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不斷“出圈”的毫米波雷達傳感器,市場前景可期

2021-08-12 來源:EEWORLD

不斷“出圈”的毫米波雷達傳感器,市場前景可期


如何監測心跳、呼吸等基本的生命體征?對于這個需求,相信大多數人的第一反應就是醫院的心電圖儀等專業醫療監護設備。這些年隨著可穿戴設備的興起,很多智能手表和手環也可以通過光電法,實時獲取用戶脈搏、血氧等體征參數,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、呼吸的實時監測,可行嗎?


這樣的測量方案已經有了!它采用的是毫米波雷達技術。


性能不俗的“后來者”


眾所周知,雷達最早的應用是在軍事上,其原理是產生并通過發射器發送一個頻率隨時間逐漸增加的信號,當這個信號遇到物體之后會反射回來,其時延是距離/光速數值的2倍,而返回來的波形和發出的波形之間有個頻率差,這個頻率差和時延呈線性關系,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,雷達的應用逐漸擴展到其他一些專用領域,并且最終憑借毫米波雷達走入了民用市場。汽車成了毫米波雷達在民用領域一個重要的切入點,這些年隨著自動駕駛的興起,更是發展勢頭強勁。目前在L2.5以上的自動駕駛系統中,毫米波雷達基本成了標配。

毫米波雷達本質上是對物體占位和運動進行感測,在更廣闊的民用領域,在雷達到來之前已經有一些成熟傳感技術(如PIR和超聲波)的成熟應用,想要突破自己原有的“舒適圈”,進入這個新領域,毫米波雷達就要直面這些技術的挑戰。


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表1:毫米波雷達與其他傳感器技術的比較


不過就技術特性來講,毫米波雷達對于自身在民用市場攻城略地還是很有信心的。具體來說,毫米波雷達不容易受環境(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用場景中占據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,還可以確定移動物體的方向、速度、距離,甚至可以根據天線配置確定移動物體的準確位置,這些高精度的數據和豐富的信息,無疑會為毫米波雷達在工業和消費市場,特別是與物聯網相關的領域贏得新的發展空間。


毫米波雷達“三兄弟”


按照工作頻段,針對民用市場的毫米波雷達可以分為三類:


24GHz毫米波雷達。這也是最先投入民用的毫米波雷達,其波長為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。不過由于其技術成熟,成本低廉,還是有不少可發揮的空間。


77GHz毫米波雷達。這個頻段的毫米波雷達波長只有3.9mm,頻率比較高,帶寬可達4GHz。一般來說,雷達的波長越短,分辨率/精準度越高(當然成本也會更高),整個系統的外形也會更小,因此77GHz毫米波雷達逐漸接棒24GHz產品,成為汽車領域的主流,而且很多國家和地區也將這個頻段分配為汽車的專用頻段。


隨著77GHz毫米波雷達技術的成熟,24GHz方案在車載應用上的性價比優勢也不是那么顯著了,因此這些年24GHz毫米波雷達也逐漸將后續發展的重心轉向工業和消費市場。


60GHz毫米波雷達。這個頻段的雷達波長為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題。正因為此,各個主要的技術廠商圍繞非汽車領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,60GHz毫米波雷達對于細微動作的檢測更為擅長。60GHz的雷達波長為5mm,0.5mm的微動作,相當于10%的波長,這在雷達“看起來”已經是一個明顯的位移了。


非汽車領域的“新賽道”


可以說,有了24GHz雷達打前站,77GHz雷達在汽車領域的重點突破,以及60GHz雷達的補強,毫米波雷達“三兄弟”已經在民用市場闖出了一片新天地。特別是在非汽車領域,毫米波雷達在四個領域的表現十分值得期待。


首先是樓宇自動化和智能家居領域。作為人體和運動傳感器,毫米波雷達可以對區域內的人員數量、位置進行精準的感知,并以此為依據去控制照明、空調等系統,實現更高效的節能。也有開發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關的過客和真正的乘客——進而合理調度,提升電梯的運行效率。


其次是健康監護領域。上文提到的心跳、呼吸監測就是一個典型的用例。而且隨著老齡化進程的加速,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。這一領域未來的前景,也非常值得關注。比如,安富利就開發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,該方案利用一發一收兩根天線即可工作,采集得到的數據通過基于Arm Cortex-M7的低成本MCU上進行處理,能夠在大范圍內自動檢測并捕獲呼吸和心跳引發的細微動作。

 

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圖1:安富利的毫米波雷達功能示意圖

 

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圖2:安富利毫米波雷達呼吸心跳檢測方案實測圖,

左上和右上圖顯示的是隨呼吸和心跳引發的胸部位移變化


第三是安防監控領域。盡管攝像頭目前是這一領域的主流方案,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,毫米波雷達可以作為一個替代方案,代替攝像頭去進行流量分析、入侵檢測等工作。此外,采用“攝像頭+毫米波雷達”相互聯動的解決方案,還可增強原有方案的性能和可靠性,有利于實現更高的識別率、更低的誤報率、更低的人工成本。


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


總之,從軍用到專用,再到汽車,再到工業和消費物聯網應用,毫米波雷達通過不斷地“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總量將達到206億美元,從2017年到2023年的復合年增長率高達19.5%。其中車載雷達是這一波增長最大的推動力,可以預見,接下來物聯網市場將會成為驅動毫米波雷達市場的另一個車輪,推動其以更高的加速度向前飛奔。

 

關于安富利公司


安富利是全球領先的技術分銷商和解決方案提供商,在過去一個世紀里一直秉持初心,滿足客戶不斷變化的需求。從構思到設計,再從原型創建到生產,安富利可在產品生命周期的每個階段為客戶提供支持。安富利在整個技術價值鏈中處于中心位置。這種獨特的地位讓安富利能夠在產品開發過程中加快設計和供應速度,從而幫助客戶盡快實現營收。數十年如一日,安富利一直致力于幫助全球客戶和供應商實現技術的變革。


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