雷达 (Radar) 的全名是＂Radio Detection and Ranging＂(无线电侦测和定距)，旨在藉电磁能量以定向方式计算空间中目标物之方向、高度、速度，进而推估形态；将它嵌入传感器中，可在三维空间定位目标并衍生应用功能，例如，针对物理特性做分析、识别、决策及执行，但基于频率、放大器效率、光刻技术节点、功能集成能力、数量和成本考虑，雷达技术正在发生质变，朝向能提供密集 4D 点云的 4D 成像雷达发展，期使雷达点云密度更接近光达的点云。另就工艺来看，砷化镓 (GaAs) 正被硅锗 (SiGe) 取代，但 CMOS 或 BiCMOS 是更新颖的版本。
此外，Si CMOS 或绝缘层上覆硅 (SOI) 等器件可集成更多功能到雷达芯片上，包括多个收发器、波形发生器和模拟数字转换器 (ADC)。最新的 Si CMOS 甚至带有储存器的微控制器 (MCU) 及数字信号处理器 (DSP)，单芯片 (SoC) 趋势明显。封装方式及电路设计亦有改变：1.WLP-BGA 或覆晶球栅数组 (BGA) 等晶圆级封装正在兴起；2.顶层由特殊射频 (RF) 材料组成的混合电路板正在取代分别独立的 RF 和数字电路板；3.小型天线数组朝向封装天线 (AiP) 发展。举凡自动驾驶、机器人或手势控制等人机接口皆可见其踪迹，特别适用于侦测细微动作。
图1：ADAS 芯片采用本体偏置过程补偿原理，在产品级别可显著降低工艺散布 (Process Spread)
资料来源：https://www.gsaglobal.org/forums/fd-soi-a-technology-setting-new-standards-for-iot-automotive-and-mobile-connectivity-applications/
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神速探测＋边缘 AI，还需要＂传感器融合＂？
Markets and Markets 预估，2021 年全球汽车雷达市场预计将达 66.1 亿美元，而兼具光、电之长的毫米波 (mmWave) 是位于 24～100GHz 的超高频频谱，最大优势是：电波本身极短、完整电波包发送需时亦短，理论上可将延迟降低到 1 毫秒。这正是自驾车、无人机及工业物联网 (IIoT) 用以避障、防撞、测量范围或高度并做出回应的关键阈值。最新的毫米波汽车雷达系统使用短波电磁技术来确定被检测物体的范围、速度和相对角度，以 77GHz 频段为主流，能区分微小的运动，是先进驾驶辅助系统 (ADAS) 和自动驾驶传感器套件的关键组件。
Markets and Markets 预估，2021 年全球汽车雷达市场预计将达 66.1 亿美元，而兼具光、电之长的毫米波 (mmWave) 是位于 24～100GHz 的超高频频谱，最大优势是：电波本身极短、完整电波包发送需时亦短，理论上可将延迟降低到 1 毫秒。这正是自驾车、无人机及工业物联网 (IIoT) 用以避障、防撞、测量范围或高度并做出回应的关键阈值。最新的毫米波汽车雷达系统使用短波电磁技术来确定被检测物体的范围、速度和相对角度，以 77GHz 频段为主流，能区分微小的运动，是先进驾驶辅助系统 (ADAS) 和自动驾驶传感器套件的关键组件。
随着传感器数量日增，对网络带宽、远程储存和数据处理系统要求也迅速提高，＂边缘智能＂开始蔚为风潮。与＂传感器融合＂(Sensors Fusion) 集中处理数据反其道而行，为求更完整的串联、避免毫米波受到建筑物等遮蔽或遭遇网络壅塞，新兴作法是在传感器附近做更多运算，以大大减少需要在车辆周围移动的数据量，但这需对现今车辆的设计进行根本性改变，以＂数据为起点＂来设计系统，这对于减少带宽量、移动数据量、电力消耗和散热至关重要。这亦大幅简化了设计和测试工作，且测试可在整个生命周期随时运行，有利于传感器保持精准回应。
表：车用传感器类型比较
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传感器类型 |
优点 |
缺点 |
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摄影机 |
可提供高分辨率和颜色检测，善于识别、区分目标物 |
可能被眩光蒙蔽，无法在黑暗或云、雨、雾、雪中看清 |
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超声波
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40～100 kHz，覆盖范围达 10 公尺，能感测到相机无法应付的透明玻璃，且价格便宜、成本不到 1,000 美元 |
缺乏 ADAS 必要的范围和响应速度 |
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光达 |
可提供周遭 360 度完整视图，生成附近物体的 3D 图像 |
价格昂贵 |
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毫米波雷达 |
可检测远距物体，可覆盖 200 公尺并结合周围物体的准确距离和速度估算 |
角分辨率不如相机，但可望经由改进解决 |
资料来源：笔者整理
另一方面，传感器的老化会产生漂移现象、还会限制有效性，需要有一个基准来衡量这些变化，此时，可利用人工智能 (AI) 推论做补偿。一旦将这些设备部署在最终使用环境中，还必须制订故障缓解策略。先来了解一下成像雷达本质：使用多个雷达发射器 (Tx) 和接收器 (Rx) 捕获并处理多个雷达信号产生所需的分辨率；若借助 MIMO (多输入多输出) 和波束成形等无线技术，亦可解决无法区分位于相同范围／速度内物体的问题。
拥有＂超高角分辨率＂，区分相邻物体并非不可行
新创公司 Metawave 近期展示名为＂SPEKTRA＂的 77GHz 模拟波束转向 3D 雷达，能清晰检测出 300 公尺以上的车辆和 200 公尺以上的行人；迄今已申请逾 150 项专利，并于 2019 年获得首项授权。Metawave 介绍，以自有 MARCONI 77GHz 相位控制器和毫米波 IC 为核心，＂超高角分辨率＂是这款产品的特色。搭配校准系统使用，可使光束收、发在 ±22º 范围内以 0.1º 为步长精确控制、区分彼此相邻的物体，例如，紧挨着的汽、机车。此功能是角度或空间分辨率的函数，在方位角和仰角方向上的角分辨率都必须符合要求。
新创公司 Metawave 近期展示名为＂SPEKTRA＂的 77GHz 模拟波束转向 3D 雷达，能清晰检测出 300 公尺以上的车辆和 200 公尺以上的行人；迄今已申请逾 150 项专利，并于 2019 年获得首项授权。Metawave 介绍，以自有 MARCONI 77GHz 相位控制器和毫米波 IC 为核心，＂超高角分辨率＂是这款产品的特色。搭配校准系统使用，可使光束收、发在 ±22º 范围内以 0.1º 为步长精确控制、区分彼此相邻的物体，例如，紧挨着的汽、机车。此功能是角度或空间分辨率的函数，在方位角和仰角方向上的角分辨率都必须符合要求。
在模拟域中的窄光束，使其能以高精度快速检测整个车辆视场 (FoV) 中的物体并避开干扰。其聚焦光束和小横截面可在远距离和所有天候条件下检测人、物，且窄波束和高角度精度能追踪交错往来，解决传统雷达的痛点——须使用四个以上的收发器芯片进行数字波束成形 (Beamforming)，或是只能＂一闪而过＂某个宽视场，限制了可视范围及准确区分附近物体的能力。不仅如此，Metawave 还计划推出专有 AI 平台＂AWARE＂以执行实时对象分类和标记，实现更快的 ADAS 处理效能。
图2：Metawave SPEKTRA 波束控制模拟雷达展示远程、高分辨率和准确性
资料来源：https://www.metawave.co/post/metawave-demonstrates-spektra-world-s-highest-resolution-analog-radar
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松下 (Panasonic) 去年底亦展示全新 79GHz 3D 成像雷达，就号称感测结果不输相机或光达等光学传感器。利用其专有的不等距天线布局和 MIMO 信号处理技术，可识别前方 30 公尺以上的人、车等具体形状，若非高速行驶、侦测范围也有限，不一定要依赖传感器融合。然而，光达能覆盖 150 公尺的范围，每秒采样超过百万个空间点，若要追踪车辆的确切位置或捕捉忽然出现的临时障碍物，光达仍具利基；毕竟，自驾车不是只有避障需求，还须配合高清地图做更精细的导航和运动轨迹预测。
决战 60GHz 频段，兼顾隐私、覆盖更广
与此同时，松下正致力于将 60GHz 毫米波 WiFi 用于智能运输系统 (ITS) 领域，作为 DSRC (专用短距离通信) 和4G/5G 网络的补充。通过应用天线方向性和无线链路控制技术，松下已在新加坡南洋理工大学 (NTU) 的 ITS 展开测试。新趋势是在传感器附近做更多的运算，以大幅减少需要在车辆周围移动的数据量；对于须做出立即回应的汽车传感器来说，这一点尤其重要。索思未来 (Socionext) 也在去年底推出低功耗 60GHz 雷达传感器 SC1220，工作功耗仅为 1〜2.5mW，可实现灵活的工作周期 (占空比，Duty Ratio) 控制，将于今年第二季度量产。
与此同时，松下正致力于将 60GHz 毫米波 WiFi 用于智能运输系统 (ITS) 领域，作为 DSRC (专用短距离通信) 和4G/5G 网络的补充。通过应用天线方向性和无线链路控制技术，松下已在新加坡南洋理工大学 (NTU) 的 ITS 展开测试。新趋势是在传感器附近做更多的运算，以大幅减少需要在车辆周围移动的数据量；对于须做出立即回应的汽车传感器来说，这一点尤其重要。索思未来 (Socionext) 也在去年底推出低功耗 60GHz 雷达传感器 SC1220，工作功耗仅为 1〜2.5mW，可实现灵活的工作周期 (占空比，Duty Ratio) 控制，将于今年第二季度量产。
毫米波雷达还可通过无人机实现距离测量，并避免碰撞和软着陆。爱因斯坦 (Ainstein) 是目前无人机完整雷达系统的唯一供货商，去年初获选为内华达州 2019 NASA UTM (无人飞机系统交通管理) 合作伙伴，为空域平台提供防撞传感器，这是无人机达阵＂超越操控视线＂(BVLOS) 及顺应空气流动所不可或缺的；其＂μSharp 贴片防撞雷达＂只有信用卡大小，便于安装在小型无人机。去年底，其 US-D1 无人机雷达高度计亦获美国联邦通信委员会 (FCC) 授权；今年初，再于美国消费电子展 (CES) 展出 60GHz 物联网 (IoT) 雷达传感器 WAYV Air。
图3：WAYV Air 基于 60GHz 雷达感测技术，供室内／室外环境检测和追踪人员之用，有助于实现建筑自动化、空间利用率及安全性
资料来源：https://www.metawave.co/post/metawave-demonstrates-spektra-world-s-highest-resolution-analog-radar
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WAYV IoT 系统包办短、中、长距，能在各种情况追踪、分析人／车流量，以改善路况、优化零售商店布局或协助旅馆规划救援动线，以实现建筑自动化、空间利用率及安全性。爱因斯坦表示，此类传感器无法识别特定个人或使用脸部辨识，没有隐私问题；另有别于超声波，毫米波传感器可布建在天花板后面等隐秘处，更为美观、覆盖范围更广。爱因斯坦还为德州仪器 (TI) 开发用于人数统计、人群监管、改善工业环境安全及空调／照明的雷达评估板，同时正进军汽车领域，今年初甫与一阶 (Tier1) 供货商 ADAC Automotive 展示车用毫米波雷达模块。
24GHz 雷达感测将走入历史，＂级联成像＂加速、简化高清开发
特别一提的是，FCC 和欧洲电信标准协会 (ETSI) 为免 5G 设备受到太多干扰，已明令禁止雷达传感器使用 24GHz 频段，此规格只提供至 2021 年底，接棒而起的毫米波频段将是 60、77 和 79～81 GHz。TI 主张，77GHz 频段主要用于汽车，而 60GHz 是工业安全应用优选，目标应用包括建筑物／工厂自动化系统、交通监控、物料搬运、人员检测／计数和智能机器人。EchoDrive 日前推出标榜＂可增强机器学习认知＂的新型雷达即是结合 TI 毫米波传感器；嵌入传感器后，自动停车搜寻模式的最大测量精度为 40 公尺，停车模式则接近 0～20 公尺。
特别一提的是，FCC 和欧洲电信标准协会 (ETSI) 为免 5G 设备受到太多干扰，已明令禁止雷达传感器使用 24GHz 频段，此规格只提供至 2021 年底，接棒而起的毫米波频段将是 60、77 和 79～81 GHz。TI 主张，77GHz 频段主要用于汽车，而 60GHz 是工业安全应用优选，目标应用包括建筑物／工厂自动化系统、交通监控、物料搬运、人员检测／计数和智能机器人。EchoDrive 日前推出标榜＂可增强机器学习认知＂的新型雷达即是结合 TI 毫米波传感器；嵌入传感器后，自动停车搜寻模式的最大测量精度为 40 公尺，停车模式则接近 0～20 公尺。
有鉴于创建 MIMO 雷达系统是一大挑战，TI 备有＂级联毫米波传感器成像雷达＂参考设计——级联成像雷达射频 (RF) 系统，可加速并简化高分辨率成像雷达的开发，支持长距离雷达 (LRR) 波束成形应用，并具有增强角分辨率性能的中距离雷达 (MRR) 和短距离雷达 (SRR) MIMO应用。其雷达传感器是单芯片调频连续波 (FMCW) 设备——发送一个频率不断增加的射频能量之＂线性调频脉冲＂信号，采用 RFCMOS 工艺可让单芯片得以容纳三个发射器 (Tx)＋四个接收器 (Rx) 通道，并内置锁相回路 (PLL) 和模拟数字转换器 (ADC) 系统。
图4：TI 雷达传感器产品配置
资料来源：http://www.ti.com/lit/wp/spyy009/spyy009.pdf
资料来源：http://www.ti.com/lit/wp/spyy009/spyy009.pdf
传感器还嵌入用于处理雷达信号的 DSP 子系统，而内置的自动侦测处理器子系统则负责无线电配置、控制和校准，另具备一个板上可编程的 Arm Cortex-R4F 处理器用于进行对象追踪、分类，以及 AUTOSAR (汽车开放系统架构) 和接口控制。今年惊艳 CES 的医疗保健技术供货商 Essence Group，其展示的跌落检测器即采用 TI 60GHz 3D 毫米波感测技术；无独有偶，同样在 CES 2020 引起瞩目的还有台湾科技新创基地 (TTA) 领军的开酷科技 (KaiKuTek) 等一众台湾厂商，亦看好 60GHz mmWave WiGig (Wireless Gigabit，即 802.11ad) 在手势识别的潜力。
深度学习算法＆AI 加速器加持，更胜一筹
开酷科技进一步结合毫米波、深度学习 (Deep Learning) 算法和 AI 加速器，开发出全球首款完整集成的 60GHz 手势识别／追踪单芯片 (SoC)，并公开宣称 60GHz 有几大吸引力：1.最大带宽可达 10Gbps，且其径向分辨率 (radial resolution) 的有效距离近乎 1.5 cm，对于手势识别等细微动作尤其重要；2.空中的毫米波信号会迅速衰减，60GHz 非常适合＜10m 的视线和短距离应用；3.使用定向天线，可提供更好的隐私保护并减少干扰。上述 SoC 具备低延迟特性，拟于今年底量产，手机、穿戴设备、游戏运动感测／控制和智能家居是首要目标。
开酷科技进一步结合毫米波、深度学习 (Deep Learning) 算法和 AI 加速器，开发出全球首款完整集成的 60GHz 手势识别／追踪单芯片 (SoC)，并公开宣称 60GHz 有几大吸引力：1.最大带宽可达 10Gbps，且其径向分辨率 (radial resolution) 的有效距离近乎 1.5 cm，对于手势识别等细微动作尤其重要；2.空中的毫米波信号会迅速衰减，60GHz 非常适合＜10m 的视线和短距离应用；3.使用定向天线，可提供更好的隐私保护并减少干扰。上述 SoC 具备低延迟特性，拟于今年底量产，手机、穿戴设备、游戏运动感测／控制和智能家居是首要目标。
最新加入 60GHz 战局的还有英飞凌 (Infineon)，刚发表首个集成到智能手机的雷达系统，集成天线的尺寸仅为 6.5 mm x 5 mm；通过检测微小的动作和手势让手机等设备做出预期反应，并仅在需要时才启用，节省能源。他们认为，手势识别是人机交互最直观的方式之一，可代替触摸或点击之类的界面；最重要的是，可检测到红外光 (PIR) 等其他技术几乎看不到的运动来实现智能照明，亦可提升智能音箱的音频质量。除了保护隐私，雷达传感器不需开口或借助透镜，可感应多种材料进而节省成本，且不受环境光和操作环境影响亦极具吸引力。
