毫米波雷達 是甚麼？深入解析其工作原理、優勢與應用領域
毫米波雷達 是甚麼？
毫米波雷達（Millimeter-wave Radar）是一種利用毫米波段（通常指頻率介於 30 GHz 到 300 GHz 之間，對應波長為 1 毫米到 10 毫米）的電磁波來探測物體、測量距離、速度和角度的雷達系統。它因其高解析度和小尺寸而成為許多現代技術的關鍵組件。
毫米波雷達的工作原理
毫米波雷達的工作原理與傳統雷達相似，但其採用的頻段具有獨特的特性，賦予其特定的優勢。其基本工作流程如下：
- 發射訊號： 毫米波雷達系統中的發射器會產生高頻率的毫米波電磁波訊號。
- 訊號傳播： 這些訊號通過天線向目標區域發射。
- 訊號反射： 當訊號遇到物體時，會被反射回來。
- 訊號接收： 系統中的接收器會捕捉這些反射回來的訊號。
- 訊號處理： 經過處理的反射訊號可以提取出關鍵資訊，例如：
- 距離： 通過測量發射訊號到接收訊號之間的時間延遲，可以計算出目標的距離。這依賴於電磁波的傳播速度是恆定的。
- 速度： 利用都卜勒效應（Doppler Effect），毫米波雷達可以檢測反射訊號頻率的偏移，從而判斷目標相對於雷達的移動速度。如果目標靠近，反射訊號頻率會升高；如果目標遠離，反射訊號頻率會降低。
- 角度： 通過使用定向天線或天線陣列，雷達可以確定反射訊號傳來的方向，進而判斷目標的方位角和俯仰角。
毫米波雷達的關鍵技術組成
構成一個毫米波雷達系統的關鍵技術組件包括：
- 發射器 (Transmitter)： 產生高頻毫米波訊號，通常使用微電子機械系統 (MEMS) 或固態電子元件。
- 天線 (Antenna)： 負責發射和接收毫米波訊號。毫米波雷達的天線通常設計得較小，這得益於其較短的波長。
- 接收器 (Receiver)： 捕獲從目標反射回來的微弱訊號，並將其放大和轉換為可處理的電訊號。
- 訊號處理單元 (Signal Processing Unit)： 對接收到的訊號進行分析和處理，提取出目標的距離、速度、角度等資訊。這通常涉及複雜的演算法和數位訊號處理 (DSP) 技術。
- 電源管理 (Power Management)： 為整個系統提供穩定可靠的電源。
為什麼毫米波具有獨特優勢？
毫米波段的電磁波相較於傳統的微波頻段，具有以下顯著優勢，這也是毫米波雷達廣泛應用的重要原因：
- 高解析度： 毫米波的波長較短，這使得雷達能夠在相同孔徑下實現更高的角度解析度，從而更精確地分辨出相鄰的物體。這對於精細化探測和成像至關重要。
- 高頻寬： 毫米波頻段可用的頻寬較寬，這意味著雷達可以傳輸更長的訊號（例如調頻連續波 FMCW），從而獲得更高的距離解析度，能夠區分開非常接近的物體。
- 設備小型化： 由於波長較短，構成雷達系統的組件（尤其是天線）可以做得更小。這使得毫米波雷達系統能夠集成到各種小型設備中，例如汽車、無人機、手機等。
- 穿透非金屬材料能力： 毫米波能夠穿透一些非金屬材料，例如塑膠、織物、甚至是部分牆壁，這為某些應用提供了獨特的優勢。
- 受天氣影響相對較小（在特定條件下）： 雖然強降雨和濃霧會對毫米波產生一定衰減，但其受天氣影響的程度通常比更高頻率的紅外線等技術要小，尤其是在光線不足的環境下。
毫米波雷達的應用領域
憑藉其獨特的優勢，毫米波雷達已經滲透到我們生活的方方面面，並在眾多領域發揮著不可或缺的作用：
汽車產業
- 先進駕駛輔助系統 (ADAS)： 毫米波雷達是現代汽車 ADAS 的核心組件，用於實現自適應巡航控制 (ACC)、自動緊急制動 (AEB)、盲點監測 (BSM)、車道偏離預警 (LDW) 等功能。它們能夠在各種天氣條件下，精確探測前方和周圍的車輛、行人、障礙物，並提供精確的距離和速度資訊。
- 自動駕駛： 在自動駕駛汽車中，毫米波雷達與 LiDAR、攝影機等傳感器協同工作，構建全面的環境感知系統，確保行車安全。
工業自動化與物聯網 (IoT)
- 物位測量： 在化工、製藥、食品加工等行業的儲罐和料倉中，毫米波雷達用於精確測量液體或固體物料的儲存水平，即使在惡劣的工況下也能穩定工作。
- 交通監測： 用於監測交通流量、車速、車牌識別等。
- 安全監控： 在安防領域，毫米波雷達可用於非接觸式人體探測、入侵檢測，並能穿透煙霧或衣物進行探測。
- 智能家居： 用於人體存在檢測、手勢識別等，提升家居的智能化水平。
醫療保健
- 生命體徵監測： 毫米波雷達可以用來無創地監測人體的呼吸、心率等生命體徵，尤其適用於新生兒、老年人或行動不便的患者。
- 醫療成像： 在某些醫學成像應用中，毫米波雷達也展現出潛力，例如用於皮膚癌檢測等。
消費電子產品
- 手勢識別： 許多智能手機、智能音箱等設備開始集成毫米波雷達，以實現精準的手勢控制，用戶可以通過簡單的手勢來操作設備。
- 存在檢測： 用於檢測用戶是否在設備附近，從而進行自動喚醒或進入節電模式。
與其他傳感器的比較
與其他常用的傳感器相比，毫米波雷達有其獨特的定位：
- 與攝影機 (Camera) 比較： 攝影機依賴光學成像，在低光照、惡劣天氣（雨、霧、雪）和煙霧環境下性能會顯著下降。毫米波雷達則不受這些條件的影響，能在惡劣環境下提供可靠的測距和速度資訊。但攝影機在辨識物體類型、顏色等方面具有優勢。
- 與 LiDAR (光學雷達) 比較： LiDAR 通常工作在近紅外波段，具有非常高的空間解析度，能夠生成精確的 3D 點雲圖。然而，LiDAR 在雨、霧、雪等天氣條件下會受到嚴重影響，且設備成本相對較高。毫米波雷達雖然空間解析度可能不如 LiDAR，但成本更低，且在惡劣天氣下的穩定性更好。
- 與超聲波傳感器比較： 超聲波傳感器通常用於短距離探測，價格低廉，但在遠距離和高速移動物體探測方面能力有限，且易受環境噪音和材料表面的影響。毫米波雷達的探測距離更遠，精確度更高。
總而言之，毫米波雷達是一種先進的探測技術，通過利用高頻的毫米波段電磁波，在測量距離、速度和角度方面表現出色。其獨特的工作原理和優勢使其在汽車、工業、醫療、消費電子等多個領域得到了廣泛的應用，並持續推動著技術的創新和發展。
