不斷“出圈”的毫米波雷達傳感器，市場(chǎng)前景可期

如何監測心跳、呼吸等基本的生命體征？對于這個(gè)需求，相信大多數人的第一反應就是醫院的心電圖儀等專(zhuān)業(yè)醫療監護設備。這些年隨著(zhù)可穿戴設備的興起，很多智能手表和手環(huán)也可以通過(guò)光電法，實(shí)時(shí)獲取用戶(hù)脈搏、血氧等體征參數，為人們帶來(lái)了極大的便利。

但是上述這些方法有一個(gè)共性，它們都是“接觸式”的測量方案，就是要將傳感器直接連接到被測對象的身體上。如果想找一種“非接觸式”的測量方法，隔空完成心跳、呼吸的實(shí)時(shí)監測，可行嗎？

這樣的測量方案已經(jīng)有了！它采用的是毫米波雷達技術(shù)。

性能不俗的“后來(lái)者”

眾所周知，雷達最早的應用是在軍事上，其原理是產(chǎn)生并通過(guò)發(fā)射器發(fā)送一個(gè)頻率隨時(shí)間逐漸增加的信號，當這個(gè)信號遇到物體之后會(huì )反射回來(lái)，其時(shí)延是距離/光速數值的2倍，而返回來(lái)的波形和發(fā)出的波形之間有個(gè)頻率差，這個(gè)頻率差和時(shí)延呈線(xiàn)性關(guān)系，將這兩個(gè)頻率做一個(gè)減法，就可以得到二者頻率的差頻（差拍頻率），由此就可以計算出物體與雷達的距離。在此基礎上，不僅可以獲知被測目標是否存在，還可以計算出目標的位置、方向、距離和速度等精確信息。

后來(lái)，雷達的應用逐漸擴展到其他一些專(zhuān)用領(lǐng)域，并且最終憑借毫米波雷達走入了民用市場(chǎng)。汽車(chē)成了毫米波雷達在民用領(lǐng)域一個(gè)重要的切入點(diǎn)，這些年隨著(zhù)自動(dòng)駕駛的興起，更是發(fā)展勢頭強勁。目前在L2.5以上的自動(dòng)駕駛系統中，毫米波雷達基本成了標配。

毫米波雷達本質(zhì)上是對物體占位和運動(dòng)進(jìn)行感測，在更廣闊的民用領(lǐng)域，在雷達到來(lái)之前已經(jīng)有一些成熟傳感技術(shù)（如PIR和超聲波）的成熟應用，想要突破自己原有的“舒適圈”，進(jìn)入這個(gè)新領(lǐng)域，毫米波雷達就要直面這些技術(shù)的挑戰。

表1 毫米波雷達與其他傳感器技術(shù)的比較

不過(guò)就技術(shù)特性來(lái)講，毫米波雷達對于自身在民用市場(chǎng)攻城略地還是很有信心的。具體來(lái)說(shuō)，毫米波雷達不容易受環(huán)境（溫度光線(xiàn)等）的影響，能夠穿透塑料、墻板和衣服等非金屬材料，這就決定了它可以在一些特定的應用場(chǎng)景中占據C位；另一方面，與其他傳感器相比，毫米波雷達不僅可以偵測到對象是否存在，還可以確定移動(dòng)物體的方向、速度、距離，甚至可以根據天線(xiàn)配置確定移動(dòng)物體的準確位置，這些高精度的數據和豐富的信息，無(wú)疑會(huì )為毫米波雷達在工業(yè)和消費市場(chǎng)，特別是與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的領(lǐng)域贏(yíng)得新的發(fā)展空間。

毫米波雷達“三兄弟”

按照工作頻段，針對民用市場(chǎng)的毫米波雷達可以分為三類(lèi)：

24GHz毫米波雷達。這也是最先投入民用的毫米波雷達，其波長(cháng)為1.25cm（勉強算是毫米波）。由于頻段的頻率比較低，帶寬比較窄（只有250MHz），因此24GHz毫米波雷達在測量精度上受限，這也在一定程度上限制了其應用范圍的擴展。不過(guò)由于其技術(shù)成熟，成本低廉，還是有不少可發(fā)揮的空間。

77GHz毫米波雷達。這個(gè)頻段的毫米波雷達波長(cháng)只有3.9mm，頻率比較高，帶寬可達4GHz。一般來(lái)說(shuō)，雷達的波長(cháng)越短，分辨率/精準度越高（當然成本也會(huì )更高），整個(gè)系統的外形也會(huì )更小，因此77GHz毫米波雷達逐漸接棒24GHz產(chǎn)品，成為汽車(chē)領(lǐng)域的主流，而且很多國家和地區也將這個(gè)頻段分配為汽車(chē)的專(zhuān)用頻段。

隨著(zhù)77GHz毫米波雷達技術(shù)的成熟，24GHz方案在車(chē)載應用上的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢也不是那么顯著(zhù)了，因此這些年24GHz毫米波雷達也逐漸將后續發(fā)展的重心轉向工業(yè)和消費市場(chǎng)。

60GHz毫米波雷達。這個(gè)頻段的雷達波長(cháng)為5mm，具有高達7GHz的可用于短程應用的免許可帶寬，因此其可以提供更好的分辨率。它的出現主要是為了應對24GHz雷達帶寬受限、精度不足、對運用物體的感測有局限的問(wèn)題。正因為此，各個(gè)主要的技術(shù)廠(chǎng)商圍繞非汽車(chē)領(lǐng)域的毫米波雷達的競爭，也逐漸從24GHz轉移到60GHz頻段。

顯而易見(jiàn)，60GHz毫米波雷達對于細微動(dòng)作的檢測更為擅長(cháng)。60GHz的雷達波長(cháng)為5mm，0.5mm的微動(dòng)作，相當于10%的波長(cháng)，這在雷達“看起來(lái)”已經(jīng)是一個(gè)明顯的位移了。

非汽車(chē)領(lǐng)域的“新賽道”

可以說(shuō)，有了24GHz雷達打前站，77GHz雷達在汽車(chē)領(lǐng)域的重點(diǎn)突破，以及60GHz雷達的補強，毫米波雷達“三兄弟”已經(jīng)在民用市場(chǎng)闖出了一片新天地。特別是在非汽車(chē)領(lǐng)域，毫米波雷達在四個(gè)領(lǐng)域的表現十分值得期待。

首先是樓宇自動(dòng)化和智能家居領(lǐng)域。作為人體和運動(dòng)傳感器，毫米波雷達可以對區域內的人員數量、位置進(jìn)行精準的感知，并以此為依據去控制照明、空調等系統，實(shí)現更高效的節能。也有開(kāi)發(fā)者在探索將毫米波雷達與電梯控制結合在一起，根據算法準確測算出電梯間內等待的乘客數量——甚至能夠準確判斷出無(wú)關(guān)的過(guò)客和真正的乘客——進(jìn)而合理調度，提升電梯的運行效率。

其次是健康監護領(lǐng)域。上文提到的心跳、呼吸監測就是一個(gè)典型的用例。而且隨著(zhù)老齡化進(jìn)程的加速，毫米波雷達與智慧養老相結合，還可以演化出跌倒報警、睡眠監控等更多的新用例。這一領(lǐng)域未來(lái)的前景，也非常值得關(guān)注。比如，安富利就開(kāi)發(fā)出了一款基于英飛凌BGT60TR1X系列毫米波雷達芯片的呼吸心跳檢測解決方案，該方案利用一發(fā)一收兩根天線(xiàn)即可工作，采集得到的數據通過(guò)基于A(yíng)rm Cortex-M7的低成本MCU上進(jìn)行處理，能夠在大范圍內自動(dòng)檢測并捕獲呼吸和心跳引發(fā)的細微動(dòng)作。

圖2 安富利的毫米波雷達功能示意圖

圖3 安富利毫米波雷達呼吸心跳檢測方案實(shí)測圖，

左上和右上圖顯示的是隨呼吸和心跳引發(fā)的胸部位移變化

第三是安防監控領(lǐng)域。盡管攝像頭目前是這一領(lǐng)域的主流方案，但是個(gè)人隱私也一直是伴隨著(zhù)視覺(jué)解決方案的敏感的話(huà)題。因此在特定的場(chǎng)合，毫米波雷達可以作為一個(gè)替代方案，代替攝像頭去進(jìn)行流量分析、入侵檢測等工作。此外，采用“攝像頭+毫米波雷達”相互聯(lián)動(dòng)的解決方案，還可增強原有方案的性能和可靠性，有利于實(shí)現更高的識別率、更低的誤報率、更低的人工成本。

最后是人機交互（HMI）領(lǐng)域。憑借精準運動(dòng)檢測，毫米波雷達可以實(shí)現更精細的手勢和肢體識別，為用戶(hù)提供更自然的HMI體驗。這在小屏幕或近程屏幕的非接觸手勢控制、實(shí)時(shí)游戲交互、家電控制等方面將帶了全新的用戶(hù)體驗。

總之，從軍用到專(zhuān)用，再到汽車(chē)，再到工業(yè)和消費物聯(lián)網(wǎng)應用，毫米波雷達通過(guò)不斷地“出圈”，使得自身的應用版圖不斷擴大。MarketsandMarkets的數據顯示，到2023年雷達傳感器的市場(chǎng)總量將達到206億美元，從2017年到2023年的復合年增長(cháng)率高達19.5%。其中車(chē)載雷達是這一波增長(cháng)最大的推動(dòng)力，可以預見(jiàn)，接下來(lái)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)將會(huì )成為驅動(dòng)毫米波雷達市場(chǎng)的另一個(gè)車(chē)輪，推動(dòng)其以更高的加速度向前飛奔。