本系列文章為于振南老師的顛覆認(rèn)知的“工業(yè)之眼”--毫米波雷達(dá)（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(dòng)駕駛有MMWR。其實(shí)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(shí)時(shí)機(jī)器視覺(jué)就是最典型的“大上行”應(yīng)用）。不過(guò)，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(dá)方面的應(yīng)用。

2021年前后，我的硬件團(tuán)隊(duì)一直在研發(fā)一個(gè)神奇的東西，就是太赫茲M(mǎn)MWR（THz MMWR）。應(yīng)該說(shuō)這項(xiàng)工作還是極具挑戰(zhàn)的。我團(tuán)隊(duì)里有從英國(guó)名校留學(xué)回來(lái)的硬件工程師，精通高頻模擬電路設(shè)計(jì)和無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)仿真；另有工程師，包括我在內(nèi)精通數(shù)字信號(hào)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(shí)名）參與關(guān)鍵部分的研發(fā)。即使這樣，我們?nèi)匀桓杏X(jué)到了巨大的研發(fā)阻力。

太赫茲毫米雷達(dá)其實(shí)是MMWR的一個(gè)先進(jìn)分支，或者說(shuō)是新興概念，它象征著最激進(jìn)的MMWR技術(shù)。太赫茲M(mǎn)MWR的諸多優(yōu)異特性使其成為了相關(guān)行業(yè)的聚焦點(diǎn)。

什么？MMWR到底是什么？它到底有多神奇？振南不再啰嗦，直接來(lái)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(tuán)隊(duì)主要是研發(fā)各種傳感器，比如振動(dòng)傳感器、位移傳感器等等?？梢哉f(shuō)，這些傳感器基本上都沒(méi)有什么難度。主要是實(shí)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(shí)現(xiàn)，以及整個(gè)硬件產(chǎn)品的統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)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(lái)的）。說(shuō)實(shí)話(huà)，這些產(chǎn)品都算不上有多高門(mén)檻的產(chǎn)品，基本上有一定規(guī)模的硬件團(tuán)隊(duì)都能作得出來(lái)。當(dāng)然Xstack和個(gè)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(chǎng)的“獨(dú)角獸”產(chǎn)品。

1.1那場(chǎng)突破認(rèn)知的交流會(huì)

那是一次技術(shù)交流會(huì)，更準(zhǔn)確的說(shuō)是產(chǎn)品推銷(xiāo)會(huì)，主角是北京ZGZL（它是專(zhuān)作MMWR的一家公司），好像名不見(jiàn)經(jīng)傳，但其實(shí)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(chǎng)景（基本都集中在測(cè)距、位移測(cè)量和多目標(biāo)這些方面）。

1.1.1 橋梁縱向位移測(cè)量

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

所以，橋梁的縱向位移（土木工程稱(chēng)之為“撓度”）測(cè)量歷來(lái)都是重中之重。人們也想了很多辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量，比如GNSS（通過(guò)GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)來(lái)解算空間位移）、靜力水準(zhǔn)（通過(guò)連通管原理來(lái)測(cè)量）、動(dòng)態(tài)激光測(cè)距等等。而MMWR則開(kāi)辟了新的思路，如圖18.2-3。

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18.2 MMWR對(duì)橋梁撓度進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量

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18.3 MMWR對(duì)某機(jī)場(chǎng)跑道跨線(xiàn)橋的撓度進(jìn)行測(cè)量

MMWR具有同時(shí)測(cè)量多個(gè)目標(biāo)的能力，所以用它來(lái)檢測(cè)橋梁撓度成本會(huì)更低。看到它的這些特性，你是不是也有點(diǎn)動(dòng)心了？

1.1.2 鋼索拉力測(cè)量

很多時(shí)候我們都需要去測(cè)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(cè)量鋼索上的拉力（右為橋梁拉索）

1、拉力傳感器直接測(cè)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(shí)候這可能并不現(xiàn)實(shí)。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(méi)有更好的方法？

2、振動(dòng)法測(cè)拉力

我們基本上有一個(gè)宏觀的認(rèn)知：一根被繃緊的琴弦，它繃得越緊在撥弄時(shí)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(dòng)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(dòng)信號(hào)，然后通過(guò)FFT計(jì)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(dòng)式拉力計(jì)（你可能搜不到，但其實(shí)已經(jīng)有很多場(chǎng)景在應(yīng)用了）。

在使用這類(lèi)傳感器的時(shí)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(dòng)的良好傳遞。然后通過(guò)電激勵(lì)或者自然風(fēng)（比如橋梁拉索）產(chǎn)生振動(dòng)，繼而計(jì)算其拉力。

認(rèn)真的讀者，從圖18.6中可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題：在拉索建成之后，會(huì)在外面套一層保護(hù)套，所以振動(dòng)索力計(jì)最終是安裝在保護(hù)套上的，而非直接安裝于拉索的金屬表面，這樣會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)傳導(dǎo)出現(xiàn)問(wèn)題。但是這種方法已經(jīng)比較先進(jìn)的了。

3、MMWR測(cè)拉力

毫米波有一個(gè)重要的特性就是有較好的穿透性。只要MMWR的測(cè)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(guò)保護(hù)套，直接去測(cè)量鋼索的微小位移（其實(shí)振動(dòng)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(chēng)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(dòng)信號(hào)，從而提取基頻，計(jì)算拉力。

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

其它更多的應(yīng)用場(chǎng)景就比較專(zhuān)業(yè)了，振南僅舉以上兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

1.2 令人咂舌的測(cè)量精度

主講人繼續(xù)介紹：“我們的MMWR采用微波干涉測(cè)量原理，位移測(cè)量精度最差0.1mm，量程±100mm，采樣率可以達(dá)到20Hz，距離可以達(dá)到50米，而且同時(shí)可以測(cè)量5個(gè)目標(biāo)?！辈?lái)了一些測(cè)試照片，振南給大家看一下。

千分表對(duì)比測(cè)試，如圖18.7。

18.7 雷達(dá)測(cè)量與千分表測(cè)量結(jié)果對(duì)比實(shí)驗(yàn)

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

18.7 對(duì)比實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

可以看到，MMWR對(duì)于位移測(cè)量的精度偏差在0.03mm以?xún)?nèi)。

這是什么概念？相當(dāng)于這套東西可以在幾十米外，可以準(zhǔn)確檢測(cè)到目標(biāo)幅度為0.1mm的位置移動(dòng)?！巴?！我淺淺的呼吸一下，前胸起伏的幅度都比這個(gè)位移要大！”對(duì)，它可以在幾十米開(kāi)外，判斷一個(gè)人是否還有呼吸（這是MMWR最典型的醫(yī)療應(yīng)用，非接觸式呼吸檢測(cè)）。

也許是我們比較孤陋寡聞，但是對(duì)于這樣的測(cè)量精度，我們一是吃驚，二是懷疑。這樣的精度指標(biāo)到底是如何實(shí)現(xiàn)的？（其實(shí)在后期深入的了解了MMWR的原理之后，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)并不是特別困難）

編輯：黃飛

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