智能應(yīng)用驅(qū)動(dòng)雷達(dá)技術(shù)普及，毫米波雷達(dá)將迎來黃金時(shí)期

雷達(dá)作為最初的軍用設(shè)備如今已經(jīng)普及到商用市場(chǎng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、通信、消費(fèi)等各領(lǐng)域，那么，究竟什么是雷達(dá)呢？

簡言之，雷達(dá)（Radio Detection andRanging）是用無線電的方法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)定它們的空間位置，是利用電磁波偵測(cè)目標(biāo)的電子設(shè)備。主要通過多普勒頻移公式推算物體的速度、通過電磁波測(cè)得值計(jì)算目標(biāo)距離或范圍、通過天線相位差計(jì)算目標(biāo)方向及角度、通過FMCW（FrequencyModulated Continuous Wave，調(diào)頻連續(xù)波）計(jì)算目標(biāo)位置，這使得其有諸多不同應(yīng)用方向，包括發(fā)展火熱的無人駕駛、無人飛機(jī)，甚至智能手機(jī)及穿戴設(shè)備上的手勢(shì)識(shí)別等。

另外，由雷達(dá)測(cè)算諸多物理量的信息可以看出，對(duì)于設(shè)計(jì)而言，雷達(dá)除了需要有完整的硬件組成，演算及算法也是重要部分。

作為有超過十年的雷達(dá)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在汽車?yán)走_(dá)中24GHz和77GHz見長的英飛凌，其電源管理及多元化市場(chǎng)事業(yè)部大中華區(qū)射頻及傳感器部門總監(jiān)麥正奇先生在第七屆EEVIA年度中國ICT媒體論壇暨2018產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望討論會(huì)上就雷達(dá)的技術(shù)、發(fā)展及應(yīng)用做了詳盡的介紹。

硬件組成

 如圖1所示為雷達(dá)系統(tǒng)的基本硬件組成，包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理器及天線。在雷達(dá)工作時(shí)，發(fā)射機(jī)生成射頻電信號(hào)，通過天線將電信號(hào)（電能）轉(zhuǎn)化為電磁波發(fā)出，另一個(gè)雷達(dá)的接收機(jī)接收到射頻信號(hào)后，將射頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻信號(hào)，再由信號(hào)處理器從信號(hào)中抽取距離、速度和角度等信息完成工作回路。當(dāng)然，要真正操作雷達(dá)，還需要有內(nèi)部算法和GUI界面。

圖1 雷達(dá)系統(tǒng)的基本硬件組成

工作模式

根據(jù)功能的不同，雷達(dá)可以分為多種工作模式，其中，表1給出了三種工業(yè)雷達(dá)主要應(yīng)用的工作模式。

表1 三種工業(yè)雷達(dá)主要應(yīng)用的工作模式

就不同功能和應(yīng)用而言，當(dāng)你的設(shè)計(jì)只需要偵測(cè)物體速度或運(yùn)動(dòng)時(shí)，在算法部分可以用簡單的多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，這也相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)；當(dāng)你的設(shè)計(jì)還需要偵測(cè)物體距離時(shí)，就必須要用FSK才能實(shí)現(xiàn)；當(dāng)你的設(shè)計(jì)還需要偵測(cè)靜態(tài)物體的存在感，就必須要用FMCW。相應(yīng)的算法復(fù)雜度依次為：CW——FSK——FMCW，隨著算法復(fù)雜程度的不斷加深，解決方案的成本及其運(yùn)算功耗也相應(yīng)增長，因而復(fù)雜算法應(yīng)用一直是雷達(dá)應(yīng)用的一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。

毫米波雷達(dá)

毫米波是指波長為1～10mm的電磁波，它位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長范圍，因而兼有兩種波譜的特點(diǎn)。目前毫米波主要有數(shù)據(jù)傳輸和雷達(dá)偵測(cè)兩大方面的應(yīng)用。其中，在雷達(dá)方面，盲點(diǎn)偵測(cè)（BSD）是其快速增長的一個(gè)應(yīng)用，而其主要應(yīng)用在汽車工業(yè)上，如圖2所示為全球24GHzBSD的需求趨勢(shì)。

圖2 全球24GHz BSD需求趨勢(shì)圖

由圖2可以看到，2017年有2.18億顆傳感器應(yīng)用在在這個(gè)BSD上面，因而市場(chǎng)對(duì)于毫米波雷達(dá)的需求量大大上升。就BSD來看，隨著產(chǎn)品的成熟和競爭力的提升，毫米波雷達(dá)在2020年之后會(huì)進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展期。

毫米波雷達(dá)面臨的三大挑戰(zhàn)

毫米波雷達(dá)的應(yīng)用現(xiàn)在也存在三大挑戰(zhàn)。

在業(yè)界上部分應(yīng)用已經(jīng)被一些紅外線、激光雷達(dá)、獨(dú)立的解決方案所取代。雖然就市場(chǎng)來看，毫米波雷達(dá)的市場(chǎng)仍然不斷增長，但部分應(yīng)用被其他方案取代也不容忽視。

定制化算法的需求。這也是毫米波雷達(dá)應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)，不同應(yīng)用需要不同的算法，而不同的算法又需要不同的專家來做研發(fā)，這為毫米波雷達(dá)具體應(yīng)用的研發(fā)帶來了很大的困擾。

毫米波頻段法規(guī)尚不明確。因?yàn)楹撩撞ㄊ且粋€(gè)比較高頻的頻段，而在無線電的規(guī)范上，各個(gè)國家、區(qū)域所制定的法規(guī)和政策其實(shí)還沒有很完整地定義下來，尤其是在這些毫米波還沒有真正被大量使用的波段。5G可能也會(huì)用到毫米波，它可能會(huì)用到28GHz、29GHz、39GHz等不同頻段，頻段和頻段之間如何分別做出一些不同的定義和規(guī)范，這些都是隨后制定的相關(guān)法規(guī)明確規(guī)定。

頻段選用

 所有雷達(dá)都工作在300MHz到300GHz范圍內(nèi)的特定頻段上工作，其中日常應(yīng)用主要用到的是2.4GHz~200GHz頻段（如圖3），而每個(gè)頻段都在諸如天線尺寸、應(yīng)用范圍、波長、穿透力上對(duì)雷達(dá)產(chǎn)生影響，同時(shí)，每個(gè)國家對(duì)這些頻段也都有不同的定義。例如，微波爐應(yīng)用在2.4GHz，手機(jī)應(yīng)用大概在2GHz~3GHz范圍內(nèi)，工業(yè)主要應(yīng)用在24GHz和60GHz，汽車主要應(yīng)用在77GHz。

圖3 各應(yīng)用的工作頻段

其中，頻率越高，波長越短，而波長越短，其分辨率和準(zhǔn)確度會(huì)越高，其中常見的24GHz的波長是31.25px，60GHz是5mm，2.4G你看它的波長是312.5px，雷達(dá)正是利用短波特性應(yīng)用在不同場(chǎng)景中的。

24GHz及60GHz雷達(dá)應(yīng)用于智能領(lǐng)域

現(xiàn)在討論較多的是應(yīng)用諸多智能化新興應(yīng)用領(lǐng)域的24GHz和60GHz雷達(dá)。

其中，24GHz主要實(shí)現(xiàn)空間和運(yùn)動(dòng)感測(cè)，包括應(yīng)用于智慧家庭、智慧樓宇、智能家電智能監(jiān)控等，應(yīng)用于人員/物體存在、計(jì)數(shù)、位置、速度，以及防撞和生命體征感測(cè)，例如有些人也將24GHz雷達(dá)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，用于偵測(cè)心跳、呼吸等體征信息。其中，雷達(dá)天線設(shè)計(jì)比較靈活，工程師可以根據(jù)不同的場(chǎng)景做不同的天線設(shè)計(jì)。

  60GHz雷達(dá)的頻率更高，波長更短，因而不僅可以應(yīng)用在24GHz適用的場(chǎng)景，同時(shí)由于其天線可以設(shè)計(jì)地更小，受外界的環(huán)境干擾更小，在人機(jī)交互和手勢(shì)識(shí)別上更有優(yōu)勢(shì)。

其中，在手勢(shì)識(shí)別上英飛凌與谷歌高級(jí)技術(shù)與項(xiàng)目（ATAP）小組在ProjectSoli合作項(xiàng)目中共同開發(fā)出基于雷達(dá)的感測(cè)解決方案IC，其主要運(yùn)用英飛凌的60GHz雷達(dá)設(shè)計(jì)的小型傳感器，可以用在手機(jī)或可穿戴設(shè)備中做手勢(shì)識(shí)別。

圖4 英飛凌的60GHz雷達(dá)設(shè)計(jì)的小型傳感器應(yīng)用

車用雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)

車用雷達(dá)隨著自動(dòng)駕駛的發(fā)展也再次被大量應(yīng)用，而就世界主流汽車工業(yè)來看，目前前裝部分一定是用77GHz雷達(dá)，而在側(cè)邊及倒車橫向的偵測(cè)大部分都是使用24GHz雷達(dá)，這是目前全世界汽車工業(yè)的主流。在國內(nèi)，前裝仍是77GHz為主流，后裝市場(chǎng)現(xiàn)在是在用24GHz，但是在前裝市場(chǎng)可能會(huì)考慮到77GHz和24GHz雷達(dá)共同開發(fā)。而談到未來是否會(huì)用77GHz做一個(gè)完整的方案，麥正奇表示，我們跟汽車工業(yè)組也做了很多的探討，從技術(shù)上來看，短期內(nèi)很難完成，我們認(rèn)為在接下來的7年內(nèi)汽車側(cè)邊防撞還是以24GHz雷達(dá)為主，因?yàn)樗吘褂幸粋€(gè)價(jià)格上面或者技術(shù)成熟上面的優(yōu)勢(shì)，可能未來77GHz延伸到側(cè)邊或者是它的后邊橫向防撞，不過還是要根據(jù)后面的法規(guī)來看。

英飛凌加強(qiáng)與國內(nèi)廠商合作  

麥正奇先生表示，英飛凌提供完整的雷達(dá)解決方案，所以我們必須要跟一些合作伙伴共同發(fā)展，尤其是在軟件及應(yīng)用部分。24GHz雷達(dá)應(yīng)用方面，在安防應(yīng)用、盲點(diǎn)偵測(cè)和智能家居都有一些成功的案例，已經(jīng)完成了整個(gè)方案和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，也有在市場(chǎng)推廣。在未來我們也會(huì)持續(xù)不斷地與更多中國先進(jìn)廠商，用更多不同的先進(jìn)想法將毫米波雷達(dá)延伸應(yīng)用到工業(yè)4.0、智能制造、人機(jī)交互、醫(yī)療等各領(lǐng)域，這也是我們這兩年來琢磨在中國市場(chǎng)的一個(gè)重點(diǎn)。