不斷“出圈”的毫米波雷達(dá)傳感器，市場(chǎng)前景可期

如何監(jiān)測(cè)心跳、呼吸等基本的生命體征？對(duì)于這個(gè)需求，相信大多數(shù)人的第一反應(yīng)就是醫(yī)院的心電圖儀等專業(yè)醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備。這些年隨著可穿戴設(shè)備的興起，很多智能手表和手環(huán)也可以通過光電法，實(shí)時(shí)獲取用戶脈搏、血氧等體征參數(shù)，為人們帶來了極大的便利。

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

這樣的測(cè)量方案已經(jīng)有了！它采用的是毫米波雷達(dá)技術(shù)。

性能不俗的“后來者”

眾所周知，雷達(dá)最早的應(yīng)用是在軍事上，其原理是產(chǎn)生并通過發(fā)射器發(fā)送一個(gè)頻率隨時(shí)間逐漸增加的信號(hào)，當(dāng)這個(gè)信號(hào)遇到物體之后會(huì)反射回來，其時(shí)延是距離/光速數(shù)值的2倍，而返回來的波形和發(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(jì)算出物體與雷達(dá)的距離。在此基礎(chǔ)上，不僅可以獲知被測(cè)目標(biāo)是否存在，還可以計(jì)算出目標(biāo)的位置、方向、距離和速度等精確信息。

后來，雷達(dá)的應(yīng)用逐漸擴(kuò)展到其他一些專用領(lǐng)域，并且最終憑借毫米波雷達(dá)走入了民用市場(chǎng)。汽車成了毫米波雷達(dá)在民用領(lǐng)域一個(gè)重要的切入點(diǎn)，這些年隨著自動(dòng)駕駛的興起，更是發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。目前在L2.5以上的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，毫米波雷達(dá)基本成了標(biāo)配。

毫米波雷達(dá)本質(zhì)上是對(duì)物體占位和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行感測(cè)，在更廣闊的民用領(lǐng)域，在雷達(dá)到來之前已經(jīng)有一些成熟傳感技術(shù)（如PIR和超聲波）的成熟應(yīng)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(dá)就要直面這些技術(shù)的挑戰(zhàn)。

表1 毫米波雷達(dá)與其他傳感器技術(shù)的比較

不過就技術(shù)特性來講，毫米波雷達(dá)對(duì)于自身在民用市場(chǎng)攻城略地還是很有信心的。具體來說，毫米波雷達(dá)不容易受環(huán)境（溫度光線等）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(yīng)用場(chǎng)景中占據(jù)C位；另一方面，與其他傳感器相比，毫米波雷達(dá)不僅可以偵測(cè)到對(duì)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(jù)天線配置確定移動(dòng)物體的準(zhǔn)確位置，這些高精度的數(shù)據(jù)和豐富的信息，無疑會(huì)為毫米波雷達(dá)在工業(yè)和消費(fèi)市場(chǎng)，特別是與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的領(lǐng)域贏得新的發(fā)展空間。

毫米波雷達(dá)“三兄弟”

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

24GHz毫米波雷達(dá)。這也是最先投入民用的毫米波雷達(dá)，其波長為1.25cm（勉強(qiáng)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(dá)在測(cè)量精度上受限，這也在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍的擴(kuò)展。不過由于其技術(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(dá)。這個(gè)頻段的毫米波雷達(dá)波長只有3.9mm，頻率比較高，帶寬可達(dá)4GHz。一般來說，雷達(dá)的波長越短，分辨率/精準(zhǔn)度越高（當(dāng)然成本也會(huì)更高），整個(gè)系統(tǒng)的外形也會(huì)更小，因此77GHz毫米波雷達(dá)逐漸接棒24GHz產(chǎn)品，成為汽車領(lǐng)域的主流，而且很多國家和地區(qū)也將這個(gè)頻段分配為汽車的專用頻段。

隨著77GHz毫米波雷達(dá)技術(shù)的成熟，24GHz方案在車載應(yīng)用上的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)也不是那么顯著了，因此這些年24GHz毫米波雷達(dá)也逐漸將后續(xù)發(fā)展的重心轉(zhuǎn)向工業(yè)和消費(fèi)市場(chǎng)。

60GHz毫米波雷達(dá)。這個(gè)頻段的雷達(dá)波長為5mm，具有高達(dá)7GHz的可用于短程應(yīng)用的免許可帶寬，因此其可以提供更好的分辨率。它的出現(xiàn)主要是為了應(yīng)對(duì)24GHz雷達(dá)帶寬受限、精度不足、對(duì)運(yùn)用物體的感測(cè)有局限的問題。正因?yàn)榇?，各個(gè)主要的技術(shù)廠商圍繞非汽車領(lǐng)域的毫米波雷達(dá)的競(jìng)爭(zhēng)，也逐漸從24GHz轉(zhuǎn)移到60GHz頻段。

顯而易見，60GHz毫米波雷達(dá)對(duì)于細(xì)微動(dòng)作的檢測(cè)更為擅長。60GHz的雷達(dá)波長為5mm，0.5mm的微動(dòng)作，相當(dāng)于10%的波長，這在雷達(dá)“看起來”已經(jīng)是一個(gè)明顯的位移了。

非汽車領(lǐng)域的“新賽道”

可以說，有了24GHz雷達(dá)打前站，77GHz雷達(dá)在汽車領(lǐng)域的重點(diǎn)突破，以及60GHz雷達(dá)的補(bǔ)強(qiáng)，毫米波雷達(dá)“三兄弟”已經(jīng)在民用市場(chǎng)闖出了一片新天地。特別是在非汽車領(lǐng)域，毫米波雷達(dá)在四個(gè)領(lǐng)域的表現(xiàn)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(yùn)動(dòng)傳感器，毫米波雷達(dá)可以對(duì)區(qū)域內(nèi)的人員數(shù)量、位置進(jìn)行精準(zhǔn)的感知，并以此為依據(jù)去控制照明、空調(diào)等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更高效的節(jié)能。也有開發(fā)者在探索將毫米波雷達(dá)與電梯控制結(jié)合在一起，根據(jù)算法準(zhǔn)確測(cè)算出電梯間內(nèi)等待的乘客數(shù)量——甚至能夠準(zhǔn)確判斷出無關(guān)的過客和真正的乘客——進(jìn)而合理調(diào)度，提升電梯的運(yùn)行效率。

其次是健康監(jiān)護(hù)領(lǐng)域。上文提到的心跳、呼吸監(jiān)測(cè)就是一個(gè)典型的用例。而且隨著老齡化進(jìn)程的加速，毫米波雷達(dá)與智慧養(yǎng)老相結(jié)合，還可以演化出跌倒報(bào)警、睡眠監(jiān)控等更多的新用例。這一領(lǐng)域未來的前景，也非常值得關(guān)注。比如，安富利就開發(fā)出了一款基于英飛凌BGT60TR1X系列毫米波雷達(dá)芯片的呼吸心跳檢測(cè)解決方案，該方案利用一發(fā)一收兩根天線即可工作，采集得到的數(shù)據(jù)通過基于Arm Cortex-M7的低成本MCU上進(jìn)行處理，能夠在大范圍內(nèi)自動(dòng)檢測(cè)并捕獲呼吸和心跳引發(fā)的細(xì)微動(dòng)作。

圖2 安富利的毫米波雷達(dá)功能示意圖

圖3 安富利毫米波雷達(dá)呼吸心跳檢測(cè)方案實(shí)測(cè)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(jiān)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視覺解決方案的敏感的話題。因此在特定的場(chǎng)合，毫米波雷達(dá)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(cè)等工作。此外，采用“攝像頭+毫米波雷達(dá)”相互聯(lián)動(dòng)的解決方案，還可增強(qiáng)原有方案的性能和可靠性，有利于實(shí)現(xiàn)更高的識(shí)別率、更低的誤報(bào)率、更低的人工成本。

最后是人機(jī)交互（HMI）領(lǐng)域。憑借精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，毫米波雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的手勢(shì)和肢體識(shí)別，為用戶提供更自然的HMI體驗(yàn)。這在小屏幕或近程屏幕的非接觸手勢(shì)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體驗(yàn)。

總之，從軍用到專用，再到汽車，再到工業(yè)和消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，毫米波雷達(dá)通過不斷地“出圈”，使得自身的應(yīng)用版圖不斷擴(kuò)大。MarketsandMarkets的數(shù)據(jù)顯示，到2023年雷達(dá)傳感器的市場(chǎng)總量將達(dá)到206億美元，從2017年到2023年的復(fù)合年增長率高達(dá)19.5%。其中車載雷達(dá)是這一波增長最大的推動(dòng)力，可以預(yù)見，接下來物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)將會(huì)成為驅(qū)動(dòng)毫米波雷達(dá)市場(chǎng)的另一個(gè)車輪，推動(dòng)其以更高的加速度向前飛奔。