· 生物传感器,雷达,呼吸

早期立足于军事应用的雷达技术是如何在民用市场中后来居上的?毫米波雷达有哪些分类,它们又分别适用于哪些领域?未来,毫米波雷达还将在哪些领域“破圈而出”?

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

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。

随后,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。汽车成为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。正因如此,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毫米波雷达更为擅长对于细微动作的检测。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。因此人们在呼吸和心跳时引发的皮肤的微动作,就可以利用60GHz毫米波雷达捕捉到,由此开发出“无接触”的健康体征检测方案。

 

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。


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,60GHz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。

 

毫米波监测雷达呼吸心率