如何监测心跳、呼吸等基本的生命体征?对于这个需求,相信大多数人的第一反应就是医院的心电图仪等专业医疗监护设备。这些年随着可穿戴设备的兴起,很多智能手表和手环也可以通过光电法,实时获取用户脉搏、血氧等体征参数,为人们带来了极大的便利。

但是上述这些方法有一个共性,它们都是“接触式”的测量方案,就是要将传感器直接连接到被测对象的身体上。如果想找一种“非接触式”的测量方法,隔空完成心跳、呼吸的实时监测,可行吗?这样的测量方案已经有了!它采用的是毫米波雷达技术。

性能不俗的“后来者”

众所周知,雷达最早的应用是在军事上,其原理是产生并通过发射器发送一个频率随时间逐渐增加的信号,当这个信号遇到物体之后会反射回来,其时延是距离/光速数值的2倍,而返回来的波形和发出的波形之间有个频率差,这个频率差和时延呈线性关系,将这两个频率做一个减法,就可以得到二者频率的差频(差拍频率),由此就可以计算出物体与雷达的距离。在此基础上,不仅可以获知被测目标是否存在,还可以计算出目标的位置、方向、距离和速度等精确信息。

后来,雷达的应用逐渐扩展到其他一些专用领域,并且最终凭借毫米波雷达走入了民用市场。汽车成了毫米波雷达在民用领域一个重要的切入点,这些年随着自动驾驶的兴起,更是发展势头强劲。目前在L2.5以上的自动驾驶系统中,毫米波雷达基本成了标配。

毫米波雷达本质上是对物体占位和运动进行感测,在更广阔的民用领域,在雷达到来之前已经有一些成熟传感技术(如PIR和超声波)的成熟应用,想要突破自己原有的“舒适圈”,进入这个新领域,毫米波雷达就要直面这些技术的挑战。

表1:毫米波雷达与其他传感器技术的比较

不过就技术特性来讲,毫米波雷达对于自身在民用市场攻城略地还是很有信心的。具体来说,毫米波雷达不容易受环境(温度光线等)的影响,能够穿透塑料、墙板和衣服等非金属材料,这就决定了它可以在一些特定的应用场景中占据C位;另一方面,与其他传感器相比,毫米波雷达不仅可以侦测到对象是否存在,还可以确定移动物体的方向、速度、距离,甚至可以根据天线配置确定移动物体的准确位置,这些高精度的数据和丰富的信息,无疑会为毫米波雷达在工业和消费市场,特别是与物联网相关的领域赢得新的发展空间。

毫米波雷达“三兄弟”

按照工作频段,针对民用市场的毫米波雷达可以分为三类:

24GHz毫米波雷达。这也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限,这也在一定程度上限制了其应用范围的扩展。不过由于其技术成熟,成本低廉,还是有不少可发挥的空间。

77GHz毫米波雷达。这个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也不是那么显著了,因此这些年24GHz毫米波雷达也逐渐将后续发展的重心转向工业和消费市场。

60GHz毫米波雷达。这个频段的雷达波长为5mm,具有高达7GHz的可用于短程应用的免许可带宽,因此其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、对运用物体的感测有局限的问题。正因为此,各个主要的技术厂商围绕非汽车领域的毫米波雷达的竞争,也逐渐从24GHz转移到60GHz频段。

显而易见,60GHz毫米波雷达对于细微动作的检测更为擅长。60GHz的雷达波长为5mm,0.5mm的微动作,相当于10%的波长,这在雷达“看起来”已经是一个明显的位移了。

非汽车领域的“新赛道”

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,毫米波雷达在四个领域的表现十分值得期待。

首先是楼宇自动化和智能家居领域。作为人体和运动传感器,毫米波雷达可以对区域内的人员数量、位置进行精准的感知,并以此为依据去控制照明、空调等系统,实现更高效的节能。也有开发者在探索将毫米波雷达与电梯控制结合在一起,根据算法准确测算出电梯间内等待的乘客数量——甚至能够准确判断出无关的过客和真正的乘客——进而合理调度,提升电梯的运行效率。

其次是健康监护领域。上文提到的心跳、呼吸监测就是一个典型的用例。而且随着老龄化进程的加速,毫米波雷达与智慧养老相结合,还可以演化出跌倒报警、睡眠监控等更多的新用例。这一领域未来的前景,也非常值得关注。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上进行处理,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。

图2:安富利的毫米波雷达功能示意图

图3:安富利毫米波雷达呼吸心跳检测方案实测图,

左上和右上图显示的是随呼吸和心跳引发的胸部位移变化

第三是安防监控领域。尽管摄像头目前是这一领域的主流方案,但是个人隐私也一直是伴随着视觉解决方案的敏感的话题。因此在特定的场合,毫米波雷达可以作为一个替代方案,代替摄像头去进行流量分析、入侵检测等工作。此外,采用“摄像头+毫米波雷达”相互联动的解决方案,还可增强原有方案的性能和可靠性,有利于实现更高的识别率、更低的误报率、更低的人工成本。

最后是人机交互(HMI)领域。凭借精准运动检测,毫米波雷达可以实现更精细的手势和肢体识别,为用户提供更自然的HMI体验。这在小屏幕或近程屏幕的非接触手势控制、实时游戏交互、家电控制等方面将带了全新的用户体验。

总之,从军用到专用,再到汽车,再到工业和消费物联网应用,毫米波雷达通过不断地“出圈”,使得自身的应用版图不断扩大。MarketsandMarkets的数据显示,到2023年雷达传感器的市场总量将达到206亿美元,从2017年到2023年的复合年增长率高达19.5%。其中车载雷达是这一波增长最大的推动力,可以预见,接下来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。