不斷“出圈”的毫米波雷達(dá)傳感器,市場前景可期
如何監(jiān)測心跳、呼吸等基本的生命體征?對于這個需求,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)時監(jiān)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(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)送一個頻率隨時間逐漸增加的信號,當(dāng)這個信號遇到物體之后會反射回來,其時延是距離/光速數(shù)值的2倍,而返回來的波形和發(fā)出的波形之間有個頻率差,這個頻率差和時延呈線性關(guān)系,將這兩個頻率做一個減法,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。汽車成了毫米波雷達(dá)在民用領(lǐng)域一個重要的切入點(diǎn),這些年隨著自動駕駛的興起,更是發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。目前在L2.5以上的自動駕駛系統(tǒng)中,毫米波雷達(dá)基本成了標(biāo)配。
毫米波雷達(dá)本質(zhì)上是對物體占位和運(yùn)動進(jìn)行感測,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)入這個新領(lǐng)域,毫米波雷達(dá)就要直面這些技術(shù)的挑戰(zhàn)。
毫米波雷達(dá) | 紅外傳感器 | 攝像頭 | 超聲波雷達(dá) | |
感應(yīng)機(jī)制 | 電磁波 | 紅外線 | 可見光 | 超聲波 |
溫度影響 | 無影響 | 40℃以上有影響 | 無影響 | 無影響 |
穿透能力 | 可穿透非金屬物體 | 無穿透能力 | 無穿透能力 | 無穿透能力 |
應(yīng)用環(huán)境 | 任何環(huán)境 | 不適用于煙塵、高溫環(huán)境 | 需較好光照條件 | 任何環(huán)境 |
壽命 | 長壽命 | ≈1000h | 長壽命 | 長壽命 |
穩(wěn)定性 | 穩(wěn)定可靠 | 感測距離隨使用時長縮短 | 受環(huán)境影響大 | 比較穩(wěn)定 |
探測距離 | 100米 | 8米 | 取決于光學(xué)鏡頭 | 5米 |
成本 | 適中 | 較低 | 較高 | 較低 |
技術(shù)瓶頸 | 掃描頻率 | 靜態(tài)人體檢測不準(zhǔn)確 | 隱私保護(hù) | 距離短,精度不高 |
圖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)對于自身在民用市場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)不僅可以偵測到對象是否存在,還可以確定移動物體的方向、速度、距離,甚至可以根據(jù)天線配置確定移動物體的準(zhǔn)確位置,這些高精度的數(shù)據(jù)和豐富的信息,無疑會為毫米波雷達(dá)在工業(yè)和消費(fèi)市場,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,針對民用市場的毫米波雷達(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)然成本也會更高),整個系統(tǒng)的外形也會更小,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)用上的性價比優(yōu)勢也不是那么顯著了,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。
60GHz毫米波雷達(dá)。這個頻段的雷達(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24GHz雷達(dá)帶寬受限、精度不足、對運(yùn)用物體的感測有局限的問題。正因?yàn)榇?,各個主要的技術(shù)廠商圍繞非汽車領(lǐng)域的毫米波雷達(dá)的競爭,也逐漸從24GHz轉(zhuǎn)移到60GHz頻段。
顯而易見,60GHz毫米波雷達(dá)對于細(xì)微動作的檢測更為擅長。60GHz的雷達(dá)波長為5mm,0.5mm的微動作,相當(dāng)于10%的波長,這在雷達(dá)“看起來”已經(jīng)是一個明顯的位移了。
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)在四個領(lǐng)域的表現(xiàn)十分值得期待。
首先是樓宇自動化和智能家居領(lǐng)域。作為人體和運(yùn)動傳感器,毫米波雷達(dá)可以對區(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)測就是一個典型的用例。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)自動檢測并捕獲呼吸和心跳引發(fā)的細(xì)微動作。
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(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。因此在特定的場合,毫米波雷達(dá)可以作為一個替代方案,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(dá)”相互聯(lián)動的解決方案,還可增強(qiáng)原有方案的性能和可靠性,有利于實(shí)現(xiàn)更高的識別率、更低的誤報率、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)動檢測,毫米波雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的手勢和肢體識別,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控制、實(shí)時游戲交互、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力,可以預(yù)見,接下來物聯(lián)網(wǎng)市場將會成為驅(qū)動毫米波雷達(dá)市場的另一個車輪,推動其以更高的加速度向前飛奔。