毫米波雷达“出圈” 非车应用前景可期

发布于:2021/8/31 9:49:23 | 3231 次阅读

    近日,MarketsandMarkets发布数据表示,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。
    百亿市场前景可期
    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副教授张慧的介绍,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、安防领域已经形成具备一定规模的市场,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个车道并提供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  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。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,比如对人们血压监测、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。
    “三兄弟”各显其能
    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(勉强算是毫米波了)。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。
    张慧也认为,智慧家居、健康监测等室内应用领域,60GHz频段预计成为市场主流。60GHz频段是大气吸收窗口,非常适合近距离使用,目前已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由很高要求),相应的产品已在往79G-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是十分值得期待的。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穿戴设备上面。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。谷歌已经发布了一种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在应用发展,如红外线、摄像头等。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后,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,真空吸尘或拖地机器人需要感知这些表面以防止碰撞。事实证明,使用摄像机和红外传感器是很难检测这些元素的。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、摄像头等并不是一种相互替代的关系,是相互补充、相互配合的,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,可以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不断升高,毫米波传感器的需求必将增多,相关产业链将变得更加成熟,价格加亲民。毫米波雷达在非车载领域的发展将取得更加快速的发展。

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