“最近買了一些便宜的 RCWL-0516 微波運動傳感器，讓我們看看幾塊錢的雷達運動傳感器內部是怎么樣的。”

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 1 uF 的去耦電容，就能讓它正常工作。當有人在 ~5 米范圍內移動時，OUT 引腳會升至 3 伏，持續 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 芯片的數據手冊。原來 BISS0001 是一款紅外運動傳感器芯片。它是如何工作的？

一般來說，運動和速度感應（多普勒）雷達的工作原理是發送連續載波，然后將接收到的信號與發射的載波混合，形成低頻的 IF 信號。如果反射信號來自移動的物體，接收到的信號會與發射的信號慢慢發生相位漂移，產生幾個赫茲的拍頻（beat frequency）。由于運動傳感器并不關心確切的速度，因此芯片所要做的就是尋找毫伏級的變化：所有的復雜工作都已經完成。

在這個模塊中，IF 信號通過第 14 引腳進入芯片，但芯片通過第 16 引腳輸出經過放大的副本，這對示波器更為友好：

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

那么神奇的地方在哪里呢？

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

乍一看，這只是一個工作頻率為 3.18 千兆赫的單晶體管振蕩器：

發射器上的 S 形走線是一個微波諧振器，也是一個天線，由 BJT 晶體管驅動，諧振器和平行銅導線形成的電容提供反饋，以維持振蕩。我懷疑背面的環形結構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構，或者僅僅使用一個實心的地平面。振蕩器相當不穩定，會因為手的電容和偏置漂移而漂移幾兆赫。這可能是為什么模塊對電源噪聲非常敏感的原因。 雖然看起來是一個振蕩器，但實際上它是兩個振蕩器的結合。微波振蕩以 20 MHz 左右的頻率脈沖，在發射器上產生這種波形：

示波器無法直接觀測到3 GHz的信號，但這個信號在波形的下降部分之外是存在的。 發生的情況是，當振蕩器運行時，它會改變 33 pF 的電容，使發射極電壓升高，直到振蕩器無法再運行。此時，220 歐姆電阻會對電容放電，從而在幾納秒內重新啟動振蕩。 這種脈沖使它能作為超級再生接收器工作。一旦晶體管的增益超過 1，振蕩器不會立即啟動，它需要一個微小的激勵開始工作。諧振器中的任何信號都會被反復放大，直到大到足以給電容充電并重新開始循環。由于振幅呈指數增長，即使微小的射頻信號也會增加脈沖頻率，從而將振蕩器變成一個靈敏的接收器。(這就是為什么振蕩器啟動時無需等待太長時間，噪聲會迅速被放大，直至使晶體管放大器崩潰）。 等等，如果它是在振蕩器啟動時接收，然后再發射，那它怎么能看到移動物體的相位變化呢？ 由于關閉時間約為 15 納秒，任何來自 2.5 米以外靜態物體的回波都會在振蕩器啟動期間到達。這些靜態回波充當雷達的本地振蕩器，超再生接收器從靜態和移動回波的干擾中檢測調幅信號。在有大量反射的室內環境中，總會有一些射頻反彈，觸達移動的物體，無論它們離得多近。

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

有點意思，S 波段發射機：

我嘗試的第一項改裝是移除導致 20 Mz 脈沖的電容：

這就把它變成了一個發射器，只要在振蕩器的任何地方施加信號，就能對它進行頻率調制。此外，通過周期性地開啟和關閉電源，可以控制這個發射器的開關。

即使沒有脈沖和超級再生部分，雷達仍然可以工作，只是 IF 信號要弱得多，大大降低了靈敏度。原因是振蕩器本身充當了一個混頻器，將接收到的信號降頻，但是這個過程中沒有增益。沒有增益意味著信號不會被放大，因此雷達的靈敏度會因為信號弱而降低。

雙基地雷達：

那么我們能否將其用于更傳統的雷達設置中呢？我試著把另一個未修改的模塊作為接收器放在發射器旁邊，結果得到了更穩定的回波信號：

將筆記本電腦移向雷達和遠離雷達時，奇怪的振幅變化消失了，從我相對緩慢移動的手發出的回波信號要弱得多，這也是多普勒雷達的預期效果。另一方面，由于接收器不斷受到來自發射器的射頻干擾，遠處的返回信號也更弱。它作為運動傳感器的功能也較差，因為它需要有明顯的移動才能觸發，而不像通常情況下，幾乎任何東西都能觸發它。 另一方面，通過運行 FFT 或簡單地檢測 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

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

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