24GHz雷达传感器 毫米波雷达走出“汽车圈”

毫米波雷达走出“汽车圈”

Marketsand Markets近日发布的数据显示，到2023年，毫米波雷达传感器的市场总量将达到206亿美元。车载雷达是这一波增长的主要推动力，但随后物联网市场将会成为驱动毫米波雷达市场的另一个车轮，推动其以更高的加速度向前飞奔。

作为一种非接触式传感技术，毫米波雷达传感器具有感测精准、无干扰等优点，现已广泛应用于ADAS（高级驾驶辅助系统）、自动驾驶领域。然而，随着市场的发展，毫米波雷达的应用范围正超出车载领域，逐渐向智慧城市、楼宇自动化、健康监护等行业扩展。

汽车一直是毫米波雷达在民用领域发展的重要切入点，这些年随着自动驾驶的兴起，发展势头十分强劲，目前在L2以上自动驾驶系统中基本成了标配。不过，毫米波雷达的应用范围并不仅局限于汽车。根据东南大学毫米波国家重点实验室张慧副教授的介绍，智慧交通、智慧家居、安防、轨道交通、无人机等都是毫米波雷达发展的潜力市场，其中在智慧交通、安防领域已经形成一定规模的市场，智慧家居领域也是可以预见的重要潜在市场。

以交通监控为例，目前许多大型城市都面临交通堵塞的难题。解决问题的办法之一就是对十字路口和主要道路上的交通信号灯进行更加精确的调控。4D毫米波雷达是专门为智能交通系统设计的多车道多目标跟踪装置，可提供精确的X、Y、Z三维坐标和一维速度的4D多目标实时跟踪轨迹，检测单车速度、平均速度、车流量、车道占有率、车型、排队长度和事件分析等交通流基本信息。将4D毫米波雷达集成在高清视频摄像机上，可以同时监控4～12个车道且提供128个目标的高分辨率四维雷达轨迹信息，并同步叠加显示在视频上。有了这些信息，人们就可以更有效地调整交通信号灯，使交通变得通畅。

毫米波雷达在智慧家居领域的应用案例也在增加。随着老龄化进程的加速，毫米波雷达与智慧养老相结合已演化出跌倒报警、睡眠监控等很多新用例。比如，安富利就开发出了一款基于英飞凌BGT60TR1X系列毫米波雷达芯片的呼吸心跳检测解决方案。该方案利用一发一收两根天线即可工作，采集得到的数据通过基于Arm Cortex-M7的低成本MCU进行处理，能够在大范围内自动检测并捕获呼吸和心跳引发的细微动作。安富利亚洲供应商及产品管理高级总监钟侨海表示：“心跳、呼吸监测是毫米波雷达的一个典型用例，这一领域未来的前景非常值得关注。”此外，毫米波雷达还可以检测到细微的物体移动，比如人体手势、呼吸及心跳等。医疗上正在使用毫米波雷达探索更多的应用场景，比如血压监测、情绪监测等。

毫米波雷达无需光学摄像也可以追踪一个人的活动，并检测到人们的活动，包括人员跌倒等运动特征，而不用担心使用摄像头带来的隐私问题。

总之，毫米波雷达凭借高精度、高分辨率，尤其是雷达波不受雨、雾、灰尘和雪等环境条件影响，可以全天候全天时工作等特性，在非车用领域应用已经越来越多。根据智研咨询预估，我国未来几年的智能家居规模增速保持在50%以上，其中家居雷达到2024预计可达105亿元。随着中国自主技术的毫米波技术的发展，必将拓展更多应用场景，为人们生活带来前所未有的便利。

如果按照工作频段划分，针对民用市场的毫米波雷达大致有三个类型——24GHz毫米波雷达、77GHz毫米波雷达和60GHz毫米波雷达。那么，哪个工作频段的毫米波雷达更加适合在非车用市场发展呢？

钟侨海指出，24GHz毫米波雷达是最先投入民用的毫米波雷达，其波长为1.25cm（勉强算是毫米波）。由于频段的频率比较低、带宽比较窄（只有250MHz），因此24GHz毫米波雷达在测量精度上受到一定限制，这也限制了其应用范围的扩展。不过由于24GHz技术成熟、成本低廉，还是有不少可发挥的空间。

77GHz频段的毫米波雷达波长只有3.9mm，频率比较高，带宽可达4GHz。一般来说，雷达的波长越短，分辨率/精准度越高（当然成本也会更高），整个系统的外形也会更小。因此，77GHz毫米波雷达在市场上逐渐接棒24GHz产品，成为汽车领域的主流，而且很多国家和地区也将这个频段分配为汽车的专用频段。随着77GHz毫米波雷达技术的成熟，24GHz方案在车载应用上的性价比优势已不是那么显著。这些年24GHz毫米波雷达在车用市场逐渐让位于77GHz方案，24GHz毫米波雷达的发展重心逐渐转向工业和消费市场。

60GHz毫米波雷达波长为5mm，具有高达7GHz可用于短程应用的免许可带宽，因此可以提供更好的分辨率。它的出现主要是为了应对24GHz雷达带宽受限、精度不足、对运动物体的感测有局限的问题。正因为如此，主要技术厂商围绕非汽车领域毫米波雷达的竞争，也逐渐从24GHz转移到60GHz频段。

张慧也认为，在智慧家居、健康监测等室内应用领域，60GHz频段预计将成为市场的主流。60GHz频段非常适合近距离使用，目前已经有多款此频段芯片及模块进入商用阶段。

至于智慧交通中的毫米波雷达，由于各方面性能要求很高（如探测距离甚至高达500米以上，探测精度和分辨能力均有很高要求），相应的产品已在往79GHz～81GHz的工作频段上发展了。

可以说，有了24GHz雷达打前站，77GHz雷达在汽车领域的重点突破，以及60GHz雷达的补强，毫米波雷达“三兄弟”已经在民用市场闯出了一片新天地。特别是在非汽车领域，毫米波雷达未来的表现十分值得期待。目前，许多国内外主流厂商均在60GHz频段进行相应的产品开发。德州仪器开发的可扩展60GHz单芯片毫米波传感器可实现可靠的无接触手势检测，如灯光控制、媒体控制等。英飞凌开发的60GHz微波天线集成雷达手势识别传感器，可以直接应用在手机或可穿戴设备上。安富利采用毫米波雷达实现非接触式生命体征检测（包括呼吸和心跳），已经逐渐成熟并成功商用。谷歌发布了一种60GHz毫米波雷达芯片，可以更轻松地跟踪和分析睡眠质量。

直面技术挑战

尽管毫米波雷达在更广阔的民用领域有很好的市场表现，但是这些领域此前已经有一些成熟的传感技术应用在发展，如红外线传感器、摄像头。毫米波雷达想要突破自己原有的“舒适圈”，进入非车载这个新市场，就要直面这些技术的挑战。

TI产品营销经理Dennis Barrett指出，与基于视觉和激光雷达的传感器相比，毫米波传感器的一个重要优势是不受雨、尘、烟、雾或霜等环境条件影响。以智慧家居领域的应用为例，毫米波传感器可在完全黑暗中或在阳光直射下工作。

这些传感器可直接安装在无外透镜、通风口或传感器表面的塑料外壳上，非常坚固耐用，能满足防护等级 （IP） 69K 标准。Dennis Barrett强调，玻璃墙和隔墙在现代建筑中的应用很多，真空吸尘器或拖地机器人需要感知这些物体的表面以防止碰撞。事实证明，使用摄像机和红外传感器很难检测到这些物体。但毫米波传感器却可以检测到玻璃墙的存在及其后面的物体。

事实上，这样的特性使毫米波雷达在工业制造领域也有很大的应用空间。基于视觉的安全系统在尘土飞扬的制造环境（如纺织或地毯编织）中，需要经常清洁透镜。毫米波传感器在照明过强（过低）、湿度高、烟雾和灰尘情况下，都可以检测到物体，而且处理延迟很低（通常少于2ms）。

不过，红外传感器等传统产品也并非没有优势，比如价格便宜等，使之依然占据大量的市场空间。对此，赛迪顾问集成电路产业研究中心分析师吕芃浩认为，毫米波雷达与红外传感器、摄像头等并不是相互替代，而是相互补充、相互配合，发挥各自的优势，共同为智慧生活服务。红外传感器受温度影响，超声波雷达的作用距离近、测量精度低，无法探测细小目标。在很多应用场景中，毫米波雷达可以弥补这些技术的不足，还能够高精度地确定移动物体的方向、速度、距离，检测到细微的物体移动。

未来，随着市场上人们对于传感器精准性要求的不断提高，毫米波传感器的需求必将增多，相关产业链将更加成熟，价格将更加亲民，毫米波雷达在非车载领域将取得更快发展。

(记者陈炳欣)

来源： 中国电子报

非车规级传感，60GHz毫米波崛起

不管是生活场景还是工业场景，对更强大更全面传感技术的需求是一直存在的。近年来，毫米波（mmWave）传感器由于能够感知场景中物体的范围、速度和角度而获得了很多关注。正如在机器人移动应用中开始应用毫米波雷达，其优秀的感知能力与鲁棒性注定了它会在智能感知上大展身手，这种鲁棒性使其在室内和室外的应用中都具有强大的性能。室外，这是很重要的一点，尤其是在机器人移动应用。

完整的毫米波雷达系统包括发送（TX）和接收（RX）射频（RF）组件，以及时钟等模拟组件，还有模数转换器（ADC）、微控制器（MCU）和数字信号处理器（DSP）等数字组件。

60GHz频段，大势所趋

24GHz、60GHz和77GHz是大多数毫米波传感使用的频段，车规级应用基本都在77GHz上。而且这个频段在大多数地区都是有限制的，即便是工业场景中需要精准人机交互的应用，能被允许使用77GHz的地方也不多。工信部发布的《汽车雷达无线电管理暂行规定（征求意见稿）》将76-79GHz频段规划用于汽车雷达，并限制了其他地面雷达对该频段的使用。

（60GH毫米波雷达传感，英飞凌）

不只是77GHz受限，24GHz频段的可用带宽也开始减少，这些变化会直接影响到传感的范围分辨率、准确性和鲁棒性。雷达本来就依赖于密集的点云数据，可用带宽的减少肯定会影响整个传感的性能。在两个频段双双受限的情况下，60GHz以高精度、丰富的点云数据成为全球工业场景中雷达传感应用的最合适的选择。由于距离分辨率在很大程度上依赖于可用带宽，60GHz的毫米波传感器将提供比24GHz毫米波传感器更好的性能。半导体厂商在车规级频段之外，在60GHz频段的也加大了开发力度，不少知名厂商都在该频段布局已久。

英飞凌完全自主研发的60GHz雷达传感，能以低于5 mW的低功耗检测最远5 m的人体目标，最低功耗能降低至2mW以下，在消费级短距离定位上这种低功耗的小巧IC是最受欢迎的。

TI基于互补金属氧化物半导体（CMOS）的毫米波雷达也不必多说，一改传统毫米波雷达系统分立式的组件让人难以接受的成本和尺寸问题，集成TX-RF、RX-RF组件，集成ADC、MCU等数字组件，甚至集成DSP，将射频、处理和内存资源集成到一个单片CMOS芯片上。

60GHz毫米波传感密集点云的优势

上面说到了毫米波雷达依赖于密集的点云数据，运动检测是毫米波传感一个很标准的用例，虽然其他技术可能够完成运动检测，但对运动物体的计数和跟踪需要大量的点云数据来准确识并避免错误触发。我们可以先从点云数据中窥见60GHz能力的一二。

密集的点云数据可以识别毫米波传感器视场（FoV）中物体的数量，指示它们的位置并对它们进行分类，使用毫米波传感甚至可以识别特定的对象是什么，至于如何分类识别这里不做详细介绍，我们重点关注其点云密集度。

（点云比较，TI）

点云数据来自于毫米波传感器中的四个参数，在x、y和z轴上检测数据和径向的速度数据。收集对检测有意义的数据需要毫米波传感器有精细范围分辨率和速度分辨率。上图很明显能看出范围分辨率对收集丰富的点云数据的影响，24GHz的毫米波被限制在250MHz带宽时，点云密度急剧下降，其实不止点云，距离分辨率的大幅下降将影响所有的毫米波雷达传感方面的应用。

速度分辨率也是一个取决于各种参数的精细数据，它与中心频带更相关，与带宽倒没有太多联系。60GHz的中心频带更高，提供的速度分辨率大概是24GHz的2.5倍。精细的速度分辨率能够让传感器更好地跟踪横向运动，更稳定地检测移动物体。

目前60GHz和77GHz的毫米波雷达的范围分辨率都在3.75cm左右，使用250MHz带宽的24GHz传感器的最佳范围分辨率是60cm，由此得来的点云数据的密集程度精细程度显然是无法处在一个量级的。随着24GHz可用带宽的减少，用60GHz来弥补这个缺失是一个不错的选择。

一般来说，需要一个专用的数字信号处理器（DSP）来处理从传感器获取的原始数据，较弱的点云数据集虽然可以通过修改算法来进行优化获得感知所需要的数据。但问题在于，即使算法优化到能够使用更少的点云数据来提供类似高点云密度的性能，它也会需要额外的处理时间甚至更多的硬件资源，这种处理成本应该没有半导体厂商会考虑。

写在最后

用在毫米波雷达传感设计的PCB最占空间的是天线阵列，该设计需要满足FoV和增益等规格，部分设计还需要考虑雷达信号的波长。与24-GHz相比，60GHz的PCB天线部分可以减少大概6倍，对减小传感器的尺寸还是很有帮助的。

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