智能應用驅動(dòng)雷達技術(shù)普及，毫米波雷達將迎來(lái)黃金時(shí)期

雷達作為最初的軍用設備如今已經(jīng)普及到商用市場(chǎng)，廣泛應用于工業(yè)、通信、消費等各領(lǐng)域，那么，究竟什么是雷達呢？

簡(jiǎn)言之，雷達（Radio Detection andRanging）是用無(wú)線(xiàn)電的方法發(fā)現目標并測定它們的空間位置，是利用電磁波偵測目標的電子設備。主要通過(guò)多普勒頻移公式推算物體的速度、通過(guò)電磁波測得值計算目標距離或范圍、通過(guò)天線(xiàn)相位差計算目標方向及角度、通過(guò)FMCW（FrequencyModulated Continuous Wave，調頻連續波）計算目標位置，這使得其有諸多不同應用方向，包括發(fā)展火熱的無(wú)人駕駛、無(wú)人飛機，甚至智能手機及穿戴設備上的手勢識別等。

另外，由雷達測算諸多物理量的信息可以看出，對于設計而言，雷達除了需要有完整的硬件組成，演算及算法也是重要部分。

作為有超過(guò)十年的雷達應用經(jīng)驗，在汽車(chē)雷達中24GHz和77GHz見(jiàn)長(cháng)的英飛凌，其電源管理及多元化市場(chǎng)事業(yè)部大中華區射頻及傳感器部門(mén)總監麥正奇先生在第七屆EEVIA年度中國ICT媒體論壇暨2018產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望討論會(huì )上就雷達的技術(shù)、發(fā)展及應用做了詳盡的介紹。

硬件組成

 如圖1所示為雷達系統的基本硬件組成，包括發(fā)射機、接收機、信號處理器及天線(xiàn)。在雷達工作時(shí)，發(fā)射機生成射頻電信號，通過(guò)天線(xiàn)將電信號（電能）轉化為電磁波發(fā)出，另一個(gè)雷達的接收機接收到射頻信號后，將射頻電信號轉換為低頻信號，再由信號處理器從信號中抽取距離、速度和角度等信息完成工作回路。當然，要真正操作雷達，還需要有內部算法和GUI界面。

圖1 雷達系統的基本硬件組成

工作模式

根據功能的不同，雷達可以分為多種工作模式，其中，表1給出了三種工業(yè)雷達主要應用的工作模式。

表1 三種工業(yè)雷達主要應用的工作模式

就不同功能和應用而言，當你的設計只需要偵測物體速度或運動(dòng)時(shí)，在算法部分可以用簡(jiǎn)單的多普勒效應實(shí)現，這也相對容易實(shí)現；當你的設計還需要偵測物體距離時(shí)，就必須要用FSK才能實(shí)現；當你的設計還需要偵測靜態(tài)物體的存在感，就必須要用FMCW。相應的算法復雜度依次為：CW——FSK——FMCW，隨著(zhù)算法復雜程度的不斷加深，解決方案的成本及其運算功耗也相應增長(cháng)，因而復雜算法應用一直是雷達應用的一個(gè)較大的挑戰。

毫米波雷達

毫米波是指波長(cháng)為1～10mm的電磁波，它位于微波與遠紅外波相交疊的波長(cháng)范圍，因而兼有兩種波譜的特點(diǎn)。目前毫米波主要有數據傳輸和雷達偵測兩大方面的應用。其中，在雷達方面，盲點(diǎn)偵測（BSD）是其快速增長(cháng)的一個(gè)應用，而其主要應用在汽車(chē)工業(yè)上，如圖2所示為全球24GHzBSD的需求趨勢。

圖2 全球24GHz BSD需求趨勢圖

由圖2可以看到，2017年有2.18億顆傳感器應用在在這個(gè)BSD上面，因而市場(chǎng)對于毫米波雷達的需求量大大上升。就BSD來(lái)看，隨著(zhù)產(chǎn)品的成熟和競爭力的提升，毫米波雷達在2020年之后會(huì )進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展期。

毫米波雷達面臨的三大挑戰

毫米波雷達的應用現在也存在三大挑戰。

在業(yè)界上部分應用已經(jīng)被一些紅外線(xiàn)、激光雷達、獨立的解決方案所取代。雖然就市場(chǎng)來(lái)看，毫米波雷達的市場(chǎng)仍然不斷增長(cháng)，但部分應用被其他方案取代也不容忽視。

定制化算法的需求。這也是毫米波雷達應用的主要挑戰，不同應用需要不同的算法，而不同的算法又需要不同的專(zhuān)家來(lái)做研發(fā)，這為毫米波雷達具體應用的研發(fā)帶來(lái)了很大的困擾。

毫米波頻段法規尚不明確。因為毫米波是一個(gè)比較高頻的頻段，而在無(wú)線(xiàn)電的規范上，各個(gè)國家、區域所制定的法規和政策其實(shí)還沒(méi)有很完整地定義下來(lái)，尤其是在這些毫米波還沒(méi)有真正被大量使用的波段。5G可能也會(huì )用到毫米波，它可能會(huì )用到28GHz、29GHz、39GHz等不同頻段，頻段和頻段之間如何分別做出一些不同的定義和規范，這些都是隨后制定的相關(guān)法規明確規定。

頻段選用

 所有雷達都工作在300MHz到300GHz范圍內的特定頻段上工作，其中日常應用主要用到的是2.4GHz~200GHz頻段（如圖3），而每個(gè)頻段都在諸如天線(xiàn)尺寸、應用范圍、波長(cháng)、穿透力上對雷達產(chǎn)生影響，同時(shí)，每個(gè)國家對這些頻段也都有不同的定義。例如，微波爐應用在2.4GHz，手機應用大概在2GHz~3GHz范圍內，工業(yè)主要應用在24GHz和60GHz，汽車(chē)主要應用在77GHz。

圖3 各應用的工作頻段

其中，頻率越高，波長(cháng)越短，而波長(cháng)越短，其分辨率和準確度會(huì )越高，其中常見(jiàn)的24GHz的波長(cháng)是31.25px，60GHz是5mm，2.4G你看它的波長(cháng)是312.5px，雷達正是利用短波特性應用在不同場(chǎng)景中的。

24GHz及60GHz雷達應用于智能領(lǐng)域

現在討論較多的是應用諸多智能化新興應用領(lǐng)域的24GHz和60GHz雷達。

其中，24GHz主要實(shí)現空間和運動(dòng)感測，包括應用于智慧家庭、智慧樓宇、智能家電智能監控等，應用于人員/物體存在、計數、位置、速度，以及防撞和生命體征感測，例如有些人也將24GHz雷達應用于醫療領(lǐng)域，用于偵測心跳、呼吸等體征信息。其中，雷達天線(xiàn)設計比較靈活，工程師可以根據不同的場(chǎng)景做不同的天線(xiàn)設計。

  60GHz雷達的頻率更高，波長(cháng)更短，因而不僅可以應用在24GHz適用的場(chǎng)景，同時(shí)由于其天線(xiàn)可以設計地更小，受外界的環(huán)境干擾更小，在人機交互和手勢識別上更有優(yōu)勢。

其中，在手勢識別上英飛凌與谷歌高級技術(shù)與項目（ATAP）小組在ProjectSoli合作項目中共同開(kāi)發(fā)出基于雷達的感測解決方案IC，其主要運用英飛凌的60GHz雷達設計的小型傳感器，可以用在手機或可穿戴設備中做手勢識別。

圖4 英飛凌的60GHz雷達設計的小型傳感器應用

車(chē)用雷達的發(fā)展趨勢

車(chē)用雷達隨著(zhù)自動(dòng)駕駛的發(fā)展也再次被大量應用，而就世界主流汽車(chē)工業(yè)來(lái)看，目前前裝部分一定是用77GHz雷達，而在側邊及倒車(chē)橫向的偵測大部分都是使用24GHz雷達，這是目前全世界汽車(chē)工業(yè)的主流。在國內，前裝仍是77GHz為主流，后裝市場(chǎng)現在是在用24GHz，但是在前裝市場(chǎng)可能會(huì )考慮到77GHz和24GHz雷達共同開(kāi)發(fā)。而談到未來(lái)是否會(huì )用77GHz做一個(gè)完整的方案，麥正奇表示，我們跟汽車(chē)工業(yè)組也做了很多的探討，從技術(shù)上來(lái)看，短期內很難完成，我們認為在接下來(lái)的7年內汽車(chē)側邊防撞還是以24GHz雷達為主，因為它畢竟有一個(gè)價(jià)格上面或者技術(shù)成熟上面的優(yōu)勢，可能未來(lái)77GHz延伸到側邊或者是它的后邊橫向防撞，不過(guò)還是要根據后面的法規來(lái)看。

英飛凌加強與國內廠(chǎng)商合作  

麥正奇先生表示，英飛凌提供完整的雷達解決方案，所以我們必須要跟一些合作伙伴共同發(fā)展，尤其是在軟件及應用部分。24GHz雷達應用方面，在安防應用、盲點(diǎn)偵測和智能家居都有一些成功的案例，已經(jīng)完成了整個(gè)方案和產(chǎn)品的設計，也有在市場(chǎng)推廣。在未來(lái)我們也會(huì )持續不斷地與更多中國先進(jìn)廠(chǎng)商，用更多不同的先進(jìn)想法將毫米波雷達延伸應用到工業(yè)4.0、智能制造、人機交互、醫療等各領(lǐng)域，這也是我們這兩年來(lái)琢磨在中國市場(chǎng)的一個(gè)重點(diǎn)。