毫米波雷達(dá)“出圈”：磨刀霍霍IoT

作為一種非接觸式傳感技術(shù)，毫米波雷達(dá)傳感器具有感測(cè)精準(zhǔn)、無(wú)干擾等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）、自動(dòng)駕駛領(lǐng)域。然而，隨著市場(chǎng)的發(fā)展，毫米波雷達(dá)的應(yīng)用范圍正超出車載領(lǐng)域，逐漸向智慧城市、樓宇自動(dòng)化、健康監(jiān)護(hù)等行業(yè)擴(kuò)展。

Marketsand Markets近日發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，到2023年，毫米波雷達(dá)傳感器的市場(chǎng)總量將達(dá)到206億美元。車載雷達(dá)是這一波增長(zhǎng)的主要推動(dòng)力，但隨后物聯(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。

百億元市場(chǎng)前景可期

汽車一直是毫米波雷達(dá)在民用領(lǐng)域發(fā)展的重要切入點(diǎn)，這些年隨著自動(dòng)駕駛的興起，發(fā)展勢(shì)頭十分強(qiáng)勁，目前在L2以上自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中基本成了標(biāo)配。不過(guò)，毫米波雷達(dá)的應(yīng)用范圍并不僅局限于汽車。根據(jù)東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張慧副教授的介紹，智慧交通、智慧家居、安防、軌道交通、無(wú)人機(jī)等都是毫米波雷達(dá)發(fā)展的潛力市場(chǎng)，其中在智慧交通、安防領(lǐng)域已經(jīng)形成一定規(guī)模的市場(chǎng)，智慧家居領(lǐng)域也是可以預(yù)見(jiàn)的重要潛在市場(chǎng)。

以交通監(jiān)控為例，目前許多大型城市都面臨交通堵塞的難題。解決問(wèn)題的辦法之一就是對(duì)十字路口和主要道路上的交通信號(hào)燈進(jìn)行更加精確的調(diào)控。4D毫米波雷達(dá)是專門為智能交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多車道多目標(biāo)跟蹤裝置，可提供精確的X、Y、Z三維坐標(biāo)和一維速度的4D多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤軌跡，檢測(cè)單車速度、平均速度、車流量、車道占有率、車型、排隊(duì)長(zhǎng)度和事件分析等交通流基本信息。將4D毫米波雷達(dá)集成在高清視頻攝像機(jī)上，可以同時(shí)監(jiān)控4～12個(gè)車道且提供128個(gè)目標(biāo)的高分辨率四維雷達(dá)軌跡信息，并同步疊加顯示在視頻上。有了這些信息，人們就可以更有效地調(diào)整交通信號(hào)燈，使交通變得通暢。

毫米波雷達(dá)在智慧家居領(lǐng)域的應(yīng)用案例也在增加。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)合已演化出跌倒報(bào)警、睡眠監(jiān)控等很多新用例。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(guò)基于Arm Cortex-M7的低成本MCU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。安富利亞洲供應(yīng)商及產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān)鐘僑海表示：“心跳、呼吸監(jiān)測(cè)是毫米波雷達(dá)的一個(gè)典型用例，這一領(lǐng)域未來(lái)的前景非常值得關(guān)注。”此外，毫米波雷達(dá)還可以檢測(cè)到細(xì)微的物體移動(dòng)，比如人體手勢(shì)、呼吸及心跳等。醫(yī)療上正在使用毫米波雷達(dá)探索更多的應(yīng)用場(chǎng)景，比如血壓監(jiān)測(cè)、情緒監(jiān)測(cè)等。

毫米波雷達(dá)無(wú)需光學(xué)攝像也可以追蹤一個(gè)人的活動(dòng)，并檢測(cè)到人們的活動(dòng)，包括人員跌倒等運(yùn)動(dòng)特征，而不用擔(dān)心使用攝像頭帶來(lái)的隱私問(wèn)題。

總之，毫米波雷達(dá)憑借高精度、高分辨率，尤其是雷達(dá)波不受雨、霧、灰塵和雪等環(huán)境條件影響，可以全天候全天時(shí)工作等特性，在非車用領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越多。根據(jù)智研咨詢預(yù)估，我國(guó)未來(lái)幾年的智能家居規(guī)模增速保持在50%以上，其中家居雷達(dá)到2024預(yù)計(jì)可達(dá)105億元。 隨著中國(guó)自主技術(shù)的毫米波技術(shù)的發(fā)展，必將拓展更多應(yīng)用場(chǎng)景，為人們生活帶來(lái)前所未有的便利。

“三兄弟”各顯其能

如果按照工作頻段劃分，針對(duì)民用市場(chǎng)的毫米波雷達(dá)大致有三個(gè)類型——24GHz毫米波雷達(dá)、77GHz毫米波雷達(dá)和60GHz毫米波雷達(dá)。那么，哪個(gè)工作頻段的毫米波雷達(dá)更加適合在非車用市場(chǎng)發(fā)展呢？

鐘僑海指出，24GHz毫米波雷達(dá)是最先投入民用的毫米波雷達(dá)，其波長(zhǎng)為1.25cm（勉強(qiáng)算是毫米波了）。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)量精度上受到一定限制，這也限制了其應(yīng)用范圍的擴(kuò)展。不過(guò)由于24GHz技術(shù)成熟，成本低廉，還是有不少可發(fā)揮的空間。

77GHz頻段的毫米波雷達(dá)波長(zhǎng)只有3.9mm，頻率比較高，帶寬可達(dá)4GHz。一般來(lái)說(shuō)，雷達(dá)的波長(zhǎng)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)在市場(chǎng)上逐漸接棒24GHz產(chǎn)品，成為汽車領(lǐng)域的主流，而且很多國(guó)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)已不是那么顯著，這些年24GHz毫米波雷達(dá)在車用市場(chǎng)逐漸讓位于77GHz方案，24GHz毫米波雷達(dá)的發(fā)展重心逐漸轉(zhuǎn)向工業(yè)和消費(fèi)市場(chǎng)。

60GHz毫米波雷達(dá)波長(zhǎng)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(wèn)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。

張慧也認(rèn)為，智慧家居、健康監(jiān)測(cè)等室內(nèi)應(yīng)用領(lǐng)域，60GHz頻段預(yù)計(jì)成為市場(chǎng)主流。60GHz頻段是大氣吸收窗口，非常適合近距離使用，目前已有多款此頻段芯片及模塊進(jìn)入商用階段。

至于智慧交通中的毫米波雷達(dá)由于各方面性能要求很高（如探測(cè)距離甚至高達(dá)500米以上，探測(cè)精度和分辨能力均由很高要求），相應(yīng)的產(chǎn)品已在往79G～81GHz的工作頻段上發(fā)展了。

可以說(shuō)，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)未來(lái)的表現(xiàn)是十分值得期待的。目前，許多國(guó)內(nèi)外主流廠商均在60GHz頻段進(jìn)行相應(yīng)的產(chǎn)品開發(fā)。德州儀器開發(fā)的可擴(kuò)展60GHz單芯片毫米波傳感器可實(shí)現(xiàn)可靠的無(wú)接觸手勢(shì)檢測(cè)，如燈光控制、媒體控制等。英飛凌開發(fā)的60GHz微波天線集成雷達(dá)手勢(shì)識(shí)別傳感器，可以直接應(yīng)用在手機(jī)或穿戴設(shè)備上面。安富利采用毫米波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)非接觸式生命體征檢測(cè)（包括呼吸和心跳）已經(jīng)逐漸成熟并成功商用。谷歌已經(jīng)發(fā)布了一種60Ghz毫米波雷達(dá)芯片，可以更輕松地跟蹤和分析睡眠質(zhì)量。

直面技術(shù)挑戰(zhàn)

盡管毫米波雷達(dá)在更廣闊的民用領(lǐng)域有很好的市場(chǎng)表現(xiàn)，但是這些領(lǐng)域此前已經(jīng)有一些成熟的傳感技術(shù)在應(yīng)用發(fā)展，如紅外線、攝像頭等。毫米波雷達(dá)想要突破自己原有的“舒適圈”，進(jìn)入非車載這個(gè)新市場(chǎng)，就要直面這些技術(shù)的挑戰(zhàn)。

TI產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Dennis Barrett指出，與基于視覺(jué)和激光雷達(dá)的傳感器相比，毫米波傳感器的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是不受雨、塵、煙、霧或霜等環(huán)境條件影響。以智慧家居領(lǐng)域的應(yīng)用為例，毫米波傳感器可在完全黑暗中或在陽(yáng)光直射下工作。

這些傳感器可直接安裝在無(wú)外透鏡、通風(fēng)口或傳感器表面的塑料外殼后，非常堅(jiān)固耐用，能滿足防護(hù)等級(jí) （IP） 69K 標(biāo)準(zhǔn)。Dennis Barrett強(qiáng)調(diào)，玻璃墻和隔墻在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用很多，真空吸塵或拖地機(jī)器人需要感知這些表面以防止碰撞。事實(shí)證明，使用攝像機(jī)和紅外傳感器是很難檢測(cè)這些元素的。但毫米波傳感器卻可以檢測(cè)到玻璃墻的存在及其后面的物體。

事實(shí)上，這樣的特性使毫米波雷達(dá)在工業(yè)制造領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用空間?；谝曈X(jué)的安全系統(tǒng)在塵土飛揚(yáng)的制造環(huán)境（如紡織或地毯編織）中，需要經(jīng)常清潔透鏡。毫米波傳感器在照明過(guò)強(qiáng)（過(guò)低）、濕度高、煙霧和灰塵情況下，都可以檢測(cè)物體，而且處理延遲很低（通常少于 2ms）。

不過(guò)，紅外傳感器等傳統(tǒng)產(chǎn)品也并非沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，比如價(jià)格便宜等，使之依然占據(jù)大量的市場(chǎng)空間。對(duì)此，賽迪顧問(wèn)集成電路產(chǎn)業(yè)研究中心分析師呂芃浩認(rèn)為，毫米波雷達(dá)與紅外傳感、攝像頭等并不是一種相互替代的關(guān)系，是相互補(bǔ)充、相互配合的，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)共同為智慧生活服務(wù)。紅外傳感器受溫度影響，超聲波雷達(dá)的作用距離近、測(cè)量精度低，無(wú)法探測(cè)細(xì)小目標(biāo)。在很多應(yīng)用場(chǎng)景中，毫米波雷達(dá)可以彌補(bǔ)這些技術(shù)的不足，還能夠高精度地確定移動(dòng)物體的方向、速度、距離，可以檢測(cè)到細(xì)微的物體移動(dòng)。

未來(lái)，隨著市場(chǎng)上人們對(duì)于傳感器精準(zhǔn)性要求不斷升高，毫米波傳感器的需求必將增多，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈將變得更加成熟，價(jià)格加親民。毫米波雷達(dá)在非車載領(lǐng)域的發(fā)展將取得更加快速的發(fā)展。