括我在內(nèi)精通數(shù)字信號處理和嵌入式；這期間甚至還有位高權(quán)重的大佬（不便透露實名）參與關(guān)鍵部分的研發(fā)。即使這樣，我們?nèi)匀桓杏X到了巨大的研發(fā)阻力。

太赫茲毫米雷達其實是MMWR的一個先進分支，或者說是新興概念，它象征著最激進的MMWR技術(shù)。太赫茲MMWR的諸多優(yōu)異特性使其成為了相關(guān)行業(yè)的聚焦點。

什么？MMWR到底是什么？它到底有多神奇？振南不再啰嗦，直接來看本章的內(nèi)容。

正文

1、初探MMWR的神奇

我所帶領(lǐng)的硬件團隊主要是研發(fā)各種傳感器，比如振動傳感器、位移傳感器等等?？梢哉f，這些傳感器基本上都沒有什么難度。主要是實現(xiàn)基本的采集和算法應(yīng)用，我們的主要精力還是放在業(yè)務(wù)功能層面的實現(xiàn)，以及整個硬件產(chǎn)品的統(tǒng)一化、標準化，還有硬件技術(shù)架構(gòu)的建立（矩陣硬件和Microbus嵌入式架構(gòu)就是在這期間搞出來的）。說實話，這些產(chǎn)品都算不上有多高門檻的產(chǎn)品，基本上有一定規(guī)模的硬件團隊都能作得出來。當(dāng)然Xstack和個別產(chǎn)品的高精度、高性能是我們看家的東西。但是我們?nèi)匀蝗鄙倌軌蛑鲗?dǎo)市場的“獨角獸”產(chǎn)品。

1.1那場突破認知的交流會

那是一次技術(shù)交流會，更準確的說是產(chǎn)品推銷會，主角是北京ZGZL（它是專作MMWR的一家公司），好像名不見經(jīng)傳，但其實是一家高技術(shù)企業(yè)，我了解到他們?nèi)藬?shù)并不算多，但是人才層次很高。主講人先介紹了一些應(yīng)用場景（基本都集中在測距、位移測量和多目標這些方面）。

1.1.1 橋梁縱向位移測量

2020年的“虎門大橋事件”，估計很多人仍然記憶猶新。其根本原因是所謂的“卡門渦街效應(yīng)”（吊橋共振）。

所以，橋梁的縱向位移（土木工程稱之為“撓度”）測量歷來都是重中之重。人們也想了很多辦法來實現(xiàn)測量，比如GNSS（通過GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)來解算空間位移）、靜力水準（通過連通管原理來測量）、動態(tài)激光測距等等。而MMWR則開辟了新的思路，如圖18.2-3。

18.2 MMWR對橋梁撓度進行多點測量

18.3 MMWR對某機場跑道跨線橋的撓度進行測量

MMWR具有同時測量多個目標的能力，所以用它來檢測橋梁撓度成本會更低?？吹剿倪@些特性，你是不是也有點動心了？

1.1.2 鋼索拉力測量

很多時候我們都需要去測量一根鋼索或金屬絲上的拉力。大家可以想想都有哪些方法。

18.4 測量鋼索上的拉力（右為橋梁拉索）

1、拉力傳感器直接測量

最直接的是使用拉力傳感器，如圖18.5所示。

OK，這些傳感器需要事先安裝在鋼索上，而很多時候這可能并不現(xiàn)實。比如橋梁上的拉索，或者是已經(jīng)固定好的鋼纜，幾乎不可能為了安裝傳感器而返工。那有沒有更好的方法？

2、振動法測拉力

我們基本上有一個宏觀的認知：一根被繃緊的琴弦，它繃得越緊在撥弄時所發(fā)出的聲音越尖銳，而越松則發(fā)出的聲音越低沉。從頻域的角度去解釋就是，前者振動基頻高而后者低。我們把鋼索比作琴弦，如果我們可以采集到它微弱的振動信號，然后通過FFT計算其基頻，是不是就可以知道它的松緊程度了？所以，市面上有了很多基于此原理的振動式拉力計（你可能搜不到，但其實已經(jīng)有很多場景在應(yīng)用了）。

在使用這類傳感器的時候，我們需要將其安裝在鋼索上，并確保其鋼性連接，以便振動的良好傳遞。然后通過電激勵或者自然風(fēng)（比如橋梁拉索）產(chǎn)生振動，繼而計算其拉力。

認真的讀者，從圖18.6中可能會發(fā)現(xiàn)一些問題：在拉索建成之后，會在外面套一層保護套，所以振動索力計最終是安裝在保護套上的，而非直接安裝于拉索的金屬表面，這樣會導(dǎo)致振動傳導(dǎo)出現(xiàn)問題。但是這種方法已經(jīng)比較先進的了。

3、MMWR測拉力

毫米波有一個重要的特性就是有較好的穿透性。只要MMWR的測量精度足夠高，能夠分辨微小的位移變化，那我們就可以用它透過保護套，直接去測量鋼索的微小位移（其實振動本質(zhì)上就是微小位移），只要采樣率足夠高（根據(jù)著名的信息論香農(nóng)定理，也稱奈奎斯特采樣定理，采樣率至少是基頻的2倍），我們就可以采集到連續(xù)的振動信號，從而提取基頻，計算拉力。

這種方法，不用接觸鋼索（隔空測量），而且多根鋼索只要是在雷達視域之內(nèi)，都可以同時測量。是不是感覺，MMWR是位移測量的終級解決方案。

其它更多的應(yīng)用場景就比較專業(yè)了，振南僅舉以上兩個應(yīng)用實例。

1.2 令人咂舌的測量精度

主講人繼續(xù)介紹：“我們的MMWR采用微波干涉測量原理，位移測量精度最差0.1mm，量程±100mm，采樣率可以達到20Hz，距離可以達到50米，而且同時可以測量5個目標。”并帶來了一些測試照片，振南給大家看一下。

千分表對比測試，如圖18.7。

18.7 雷達測量與千分表測量結(jié)果對比實驗

此實驗的結(jié)果如圖18.7。（摘自中公智聯(lián)官方數(shù)據(jù)）