1 美元的雷达运动传感器内部是怎样的？

“最近买了一些便宜的 RCWL-0516 微波运动传感器，让我们看看几块钱的雷达运动传感器内部是怎么样的。”

我只需将 VIN 引脚连接到 5 伏电压，将 GND 连接到地，并在 3V3 引脚上添加一个 1 uF 的去耦电容，就能让它正常工作。当有人在 ~5 米范围内移动时，OUT 引脚会升至 3 伏，持续 3 秒钟。 显然它能工作，但它如何工作呢？

我先找到了核心的 SOIC-16 芯片的数据手册。原来 BISS0001 是一款红外运动传感器芯片。它是如何工作的？

一般来说，运动和速度感应（多普勒）雷达的工作原理是发送连续载波，然后将接收到的信号与发射的载波混合，形成低频的 IF 信号。如果反射信号来自移动的物体，接收到的信号会与发射的信号慢慢发生相位漂移，产生几个赫兹的拍频（beat frequency）。由于运动传感器并不关心确切的速度，因此芯片所要做的就是寻找毫伏级的变化：所有的复杂工作都已经完成。

在这个模块中，IF 信号通过第 14 引脚进入芯片，但芯片通过第 16 引脚输出经过放大的副本，这对示波器更为友好：

在轨迹的中间，是我将一台笔记本电脑向传感器方向移动了约 40 厘米。但传感器不仅捕捉到了笔记本电脑移动时的信号，还捕捉到了我伸手去停止示波器时产生的一些较慢的水平变化。这条轨迹足以让我们弄清雷达使用的频率：当笔记本电脑移动时，有 8 个峰值，这意味着往返路径长度变化了 8 个波长。如果8个波长覆盖了80厘米的距离，那么每个波长大约是10厘米，与实际波长 9.4 厘米相差不大。

那么神奇的地方在哪里呢？

整个电路板的右侧只是 BISS0001，它充当了放大器、比较器和定时器的角色。所有的射频功能都在电路板的左侧，只使用了少量元件：

乍一看，这只是一个工作频率为 3.18 千兆赫的单晶体管振荡器：

发射器上的 S 形走线是一个微波谐振器，也是一个天线，由 BJT 晶体管驱动，谐振器和平行铜导线形成的电容提供反馈，以维持振荡。我怀疑背面的环形结构只是为了防止其他频率的振荡，许多非常类似的传感器都没有这样的结构，或者仅仅使用一个实心的地平面。振荡器相当不稳定，会因为手的电容和偏置漂移而漂移几兆赫。这可能是为什么模块对电源噪声非常敏感的原因。 虽然看起来是一个振荡器，但实际上它是两个振荡器的结合。微波振荡以 20 MHz 左右的频率脉冲，在发射器上产生这种波形：

示波器无法直接观测到3 GHz的信号，但这个信号在波形的下降部分之外是存在的。 发生的情况是，当振荡器运行时，它会改变 33 pF 的电容，使发射极电压升高，直到振荡器无法再运行。此时，220 欧姆电阻会对电容放电，从而在几纳秒内重新启动振荡。 这种脉冲使它能作为超级再生接收器工作。一旦晶体管的增益超过 1，振荡器不会立即启动，它需要一个微小的激励开始工作。谐振器中的任何信号都会被反复放大，直到大到足以给电容充电并重新开始循环。由于振幅呈指数增长，即使微小的射频信号也会增加脉冲频率，从而将振荡器变成一个灵敏的接收器。(这就是为什么振荡器启动时无需等待太长时间，噪声会迅速被放大，直至使晶体管放大器崩溃）。 等等，如果它是在振荡器启动时接收，然后再发射，那它怎么能看到移动物体的相位变化呢？ 由于关闭时间约为 15 纳秒，任何来自 2.5 米以外静态物体的回波都会在振荡器启动期间到达。这些静态回波充当雷达的本地振荡器，超再生接收器从静态和移动回波的干扰中检测调幅信号。在有大量反射的室内环境中，总会有一些射频反弹，触达移动的物体，无论它们离得多近。

这种 “自以为是” 的雷达方法可能就是传感器性能非常不稳定的原因；在室内，它工作得非常好，测距可达 5 米，但在室外，如果没有静态回波，它往往根本无法工作。

有点意思，S 波段发射机：

我尝试的第一项改装是移除导致 20 Mz 脉冲的电容：

这就把它变成了一个发射器，只要在振荡器的任何地方施加信号，就能对它进行频率调制。此外，通过周期性地开启和关闭电源，可以控制这个发射器的开关。

即使没有脉冲和超级再生部分，雷达仍然可以工作，只是 IF 信号要弱得多，大大降低了灵敏度。原因是振荡器本身充当了一个混频器，将接收到的信号降频，但是这个过程中没有增益。没有增益意味着信号不会被放大，因此雷达的灵敏度会因为信号弱而降低。

双基地雷达：

那么我们能否将其用于更传统的雷达设置中呢？我试着把另一个未修改的模块作为接收器放在发射器旁边，结果得到了更稳定的回波信号：

将笔记本电脑移向雷达和远离雷达时，奇怪的振幅变化消失了，从我相对缓慢移动的手发出的回波信号要弱得多，这也是多普勒雷达的预期效果。另一方面，由于接收器不断受到来自发射器的射频干扰，远处的返回信号也更弱。它作为运动传感器的功能也较差，因为它需要有明显的移动才能触发，而不像通常情况下，几乎任何东西都能触发它。 另一方面，通过运行 FFT 或简单地检测 IF（芯片的 14/16 引脚）上的零交叉，它可以很好地用作速度传感器。计算方法非常简单，只需将波长乘以拍频（beat frequency），再除以 2 即可得出速度。例如，示波器轨迹中的最高拍频为 15 Hz，因此速度为 0.7 米/秒： 9.4 cm * 15 Hz/ 2 = 70 cm/s=0.7 米/秒

如果两个模块相隔1到2米，户外性能比单独使用一个模块要好得多，两个模块之间的区域具有最佳的灵敏度。虽然性能仍然不是非常好，但比单独模块在户外几乎无法工作要好得多。

原文转载自： https://10maurycy10.github.io/projects/motion_sensor_hacking/ 遵循 Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.