來源 電子工程專輯
手機上的3D感知/成像技術，比較知名的應該是ToF和立體視覺(如雙目)方案了。不過實際上，除了這樣的光學測距技術，智能手機對于3D感知、人機交互界面也有過其他嘗試。
在Pixel 4手機上，谷歌曾為其配備一顆名為Soli的毫米波雷達。Soli雷達就不是利用傳統光學測距技術來實現手勢識別、存在檢測之類的功能。Soli也是消費級智能手機上首個應用的短距雷達傳感器。其基本原理是，以毫米波雷達基于對象與無線電波之間的相互作用，來檢測和測量該對象的屬性。
這顆Soli毫米波雷達來自英飛凌，在英飛凌的產品線中名為XENSIVTM毫米波雷達。英飛凌對于XENSIVTM的一個設想就在于“變革未來的人機界面”，“無接觸的人機交互”，“以很高的速度和準確度追蹤亞毫米級運動”。另一方面，能塞進手機里就表明其尺寸相當小，英飛凌在接受我們采訪時也提到高度集成化的技術，是實現小尺寸外形的基礎，包括AiP(Antenna In Package)封裝技術，將所有天線都集成到一個芯片中。
不過XENSIVTM毫米波雷達也不僅限于手機方向的應用。本文就從技術、市場和應用幾個方面來談談，在除了汽車這類雷達應用比較稀松平常的場景以外，如今的毫米波雷達正在發揮怎樣的作用。
談談Soli是怎么工作的
以Soli為例，來簡單談談其中原理。一般傳統的無線電雷達系統包括了發射端和接收端，發射端會發射無線電(磁)波，在路徑中遇到對象就會發生散射或者重定向，部分能量返回到雷達接收端。基于接收到的波形，雷達系統就能檢測對象的存在，并估算對象的某些屬性，比如說距離、大小等。
雷達作為一種檢測和距離感知技術，已經存在將近一個世紀了：以前比較知名的比如超聲波雷達。傳統的雷達技術用于檢測大型、遠距離的對象，比如飛機、汽車。在更近的距離內、更小尺寸的設備上，實現更高精度的感知，是從前所沒有的。
傳統的雷達設計，需要考量相關目標尺寸的空間分辨率，這樣才能分辨不同對象、辨別其空間結構。這樣的空間分辨率要求較寬的傳輸帶寬、較窄的天線束寬(beamwidth)，以及較大的天線陣列。而Soli雷達是基于動作感知的思路，而非空間結構。
這其實也是實現將毫米波雷達應用于手機這類小尺寸設備的關鍵。Pixel 4中Soli芯片封裝整體就5mm x 6.5mm x 0.873mm，整個傳感器就位于手機上方位置。加上算法配合，不需要像光學圖像傳感器那樣對目標空間結構做比較精細的成像。
更具體地說，這種方案基于接收信號的時域變化，來感知和分辨精細的動作。英飛凌XENSIVTM雷達發射高頻率、毫米波長級別的調制信號，并接收對象反射疊加。對象亞毫米級別的位置變化，在接收信號時間周期變化過程中就可以被分辨出來。在多個傳輸窗口期內，這樣的變化表現為多普勒頻率——它與檢測對象的運動速度是相關的。通過分辨不同的多普勒頻率，雷達信號處理管線就能夠借助不同的運動模式，來區分檢測對象了。
當然后面涉及到了更具體的算法。這也是Soli雷達工作的基本原理——其實還可以更具體到Soli有三個接收器對信號做處理，來估算3D位置;位置信息配合距離、速度、角度，達成更復雜的分辨能力;谷歌還為之配備了機器學習算法，最終實現體驗更好的無接觸人機交互感知等等。雖然這并非所有XENSIVTM雷達在各類應用中的實現，從中我們還是可對毫米波雷達的工作方式有個大致的了解。
單就雷達本身的角度來看，英飛凌XENSIVTM毫米波雷達具備的幾大特點包括小尺寸帶天線封裝;分立(discrete);有必要時可做隱藏設計——這就和PIR(被動紅外檢測)不同;不受溫度和灰塵的影響;足夠靈敏，可在需要時保持開啟;范圍適應性廣。
英飛凌在接受采訪時特別強調，XENSIVTM雷達體積小，可以集成到手機中。而且“與ToF相比，毫米波雷達傳感器可以感知微動，即心跳和呼吸的運動。所以ToF和雷達可以實現互補。”——這一點體現的應該就是“足夠靈敏”的特點了。
更高頻率、更短波長的XENSIVTM毫米波雷達能夠提供更高的分辨率，相比此前厘米級別波長的雷達，進一步解決帶寬受限、精度不足、對運動物體感測有局限的問題。當然不同頻率和波長的雷達有著不同的應用領域，畢竟它們在檢測距離、覆蓋范圍、檢測精度、功耗等方面都會有不同。
還有更多應用場景
談到呼吸、心跳這類亞毫米級別微動作的感知，英飛凌去年在接受我們采訪時曾經提到，高頻率的毫米波雷達波長是毫米級的，如其更高頻率的XENSIVTM毫米波雷達波長為5mm——皮膚0.5mm的微動對于雷達而言就已經是比較大的移動距離了，所以自然能夠實現對于呼吸、心跳等微動作的感知。
所以在英飛凌列出雷達產品應用中，亦能看到“生命體征檢測”。不過英飛凌告訴我們，其算法設計目前仍處在早期階段。我們在英飛凌FY20年報中看到，英飛凌提到一種基于雷達的血壓傳感器。這種可穿戴、非侵入式的血壓傳感器就是基于XENSIV?毫米波雷達芯片，是與合作伙伴共同開發的。英飛凌認為這項新技術長期看來，對于可穿戴心血管監測設備市場會有非常大的潛力。
基于微動檢測這一點，可延伸的是——存在檢測也是這類傳感器的重要應用場景之一。一般我們知道PIR是比較常見的存在檢測傳感器。不過PIR無法偵測微動作。比如在辦公室工作，人并不會有太大幅度的動作。像敲擊鍵盤這樣的微動作，紅外傳感器是無法感知到的。而毫米波雷達卻能夠輕易檢測到。
存在檢測的具體應用場景有很多，比如智能家居、智能樓宇：人不在的時候就可以部分關閉電氣設備以實現節能;以及實現智能化的交互體驗，回家就自動開燈，人走到哪兒燈就亮到哪兒等等。除了存在檢測以外，毫米波雷達也可應用于人數統計、追蹤——比如智能樓宇對人數的統計;智慧交通對來往車流量的統計，并配合實現分流和資源優化配置等操作。加上更為高級的算法，比如像谷歌Soli項目那樣，則可實現非接觸式心率檢測、懸浮手勢控制等應用。
值得一提的是，除了雷達硬件本身，英飛凌為開發者提供的SDK也包含算法庫，其中包含一些基礎算法和方案。與此同時，英飛凌的毫米波雷達產品也與其他組成部分構成完整的系統，比如IoT XENSIV? Lighting Platform就是有雷達參與的智能路燈平臺。
總的來說，英飛凌認為其毫米波雷達產品未來的應用方向還包括智能樓宇、智能辦公、機器人、智能馬桶占用檢測、水位監測、無人機、電視等。“智慧交通、安防領域已經形成一定規模的市場，智慧家居領域也是可以預見的重要潛在市場。”“隨著老齡化進程的加速，毫米波雷達和智慧養老相結合已演化出跌倒報警、睡眠監控等很多新用例。”
英飛凌表示：“英飛凌毫米波雷達是一種經過驗證的強大傳感器，提供比PIR技術更高的精度和更好的性能，可用于消費電子、醫療保健、監控、駕駛輔助以及工業應用中的短程定位和生命體征跟蹤。”
毫米波雷達市場的未來
毫米波雷達“在市場應用方面具有巨大的發展潛力，值得有興趣在這些應用中抓住商機的制造商深入了解這項技術。”對于非汽車領域，這是英飛凌對于毫米波未來的看法。
我們能夠找到對于非汽車應用的毫米波雷達市場的分析報告不多：且毫米波技術本身的應用也不僅限于雷達。從MarketsandMarkets的數據來看，全球毫米波技術市場2021年的規模大約在18億美元左右，至2026年的CAGR為20.8%，2026年達到47億美元。這份報告主要還是提到了通訊領域小基站后傳網絡對于毫米波的應用，是這類技術推進的重要動力。不過與此同時，安全和雷達應用上，毫米波技術也是絕對重要的推動力。
Reportlinker去年倒是發了一份毫米波雷達市場報告。這份報告預期未來毫米波雷達IC市場的主要機遇在汽車、電信通訊、安全與成像、醫療健康行業。預計2025年，毫米波雷達市場規模會達到12億美元。2020-2025的市場CAGR為16%-18%。不過這些報告提及的側重點還是在汽車ADAS和后傳網絡毫米波的應用上。只是毫米波雷達本身的高速發展還是毋庸置疑的。
事實上，英飛凌應用于非車載市場的XENSIV?毫米波雷達，就是將車載領域相對成熟的硬件和方案，應用到消費類、工業類應用中的產品。基于智能制造、智慧交通、智能樓宇、智慧城市等熱門領域的發展，毫米波雷達必然有一席之地。
