毫米波雷达“出圈”,市场总量预计将达到206亿美元,助力物联网生态建设

2021-12-31 云帆瑞达
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雷达已在国防、安全和航空航天、天气监测、交通控制等应用中使用了数十年,在工业领域,在过去几年,雷达技术取得长足进步,在工厂自动化、自主导航、协作机器人、工业无人机等设备中找到许多机会,根据研究机构Yole Développement的数据,工业雷达应用市场预计在未来五年内将超过1000万台设备,其中基本运动、存在检测是主要用途。

在汽车领域,毫米波雷达应用成熟。毫米波雷达于上世纪40年代出现,早期其研究应用就主要集中在汽车领域,时至今日其在汽车领域仍然是非常关键的汽车安全器件,被广泛应用于ADAS(高级驾驶辅助系统)、自动驾驶领域,在L2级以上自动驾驶系统中基本成了标配。


技术进步和成本下探,毫米波雷达正从汽车走向智能家居扩展,逐渐找到市场切入点。家居安防、智能照明的许多功能都依赖先进的传感器,过去,这些功能通常使用被动红外(PIR)传感器实现。PIR传感器以中红外波长检测人、动物或物体的红外辐射。工作环境温度升高,PIR传感器可靠性急剧下降,因此不能将其安装在热源附近或在高环境温度下使用,此外,PIR传感器只能检测沿切向方向的运动,无法检测静止和径向运动。


传统传感器功能和性能受限,以及智能家居对于深度人体检测需求提升,毫米波雷达成为更好的解决方案,逐步走到聚光灯下。研究机构MarketsandMarket数据显示,到2023年,毫米波雷达市场总量将达到206亿美元,车载雷达是这一波增长的主要推动力,但物联网市场将会成为驱动毫米波雷达的主要驱动力。


智能感测拾级而上,毫米波雷达技术优势明显

毫米波(mmWave)是波长介于1-10mm的电磁波,在电磁频谱中,这种波长被视为短波长,优势是高准确度。毫米波雷达发射波长在毫米范围内的电磁波信号,并接收由物体反射信号,以确定物体的范围、速度和角度等参数。毫米波雷达具有传输距离较远、不受光照条件影响、对运动物体感知灵敏、成本可控等优点。


作为高精度传感和检测技术,毫米波雷达能够捕捉人体细微的动作,并提供速度、运动方向、距离、角度信息,实现精准细致的人体感应,例如在76GHz-81GHz(相应波长约为4mm)下工作的毫米波系统,可以检测到小至几分之一毫米的运动。


与基于视觉原理的激光雷达、TOF方案相比,毫米波雷达部件的成本低、重量轻、体积小,更重要的是毫米波雷达可以穿透衣物、木板、塑料、玻璃等物体,不受雨、雪、灰尘等外部环境条件的影响,全天候感知工作。


与可见光方案相比,毫米波雷达不受光照条件影响,可以在完全黑暗或阳光直射的眩光下工作。


人体检测被认为是毫米波雷达的目标市场之一,考虑视觉检测的个人隐私和数据安全问题,与图像传感器相比,毫米波雷达不会泄露人脸、居家环境等用户隐私信息,有效避免隐私泄露。


毫米波雷达所具备上述优势都能很好地定位于智能家居应用的痛点,包括主动感知、非接触式感知、隐私感知、复杂场景感知等等。


家电厂商和科技企业发力,终端应用迎来爆发

目前已经有许多传统家电和科技企业巨头在产品中开发人体感知检测应用,并积极引入毫米波雷达,从而进一步加快该技术的商业化推广。


在今年3月,谷歌推出其第二代NEST HUB(智能显示器和扬声器),该产品具有一个7英寸的屏幕,可以观看流媒体视频服务、查看天气、获取警报、打开灯等。而其最大的变化在于,其使用内置雷达传感器(型号为英飞凌XENSIV™ 60GHz雷达芯片)跟踪用户的睡眠。


谷歌表示,第二代NEST HUB可以测量微小的运动,比如用户的呼吸,以确定用户什么时候睡觉,内置的麦克风可以确定用户是在打鼾还是咳嗽,其他内置传感器可以确定房间的温度和灯光亮度。所有这些信息可以反映用户的睡眠质量,然后可以提出建议,比如设置一个提醒,在某个时间上床睡觉,或者尝试睡前放松。


谷歌正试图将雷达传感器运用到其能想到的任何产品中,以形成设备之间的联动,例如,如果用户希望将睡眠数据同步到Google Fit(谷歌的健康追踪应用 开发 平台),那么就可以从手机和智能手表等其他设备中提取数据。

                                   

国内传统家电厂商纷纷也看好人体感知检测在家居应用的前景,这势必推动毫米波雷达技术的广泛运用。据业内人士透露,目前,美的设立了多个项目,包括空调节能项目、智能联动等方面,通过基于人体感知检测的个性化功能实现降低能耗,以突显产品差异化。


无独有偶,包括TCL、长虹、创维、海信在内的传统家电厂商都在摩拳擦掌,成立专门的研发部门,加大力度研发人体感知检测在电视上的创新应用,以对标海外厂商产品,比如三星电视多款机型都已经采用人体存在、运动轨迹测量雷达。


而进入这个赛道的不乏巨头科技企业,据悉,相关业者将在2022年第二季度推出具备人体运动轨迹跟踪、人体存在检测的智能产品。终端应用的玩家不断增多,技术引领势必主导市场格局的改变,毫米波雷达扮演的角色将愈发重要。同时,产业不断成熟也将推动企业之间的合作,共生共赢,业内消息指出,亚马逊正于国内家电厂商精密配合,定制亚马逊专用产品,硬件+服务的模式能否获得成功不得而知,但可以肯定的是,多样化的终端应用必须要有合适的技术托底,而毫米波雷达目前看来就是一个正确技术选择。

                             

从视觉升级至触觉检测,毫米波雷达家居用例充满想象

凭借众多技术优势,毫米波雷达在智能家居应用中可实现丰富用例。云帆瑞达科技(深圳)有限公司(下文简称云帆瑞达)总经理李刚表示,毫米波雷达特别适合用于人体检测,近年来,毫米波雷达在家居用途中的应用,逐渐从呼吸心跳的功能,延申到人体存在、跌落报警、人数统计等。按工作频率划分,5.8GHz应用于触发雷达,24GHz可以做人体精准存在,60GHz可以实现呼吸心跳、人数统计功能。过去,传统传感器依赖可见光或不可见光进行感知。作为人体探测的新一代传感器系列,毫米波雷达完成了从摄像头的传统视觉感知,到触觉感知的改变。

                              

01.睡眠监测、养老照护

毫米波雷达可以非接触方式,精确识别呼吸及心率数据,通过对呼吸深度、心跳频率、运动参数等数据深入分析,判断用户睡眠质量,为睡眠呼吸中潜在的呼吸疾病提供辅助数据支持,这种能力适用于24小时实时监测和照护,满足居家、社区、机构三位一体的养老监护要求,缓解老龄化社会养老难题。


此外,毫米波雷达无需光学摄像也可以追踪人体活动,包括人员跌倒等运动特征,实现跌倒报警的同时,避免摄像头带来的隐私问题。中国疾病监测系统的数据显示,跌倒已经成为我国65岁以上老年人受伤、死亡的首要原因,推进建立完善的养老体系,在应对跌倒问题上必须有积极的预防及应急措施。在多生活场景中,毫米波雷达可以判断人体的站立、静坐或是跌倒状态,在发生跌倒等异常行为时实时告警通知监护人,在最佳时间内给予救治。


李刚说道,毫米波雷达可以精准实现健康照护,并与智能家电联动,衍生更多智能化应用。国内老年人群体达到2.5亿人(数据来源于网络),对智能解决方案的接受度高于预期,人口老龄化发展背景之下,基于毫米波雷达的智能解决方案对中老年市场的耕耘将推动智能家居市场渗透率的提升。


02.智能空调管理

李刚说道,空调日益强调高效能源管理和智能化,每年迭代数量达到3000万多部。其中,空调的智能化影响着使用舒适性,毫米波雷达让空调实时监测人体移动,根据人体与空调的距离和位置,改变空调的出风的方向与速度,通过细致的智能提升空调的舒适性。由于毫米波雷达不受环境条件影响,即使气温再高,也能准确识别人体并控制空调送风。毫米波可穿透空调外壳,因此可以安装于空调内部,不破坏空调美观性。空调目前是存量市场,竞争激烈,智能化和舒适性的提升有利于扩展产品的市场份额。


03.安防

家居安防系统势必需要感知人体,监控物体或人员在房屋周边区域的运动和位置状态,当目标超过距离阈值时,向房主触发自动警报,向内置摄像头发出信号以启动视频录制,这一系列事件可以由毫米波雷达、图像识别、数据分析等多种技术手段结合实现。

                               

04.手势识别和控制

智能家居中的手势控制功能,可使用毫米波雷达实现非接触式手势交互,完成毫米级动作捕捉,实现智能联动。搭配丰富算法,让手势控制不局限于单一方式,交互更无感和智能。基于毫米波雷达的手势控制用例包括体感游戏、辅助残障人士或者老年人完成生活日常自理,让他们生活更便捷。


60GHz——家居应用毫米波雷达的适宜选择?

雷达传感器一般使用24GHz、60GHz和77GHz频段,这些频谱的使用往往受法规限制,因不同地区而异。在全球大多数地区,77GHz频段常用于汽车应用,77GHz在其他应用如工业、建筑、机器人、消费电子和城市基础设施应用受到限制。工信部今年发布的《汽车雷达无线电管理暂行规定(征求意见稿)》将76-79GHz频段规划用于汽车雷达,主要使用场景包括自适应巡航控制(ACC)、防撞(CA)、盲点探测(BSD)、变道辅助(LCA)、泊车辅助、后方车辆示警(RTCA)、行人探测等。该频段不能用于其他在地面设置使用的雷达,以及在航空器(含无人机、气球、飞艇等)上装载使用的雷达。

                                

欧洲电信标准协会ETSI和美国联邦通信委员会FCC制定的频谱法规和标准禁止新产品使用24GHz超宽带(UWB),现有已使用24GHz超宽带(UWB)的产品必须在2022年之前逐步淘汰。


因此,60GHz貌似是家居毫米波雷达适宜的频段,实际上半导体厂商也逐渐把竞争领域从24GHz转移到60GHz频段,TI、Acconeer、英飞凌等公司均推出了采用天线封装技术的60GHz毫米波雷达传感器,以开拓更大市场规模的消费电子市场。


就美国地区来看,FCC还将对毫米波雷达使用60GHz频谱拟议规则,并深入研究60GHz频谱中的其他技术,如超宽带、Wi-Fi等。虽然FCC对雷达频谱授权也设置了高门槛,避免其他用户产生有害干扰,但同时也逐渐开放。


4月,FCC正式发布了一项命令,放弃其第15.255条关于57GHz-71GHz频段的技术和应用限制规则,允许6家公司(Vayyar、法雷奥、英飞凌、特斯拉、IEE和Brose)向市场提供基于60GHz雷达的舱内监控、乘客安全和防盗应用,这次特殊豁免对下一代智能汽车的多元化感知技术落地具有重大意义。


在消费电子领域,7月,FCC为亚马逊亮起绿灯,批准亚马逊开发雷达睡眠追踪器,审查认为亚马逊的雷达设备能需要连接电源才能使用,不至于对其他设备形成干扰。根据提交的FCC文件,亚马逊希望将雷达技术应用于两种不同的应用场景:第一个是促进“非接触式设备控制”,可以帮助那些有语言、触觉或行动障碍的人更好地操作亚马逊的其他产品。第二是某种非接触式的睡眠追踪器。使用雷达传感器检测用户整晚的运动,并将这些信息编入用户的整体睡眠质量报告中,用户可以稍后查看,亚马逊表示这将为美国人民带来“重大的健康益处”。

       

60GHz毫米波雷达波长为5mm,可以提供更好的分辨率,弥补24GHz雷达带宽受限、精度不足、对运动物体的感测有局限的问题。主要技术厂商围绕非汽车领域毫米波雷达的竞争逐渐从24GHz转移到60GHz频段,特别是在智慧家居、健康监测等室内应用领域,60GHz频段预计将成为市场的主流。

国产雷达模块快速迭代,抢占物联网赛道

雷达模块感应精准、稳定、灵敏,还可以通过算法调试控制感应时间等参数,先进的雷达模块还集成天线在产品封装内。不同应用对雷达模块的要求不同,李刚说道,汽车电子应用侧重于以汽车运动测对方相对运动,智能家居侧重于以静止测量人体运动,两种应用在硬件上基本相同,但是算法上差异极大,相关量产测试技术也完全不同。终端选择新品,要考虑到测量范围(波长),精细度(频段),使用功能(天线),根据不同的测量面积,产品要求选择不同算法和成本。

       

由于我国不仅是半导体产业的生产国,也是较大的需求市场,因此产品迭代更加敏捷、更加快速。就产品的商业化程度来说,国产雷达模组目前在引导全球的应用技术。

      

毫米波雷达在汽车自动驾驶领域已经展现生机,但毫米波雷达在物联网世界还有更大的蓝图,包括智能家居、智能楼宇、智慧城市,其应用已经进入小步快跑阶段,生态建设逐渐建立。在该领域,云帆瑞达作为一个集算法能力、天线能力、量产测试能力一体的毫米波雷达提供商,已经突破了单月百万的营收,近期,云帆瑞达还与涂鸦智能已经正式签订合作协议,双方合作率先解决了产品联网、跨协议通信难题。为了让毫米波雷达设备实现跨协议通信,同时支持Wi-Fi、Zigbee等多种连接方式,涂鸦智能为云帆瑞达提供了联网、通信等模块,能和其雷达模块配合使用。



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