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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。
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毫米波雷达 |
红外传感器 |
摄像头 |
超声波雷达 |
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感应机制 |
电磁波 |
红外线 |
可见光 |
超声波 |
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温度影响 |
无影响 |
40℃以上有影响 |
无影响 |
无影响 |
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穿透能力 |
可穿透非金属物体 |
无穿透能力 |
无穿透能力 |
无穿透能力 |
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应用环境 |
任何环境 |
不适用于烟尘、高温环境 |
需较好光照条件 |
任何环境 |
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寿命 |
长寿命 |
≈1000h |
长寿命 |
长寿命 |
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稳定性 |
稳定可靠 |
感测距离随使用时长缩短 |
受环境影响大 |
比较稳定 |
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探测距离 |
100米 |
8米 |
取决于光学镜头 |
5米 |
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成本 |
适中 |
较低 |
较高 |
较低 |
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技术瓶颈 |
扫描频率 |
静态人体检测不准确 |
隐私保护 |
距离短，精度不高 |
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。
关于安富利公司
安富利是全球领先的技术分销商和解决方案提供商，在过去一个世纪里一直秉持初心，满足客户不断变化的需求。从构思到设计，再从原型创建到生产，安富利可在产品生命周期的每个阶段为客户提供支持。安富利在整个技术价值链中处于中心位置。这种独特的地位让安富利能够在产品开发过程中加快设计和供应速度，从而帮助客户尽快实现营收。数十年如一日，安富利一直致力于帮助全球客户和供应商实现技术的变革。了解有关安富利的更多信息，请访问www.avnet.com/apac。
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