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作者：安富利 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。 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。 
圖2：安富利的毫米波雷達功能示意圖
圖3：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。 |
