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商业主流毫米波雷达趋势新解,24GHz异军突起

2017-06-02 17:20文章出处:英飞凌

自两年前谷歌ATAP展示了酷炫的Project Soli,而特斯拉也开始使用毫米波雷达作为防撞探测雷达,越来越多的软硬件开发者将目光投向了mmWave(毫米波)雷达技术。

 

利用Soli操控移动设备的演示

 

Soli是一项运用微型雷达监测空中手势动作的新型传感技术。这种特殊设计的雷达传感器可以追踪手部的运动,然后将采集到的mmWave雷达回波信号进行演算处理后,识别成一系列交互手势,以控制可穿戴和手持设备。这项传感技术的硬件基于英飞凌mmWave收发芯片,识别算法与软件则由谷歌负责编写,两家公司深入合作,联手对Soli技术进行个人消费类电子应用的商业化开发。

 

其实运动识别与追踪的解决方案已存在许多,比如光学成像、红外线、超声波、激光等等,与这些方案相比,mmWave方案优势非常明显,因此适用范围非常广阔:

  • 在室外环境下,红外线干扰严重,依赖红外线追踪运动的解决方案可靠性不佳,而mmWave则几乎不会受到红外线干扰;

  • 与光学成像方案相比,mmWave方案所需处理的数据较少,从而能够间接降低功耗、提高分辨率,且在低光亮环境下mmWave方案依然适用;

  • 受惠于多普勒效应,mmWave方案依靠简单的计算就能轻松获得物体的运动方向与速率;

  • mmWave具有一定穿透力,即使受到轻微遮挡,也能很好完成运动识别与追踪的工作。

 

由于具备上述优势,越来越多运动识别与追踪应用开始偏向采用mmWave解决方案,而这些应用又反过来推动mmWave解决方案逐步迈向成熟。来听听英飞凌电源管理及多元化市场部--射频及传感器部门亚太区总监Jeffrey Mai的专业分析

 

英飞凌电源管理及多元化市场部--射频及传感器部门亚太区总监Jeffrey Mai

 

硬件具备,只欠算法东风

英飞凌的mmWave雷达产品种类丰富,除了前面提到的谷歌Project Soli采用的60GHz方案外,还提供24GHz与77GHz方案。受无线信号衰减的影响,在信号发射功率一定的情况下,毫米波雷达频率越高,其探测距离越短。

 

拿英飞凌的24GHz雷达与60GHz雷达举例,24GHz雷达的探测距离最短可达到0.6~1m左右,而60GHz雷达的探测距离一般在2~3cm,当然探测距离跟天线设计也息息相关。不过60GHz雷达的分辨率要优于24GHz雷达,且尺寸较小。

 

24GHz方案与60GHz毫米波雷达方案对比

 

而根据探测距离与分辨率的不同,不同频率的方案针对的应用场景有所区别。如在安防或智能家居的应用场景下,只需监测室内有无物体运动,却对监测范围的要求较高,便适合采用24GHz雷达方案;而类似Soli的应用则需要追踪手部的细微变化,这对雷达分辨率的要求相当高,因此适合采用能追踪物体细微变化的60GHz方案。

 

mmWave的频率范围相当宽广(从30GHz到300GHz都被定义为mmWave),虽然不同mmWave雷达方案间的频率落差巨大,但其硬件架构却是相似的,假如不考虑对mmWave信号进行大量处理,只需DSP与Transceiver相配合,就能构成最简单的mmWave系统。不过假如要对信号进行大量处理,再考虑到不同应用场景的具体需求,最终的硬件组成千变万化。

 

24GHz收发芯片BGT24MTR11与XMC4200组成的mmWave系统

 

mmWave雷达其实并不是一项新兴技术,它已在航空与国防领域发展多年,硬件方面趋于成熟。不过把原有技术移植于它用,其挑战也随之浮现:在全新的应用场景下,需要重新定义信号并架构协议。“直白来讲,硬件或许还是那套硬件,但软件已不是那套软件了。这正是为什么Soli要由两家公司连手开发的原因——谷歌搭建应用场景并探索信号处理的算法,英飞凌则根据谷歌的需求调整芯片以配合,”Jeffrey表示。

 

Jeffrey表示,虽然mmWave雷达的应用场景有很多,但眼下还没有办法用某种统一算法来涵盖所有,只能根据不同应用场景来开发专用的算法,因此mmWave雷达要大范围应用还存在不小门坎。不过随着算法越来越多、越来越成熟,mmWave市场会越来越大,预计三到五年之内,mmWave雷达应用的成功案例将如雨后春笋般涌现,而英飞凌希望能与更多的应用客户合作,将这一时间提前。

 

英飞凌在mmWave收发器与DSP的研发上深耕多年,积累了丰富经验,能为不同应用场景提供完善的硬件支持。不过面对来自算法的挑战,英飞凌依然需要与客户、合作伙伴携手共进,互相配合推敲打磨出最终的解决方案。

 

各领域应用含苞待放,24GHz有望加速先行

前文提到,越来越多的运动识别与追踪应用在考虑采用mmWave雷达解决方案,而按照不同性质,Jeffrey将这些新兴的mmWave雷达应用目标领域主要划分成了汽车、工业、可穿戴与手持设备三大类型。

 

工业

工业应用一直是英飞凌的强项,mmWave雷达在工业方面的应用也非常广泛,尤其是24GHz雷达。目前mmWave雷达的工业应用以24GHz为主流,少数应用场景会采用60GHz雷达

 

英飞凌60GHz雷达芯片大小与手指对比

 

从全球案例看来,目前mmWave雷达在工业方面的应用主要集中在以下几个方面:

  • 建筑与智能家居(物联网)

  • 室内 / 室外照明

  • 智能街灯

  • 无人机 / 多轴飞行器

  • 安全应用

  • 机器人

  • 在建筑与智慧家居方面,mmWave雷达可用来监测雷达附近有无生物活动,进而调节室内外的照明,或者其它电器的开关,如空调、电视等;

  • mmWave雷达对节约用电也有所贡献,智能街灯系统采用它监测街道车流与行人情况,以此调节街灯明暗,减少公共用电支出,同时安装在路灯上的mmWave雷达所收集的昼夜街道资料对城市规划大有说明;

  • 而在高空穿梭的无人机则利用mmWave探测周遭360度的情况,防止遭遇意外碰撞,这与汽车的防碰撞应用类似;

  • mmWave雷达还可用于辅助生物识别等安全应用,探寻描绘识别对象的身材轮廓,以提高其它生物识别技术的准确性;

  • mmWave雷达对于远程探测机器人来说,更是不可或缺的传感器,让操控着得以轻松知晓危险地域的环境情况。

 

相信随着时间推移,这类mmWave雷达的创新应用将会越来越多。

 

可穿戴与手持设备

mmWave雷达在可穿戴与手持设备上的应用,Soli当然首屈一指。可穿戴与手持设备对芯片尺寸与功耗的要求相当高,虽然Soli的尺寸与功耗已经相当小了,不过依然有进一步优化的空间;而算法一直是Project Soli的最大挑战,谷歌对此的投入的资源也是相当多,从项目开始到现在已有两年,依然在打磨算法。目前英飞凌已与谷歌合作推出了Soli A、Soli B,不久还将推出Soli C,相信届时又会再次让行业惊艳。

 

去年在“Google I/O”大会上展示的手势控制产品原型所采用的Soli芯片

 

除了手势识别应用Soli以外,英飞凌还正与合作伙伴探索mmWave雷达在AR/VR领域的应用。AR/VR设备的菜单操作是道难题,若用遥控设备操作菜单,会大大破坏AR/VR的沉浸感。如采用mmWave雷达,可在用户眼前的40~50cm处浮现能用手进行互动的虚拟菜单,mmWave雷达采集用户手势,完成相应的指令输入,以此实现虚拟与现实的无缝衔接。

 

利用mmWave雷达技术对虚拟界面进行操作

 

汽车

ADAS的实现离不开mmWave雷达的指引,而各国也纷纷出台法规强制要求汽车安装防撞雷达。除了日渐成熟的77GHz前向防撞雷达,24GHz的侧向/后向防撞雷达亦备受关注。相比77GHz解决方案,24GHz解决方案具有良好的成本优势,适用于盲点检测(BSD)、变道辅助(LCA)、追尾警报(RCTA)等应用场景,对成本敏感的汽车异常具有吸引力。

 

 

因为汽车的应用场景已非常明确,全球各车厂探索多年,所以算法与软件已非mmWave雷达用于汽车的主要挑战,取而代之的挑战是确保芯片符合安规和汽车级要求。英飞凌在汽车电子领域驰骋多年,作为全球第二大的汽车电子芯片供货商,英飞凌深知安全的重要性,所供应的汽车级器件均通过AEC-Q100及相关安规认证。从安全角度出发,英飞凌的mmWave雷达绝对是汽车防碰撞应用的最佳选择;在确保安全的前提下,与竞争对手相比,英飞凌mmWave雷达系列产品亦能提供给客户超高性价比的价值。特别值得一提的是,英飞凌的mmWave雷达种类齐全,是第一家针对任何类型的短距离雷达ADAS应用都能提供具有竞争力和长期产品规划之解决方案的供货商。

 

成功案例不断涌现,英飞凌加强24GHz方案中国布局

为了切实将mmWave技术引入了人们生活当中,致力于让人们生活更加便利、安全和环保的英飞凌已逐渐将更多资源往该市场方向倾斜。在可穿戴与手持设备和汽车应用上,英飞凌有余力提供给合作伙伴与谷歌Project Soli相类似的深度合作;在分散的工业应用上,英飞凌亦能凭借立体的服务体系,为中小客户提供完善、及时的技术支持。

 

在中国市场,英飞凌已与众多方案设计合作伙伴展开合作,为客户提供完整的24GHz mmWave雷达解决方案,而且已经取得了丰硕成果。比如最近成功的安防案例,客户想让摄像头在监控范围内出现移动物体时,能自动转向移动物体并对准拍摄,英飞凌的方案设计合作伙伴利用英飞凌的24GHz雷达等相关器件,结合客户提供的应用场景编制算法,最终形成完整的解决方案,目前该方案已开始出货。

 

英飞凌24/60GHz雷达解决方案主要市场及需求

 

所以假如您正在进行与上述案例类似或者创新的运动识别与追踪项目,可随时与我们联系,英飞凌及方案设计合作伙伴将非常乐意与您交流沟通。