“最近買了一些便宜的 RCWL-0516 微波運(yùn)動(dòng)傳感器，讓我們看看幾塊錢的雷達(dá)運(yùn)動(dòng)傳感器內(nèi)部是怎么樣的。”

我只需將 VIN 引腳連接到 5 伏電壓，將 GND 連接到地，并在 3V3 引腳上添加一個(gè) 1 uF 的去耦電容，就能讓它正常工作。當(dāng)有人在 ~5 米范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，OUT 引腳會(huì)升至 3 伏，持續(xù) 3 秒鐘。 顯然它能工作，但它如何工作呢？

我先找到了核心的 SOIC-16 芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)。原來 BISS0001 是一款紅外運(yùn)動(dòng)傳感器芯片。它是如何工作的？

一般來說，運(yùn)動(dòng)和速度感應(yīng)（多普勒）雷達(dá)的工作原理是發(fā)送連續(xù)載波，然后將接收到的信號(hào)與發(fā)射的載波混合，形成低頻的 IF 信號(hào)。如果反射信號(hào)來自移動(dòng)的物體，接收到的信號(hào)會(huì)與發(fā)射的信號(hào)慢慢發(fā)生相位漂移，產(chǎn)生幾個(gè)赫茲的拍頻（beat frequency）。由于運(yùn)動(dòng)傳感器并不關(guān)心確切的速度，因此芯片所要做的就是尋找毫伏級(jí)的變化：所有的復(fù)雜工作都已經(jīng)完成。

在這個(gè)模塊中，IF 信號(hào)通過第 14 引腳進(jìn)入芯片，但芯片通過第 16 引腳輸出經(jīng)過放大的副本，這對(duì)示波器更為友好：

在軌跡的中間，是我將一臺(tái)筆記本電腦向傳感器方向移動(dòng)了約 40 厘米。但傳感器不僅捕捉到了筆記本電腦移動(dòng)時(shí)的信號(hào)，還捕捉到了我伸手去停止示波器時(shí)產(chǎn)生的一些較慢的水平變化。這條軌跡足以讓我們弄清雷達(dá)使用的頻率：當(dāng)筆記本電腦移動(dòng)時(shí)，有 8 個(gè)峰值，這意味著往返路徑長度變化了 8 個(gè)波長。如果8個(gè)波長覆蓋了80厘米的距離，那么每個(gè)波長大約是10厘米，與實(shí)際波長 9.4 厘米相差不大。

那么神奇的地方在哪里呢？

整個(gè)電路板的右側(cè)只是 BISS0001，它充當(dāng)了放大器、比較器和定時(shí)器的角色。所有的射頻功能都在電路板的左側(cè)，只使用了少量元件：

乍一看，這只是一個(gè)工作頻率為 3.18 千兆赫的單晶體管振蕩器：

發(fā)射器上的 S 形走線是一個(gè)微波諧振器，也是一個(gè)天線，由 BJT 晶體管驅(qū)動(dòng)，諧振器和平行銅導(dǎo)線形成的電容提供反饋，以維持振蕩。我懷疑背面的環(huán)形結(jié)構(gòu)只是為了防止其他頻率的振蕩，許多非常類似的傳感器都沒有這樣的結(jié)構(gòu)，或者僅僅使用一個(gè)實(shí)心的地平面。振蕩器相當(dāng)不穩(wěn)定，會(huì)因?yàn)槭值碾娙莺推闷贫茙渍缀?。這可能是為什么模塊對(duì)電源噪聲非常敏感的原因。 雖然看起來是一個(gè)振蕩器，但實(shí)際上它是兩個(gè)振蕩器的結(jié)合。微波振蕩以 20 MHz 左右的頻率脈沖，在發(fā)射器上產(chǎn)生這種波形：

示波器無法直接觀測(cè)到3 GHz的信號(hào)，但這個(gè)信號(hào)在波形的下降部分之外是存在的。 發(fā)生的情況是，當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，它會(huì)改變 33 pF 的電容，使發(fā)射極電壓升高，直到振蕩器無法再運(yùn)行。此時(shí)，220 歐姆電阻會(huì)對(duì)電容放電，從而在幾納秒內(nèi)重新啟動(dòng)振蕩。 這種脈沖使它能作為超級(jí)再生接收器工作。一旦晶體管的增益超過 1，振蕩器不會(huì)立即啟動(dòng)，它需要一個(gè)微小的激勵(lì)開始工作。諧振器中的任何信號(hào)都會(huì)被反復(fù)放大，直到大到足以給電容充電并重新開始循環(huán)。由于振幅呈指數(shù)增長，即使微小的射頻信號(hào)也會(huì)增加脈沖頻率，從而將振蕩器變成一個(gè)靈敏的接收器。(這就是為什么振蕩器啟動(dòng)時(shí)無需等待太長時(shí)間，噪聲會(huì)迅速被放大，直至使晶體管放大器崩潰）。 等等，如果它是在振蕩器啟動(dòng)時(shí)接收，然后再發(fā)射，那它怎么能看到移動(dòng)物體的相位變化呢？ 由于關(guān)閉時(shí)間約為 15 納秒，任何來自 2.5 米以外靜態(tài)物體的回波都會(huì)在振蕩器啟動(dòng)期間到達(dá)。這些靜態(tài)回波充當(dāng)雷達(dá)的本地振蕩器，超再生接收器從靜態(tài)和移動(dòng)回波的干擾中檢測(cè)調(diào)幅信號(hào)。在有大量反射的室內(nèi)環(huán)境中，總會(huì)有一些射頻反彈，觸達(dá)移動(dòng)的物體，無論它們離得多近。

這種 “自以為是” 的雷達(dá)方法可能就是傳感器性能非常不穩(wěn)定的原因；在室內(nèi)，它工作得非常好，測(cè)距可達(dá) 5 米，但在室外，如果沒有靜態(tài)回波，它往往根本無法工作。

有點(diǎn)意思，S 波段發(fā)射機(jī)：

我嘗試的第一項(xiàng)改裝是移除導(dǎo)致 20 Mz 脈沖的電容：

這就把它變成了一個(gè)發(fā)射器，只要在振蕩器的任何地方施加信號(hào)，就能對(duì)它進(jìn)行頻率調(diào)制。此外，通過周期性地開啟和關(guān)閉電源，可以控制這個(gè)發(fā)射器的開關(guān)。

即使沒有脈沖和超級(jí)再生部分，雷達(dá)仍然可以工作，只是 IF 信號(hào)要弱得多，大大降低了靈敏度。原因是振蕩器本身充當(dāng)了一個(gè)混頻器，將接收到的信號(hào)降頻，但是這個(gè)過程中沒有增益。沒有增益意味著信號(hào)不會(huì)被放大，因此雷達(dá)的靈敏度會(huì)因?yàn)樾盘?hào)弱而降低。

雙基地雷達(dá)：

那么我們能否將其用于更傳統(tǒng)的雷達(dá)設(shè)置中呢？我試著把另一個(gè)未修改的模塊作為接收器放在發(fā)射器旁邊，結(jié)果得到了更穩(wěn)定的回波信號(hào)：

將筆記本電腦移向雷達(dá)和遠(yuǎn)離雷達(dá)時(shí)，奇怪的振幅變化消失了，從我相對(duì)緩慢移動(dòng)的手發(fā)出的回波信號(hào)要弱得多，這也是多普勒雷達(dá)的預(yù)期效果。另一方面，由于接收器不斷受到來自發(fā)射器的射頻干擾，遠(yuǎn)處的返回信號(hào)也更弱。它作為運(yùn)動(dòng)傳感器的功能也較差，因?yàn)樗枰忻黠@的移動(dòng)才能觸發(fā)，而不像通常情況下，幾乎任何東西都能觸發(fā)它。 另一方面，通過運(yùn)行 FFT 或簡單地檢測(cè) IF（芯片的 14/16 引腳）上的零交叉，它可以很好地用作速度傳感器。計(jì)算方法非常簡單，只需將波長乘以拍頻（beat frequency），再除以 2 即可得出速度。例如，示波器軌跡中的最高拍頻為 15 Hz，因此速度為 0.7 米/秒： 9.4 cm * 15 Hz/ 2 = 70 cm/s=0.7 米/秒

如果兩個(gè)模塊相隔1到2米，戶外性能比單獨(dú)使用一個(gè)模塊要好得多，兩個(gè)模塊之間的區(qū)域具有最佳的靈敏度。雖然性能仍然不是非常好，但比單獨(dú)模塊在戶外幾乎無法工作要好得多。

原文轉(zhuǎn)載自： https://10maurycy10.github.io/projects/motion_sensor_hacking/ 遵循 Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.