来源 电子工程专辑
手机上的3D感知/成像技术，比较知名的应该是ToF和立体视觉(如双目)方案了。不过实际上，除了这样的光学测距技术，智能手机对于3D感知、人机交互界面也有过其他尝试。
在Pixel 4手机上，谷歌曾为其配备一颗名为Soli的毫米波雷达。Soli雷达就不是利用传统光学测距技术来实现手势识别、存在检测之类的功能。Soli也是消费级智能手机上首个应用的短距雷达传感器。其基本原理是，以毫米波雷达基于对象与无线电波之间的相互作用，来检测和测量该对象的属性。
这颗Soli毫米波雷达来自英飞凌，在英飞凌的产品线中名为XENSIVTM毫米波雷达。英飞凌对于XENSIVTM的一个设想就在于“变革未来的人机界面”，“无接触的人机交互”，“以很高的速度和准确度追踪亚毫米级运动”。另一方面，能塞进手机里就表明其尺寸相当小，英飞凌在接受我们采访时也提到高度集成化的技术，是实现小尺寸外形的基础，包括AiP(Antenna In Package)封装技术，将所有天线都集成到一个芯片中。
不过XENSIVTM毫米波雷达也不仅限于手机方向的应用。本文就从技术、市场和应用几个方面来谈谈，在除了汽车这类雷达应用比较稀松平常的场景以外，如今的毫米波雷达正在发挥怎样的作用。
谈谈Soli是怎么工作的
以Soli为例，来简单谈谈其中原理。一般传统的无线电雷达系统包括了发射端和接收端，发射端会发射无线电(磁)波，在路径中遇到对象就会发生散射或者重定向，部分能量返回到雷达接收端。基于接收到的波形，雷达系统就能检测对象的存在，并估算对象的某些属性，比如说距离、大小等。
雷达作为一种检测和距离感知技术，已经存在将近一个世纪了：以前比较知名的比如超声波雷达。传统的雷达技术用于检测大型、远距离的对象，比如飞机、汽车。在更近的距离内、更小尺寸的设备上，实现更高精度的感知，是从前所没有的。
传统的雷达设计，需要考量相关目标尺寸的空间分辨率，这样才能分辨不同对象、辨别其空间结构。这样的空间分辨率要求较宽的传输带宽、较窄的天线束宽(beamwidth)，以及较大的天线阵列。而Soli雷达是基于动作感知的思路，而非空间结构。
这其实也是实现将毫米波雷达应用于手机这类小尺寸设备的关键。Pixel 4中Soli芯片封装整体就5mm x 6.5mm x 0.873mm，整个传感器就位于手机上方位置。加上算法配合，不需要像光学图像传感器那样对目标空间结构做比较精细的成像。
更具体地说，这种方案基于接收信号的时域变化，来感知和分辨精细的动作。英飞凌XENSIVTM雷达发射高频率、毫米波长级别的调制信号，并接收对象反射叠加。对象亚毫米级别的位置变化，在接收信号时间周期变化过程中就可以被分辨出来。在多个传输窗口期内，这样的变化表现为多普勒频率——它与检测对象的运动速度是相关的。通过分辨不同的多普勒频率，雷达信号处理管线就能够借助不同的运动模式，来区分检测对象了。
当然后面涉及到了更具体的算法。这也是Soli雷达工作的基本原理——其实还可以更具体到Soli有三个接收器对信号做处理，来估算3D位置;位置信息配合距离、速度、角度，达成更复杂的分辨能力;谷歌还为之配备了机器学习算法，最终实现体验更好的无接触人机交互感知等等。虽然这并非所有XENSIVTM雷达在各类应用中的实现，从中我们还是可对毫米波雷达的工作方式有个大致的了解。
单就雷达本身的角度来看，英飞凌XENSIVTM毫米波雷达具备的几大特点包括小尺寸带天线封装;分立(discrete);有必要时可做隐藏设计——这就和PIR(被动红外检测)不同;不受温度和灰尘的影响;足够灵敏，可在需要时保持开启;范围适应性广。
英飞凌在接受采访时特别强调，XENSIVTM雷达体积小，可以集成到手机中。而且“与ToF相比，毫米波雷达传感器可以感知微动，即心跳和呼吸的运动。所以ToF和雷达可以实现互补。”——这一点体现的应该就是“足够灵敏”的特点了。
更高频率、更短波长的XENSIVTM毫米波雷达能够提供更高的分辨率，相比此前厘米级别波长的雷达，进一步解决带宽受限、精度不足、对运动物体感测有局限的问题。当然不同频率和波长的雷达有着不同的应用领域，毕竟它们在检测距离、覆盖范围、检测精度、功耗等方面都会有不同。
还有更多应用场景
谈到呼吸、心跳这类亚毫米级别微动作的感知，英飞凌去年在接受我们采访时曾经提到，高频率的毫米波雷达波长是毫米级的，如其更高频率的XENSIVTM毫米波雷达波长为5mm——皮肤0.5mm的微动对于雷达而言就已经是比较大的移动距离了，所以自然能够实现对于呼吸、心跳等微动作的感知。
所以在英飞凌列出雷达产品应用中，亦能看到“生命体征检测”。不过英飞凌告诉我们，其算法设计目前仍处在早期阶段。我们在英飞凌FY20年报中看到，英飞凌提到一种基于雷达的血压传感器。这种可穿戴、非侵入式的血压传感器就是基于XENSIV?毫米波雷达芯片，是与合作伙伴共同开发的。英飞凌认为这项新技术长期看来，对于可穿戴心血管监测设备市场会有非常大的潜力。
基于微动检测这一点，可延伸的是——存在检测也是这类传感器的重要应用场景之一。一般我们知道PIR是比较常见的存在检测传感器。不过PIR无法侦测微动作。比如在办公室工作，人并不会有太大幅度的动作。像敲击键盘这样的微动作，红外传感器是无法感知到的。而毫米波雷达却能够轻易检测到。
存在检测的具体应用场景有很多，比如智能家居、智能楼宇：人不在的时候就可以部分关闭电气设备以实现节能;以及实现智能化的交互体验，回家就自动开灯，人走到哪儿灯就亮到哪儿等等。除了存在检测以外，毫米波雷达也可应用于人数统计、追踪——比如智能楼宇对人数的统计;智慧交通对来往车流量的统计，并配合实现分流和资源优化配置等操作。加上更为高级的算法，比如像谷歌Soli项目那样，则可实现非接触式心率检测、悬浮手势控制等应用。
值得一提的是，除了雷达硬件本身，英飞凌为开发者提供的SDK也包含算法库，其中包含一些基础算法和方案。与此同时，英飞凌的毫米波雷达产品也与其他组成部分构成完整的系统，比如IoT XENSIV? Lighting Platform就是有雷达参与的智能路灯平台。
总的来说，英飞凌认为其毫米波雷达产品未来的应用方向还包括智能楼宇、智能办公、机器人、智能马桶占用检测、水位监测、无人机、电视等。“智慧交通、安防领域已经形成一定规模的市场，智慧家居领域也是可以预见的重要潜在市场。”“随着老龄化进程的加速，毫米波雷达和智慧养老相结合已演化出跌倒报警、睡眠监控等很多新用例。”
英飞凌表示：“英飞凌毫米波雷达是一种经过验证的强大传感器，提供比PIR技术更高的精度和更好的性能，可用于消费电子、医疗保健、监控、驾驶辅助以及工业应用中的短程定位和生命体征跟踪。”
毫米波雷达市场的未来
毫米波雷达“在市场应用方面具有巨大的发展潜力，值得有兴趣在这些应用中抓住商机的制造商深入了解这项技术。”对于非汽车领域，这是英飞凌对于毫米波未来的看法。
我们能够找到对于非汽车应用的毫米波雷达市场的分析报告不多：且毫米波技术本身的应用也不仅限于雷达。从MarketsandMarkets的数据来看，全球毫米波技术市场2021年的规模大约在18亿美元左右，至2026年的CAGR为20.8%，2026年达到47亿美元。这份报告主要还是提到了通讯领域小基站后传网络对于毫米波的应用，是这类技术推进的重要动力。不过与此同时，安全和雷达应用上，毫米波技术也是绝对重要的推动力。
Reportlinker去年倒是发了一份毫米波雷达市场报告。这份报告预期未来毫米波雷达IC市场的主要机遇在汽车、电信通讯、安全与成像、医疗健康行业。预计2025年，毫米波雷达市场规模会达到12亿美元。2020-2025的市场CAGR为16%-18%。不过这些报告提及的侧重点还是在汽车ADAS和后传网络毫米波的应用上。只是毫米波雷达本身的高速发展还是毋庸置疑的。
事实上，英飞凌应用于非车载市场的XENSIV?毫米波雷达，就是将车载领域相对成熟的硬件和方案，应用到消费类、工业类应用中的产品。基于智能制造、智慧交通、智能楼宇、智慧城市等热门领域的发展，毫米波雷达必然有一席之地。
