邊緣感測已經不是新的概念或實務應用。目前，偵測物體的存在並執行動作已成為感測器中常見的用途，包括自動開門、警告駕駛後方有障礙物或自動開關燈等。
毫米波雷達使感測節點更聰明
過往，這些感測應用的效能有著限制。試想一下，自動門在有人走近但並未進出門時自動開啟的頻率，或者當購物車停留在感測器的偵測範圍內時自動門保持敞開的情況。感測器偵測到在距離門幾步的距離有物體，便開著門造成電力消耗，使得室內空調散至室外，造成浪費。
假設自動門打開不僅是因為它感應到周圍環境，更因為有人走近並且改變速度，顯示要進門的意圖。舉一個極端的例子，當興奮的小孩直接衝向門時，感測器會因而被觸發。然而，周圍感測並不能即時反應，但對於能夠同時偵測速度與動作角度的感測而言，便可以即時觸發門並使其打開，如此一來，在提高安全性之餘，也僅有最少量的冷氣散出。此外，感測器同時須具有足夠的智慧，能偵測到個人和常見物體，以便為建築網路提供有用的資訊，像是為商店提供顧客的人數統計，或是通知管理者有購物車須從停車場推回店內。有鑒於自動門的使用數量十分龐大，廣泛的安裝感測器可以帶來相當顯著的節約能源效果，同時有助於提升建築自動化的防護、安全與便利性。
如今，這些常見應用已透過毫米波(mmWave)雷達感測來改善。針對尺寸、功率和成本最佳化的晶片，毫米波感測器適用於單晶片解決方案以及空間受限的系統。毫米波雷達感測最知名的應用為車用先進駕駛輔助系統(ADAS)和自動駕駛功能，例如自適應巡航控制(Adaptive Cruise Control, ACC)。
然而，以開門器為例，相同的技術可以有效應用在除了汽車之外的廣泛市場區隔中。舉例來說，毫米波雷達感測可以改善：
在眾多感測器的應用中，毫米波雷達感測可支援邊緣智慧決策，而具備有效感測功能的遠端系統能夠即時且有效地回應本地狀況，且不須再回傳資料至控制中心或透過網路接收指令。
若要將毫米波雷達感測的優勢部署至眾多應用中，則須多種半導體技術的專業知識，包括無線電及其它雷達和感測技術、高頻設計、類比訊號鏈功能、低功耗微控制器硬體與軟體、領先的訊號處理以及系統和網路通訊等等。
為了設計與製造具備體積小、價格適中等特性的高性能毫米波雷達感測器解決方案，以適用於上述廣泛的系統，則須要能夠整合、封裝和品質等其它領域的專家。而半導體公司(如德州儀器)也運用其技術與知識背景，致力推動技術創新，透過毫米波雷達感測帶來更好的邊緣感測性能與運作效能。
毫米波雷達感測如何實現邊緣智慧自主
像所有雷達解決方案一樣，毫米波雷達透過被包括人與動物在內的物體反射回來的電磁訊號運作。一旦找到原點，這些反射訊號(返回的訊號)將用於計算被偵測物體的範圍、速度和角度。讓毫米波技術具有明顯優勢的是其利用雷達從30到300千兆赫(GHz)的毫米波段，該波段電磁頻譜包含多個對商用開放的工業、科技和醫療(ISM)子波段。
毫米波輻射的使用讓我們可以利用極小的天線，方便在感測零件內部進行整合，並提升系統小型化。因此，小巧的毫米波感測器很容易安裝在需要它們的地方，包括汽車的塑膠保險桿後方、影像監視器裡面、機器人或無人機中、環境和交通控制設備旁等。此外，毫米波雷達技術能夠在阻擋攝影機和光學感測器(例如：LIDAR測距儀)的環境下照常工作，黑暗、炫目的日光、雨、陰霾、霧和煙都不能干擾毫米波作業。雷達感測技術還可以穿透障礙物，例如玻璃、樹脂玻璃、不透明的塑膠薄板、石膏牆與膠合板的薄層等。
這種能力不僅使毫米波雷達在不利的環境條件下穩定運作，也讓這些感測能安裝於表面後方不明顯處及在許多視線不清晰的地方使用。
而大部分毫米波感測器都採用調頻連續波(FMCW)方案。這代表它們會發射連續調頻訊號，而非傳統的雷達脈波或「嗶嗶聲」。FMCW提供許多優點，包括精確地量測距離。此外，能夠在訊號中編碼獨特的特徵(Signature)是毫米波傳輸的另一個特性，因此多種設備可在相同區域內工作而互不干擾。發射器還可以串聯不同的時間或階段，以便提高解析度，而再經過訊號處理後，可識別行人、動物、車輛、購物車、三角錐及其他地景的細節，而非簡單識別存在或動作。
毫米波雷達提供高精確度/影像清晰度/範圍
毫米波雷達感測可覆蓋廣闊的範圍，涵蓋範圍從僅有一英吋，遠至超過一個大型運動場之遠的範圍。實驗顯示在距離一公尺的位置，感測器可偵測到的物體準確至硬幣邊緣。在偵測車流和人流的距離上，感測器可偵測到200公尺外的大型物體，如汽車和卡車等。
由於毫米波系統能夠偵測小至幾分之一毫米的移動，這項技術也可偵測到非常細微的動作，例如人靜坐時的脈搏或眨眼睛的動作。對辦公大樓而言，能夠識別如此精細的動作是非常有幫助的，由於大樓裡的工作人員經常待在暗處，但室內感測器卻只有在偵測到桌前靜坐的人的大幅度動作才會開燈。相較之下，毫米波感測器會讓燈亮起，因為它可以偵測到小幅度動作，像是打字或略微轉動頭部等。
毫米波範圍量測既具有高精準度，也具有高解析度。對於測量大型容器中的液體或糧倉中穀物，精準度表示感測器能夠精確識別其中內容物的水平高度，而解析度則可以辨別容器或糧倉中的內容物剩餘最後一滴或即將耗盡。在地下室或儲物區域，感測器能夠在材料溢出造成危險之前，偵測出容器和管路的漏洞。在所有偵測遠距離物體的技術中，毫米波雷達感測獨具特色，因此它可根據應用需求單獨使用或與其它感測技術配合使用(圖1)。
圖1 高解析度77GHz雷達提升了工業級感測的性能。
提升智慧城市/交通偵測效能
毫米波雷達感測具有十分出色的追蹤多個移動物體的速度和角度的能力，而且感測器的視野能夠聚焦在一個很窄的角度內。有賴於這些功能，該技術協助人們實現智慧交通控管，例如藉由訊號燈裡的一個小感測器進行訊號燈計時，而非以往在街道混凝土下埋一個大型電感線圈的作法，甚至必須定期把它挖出來以更換一個新線圈(圖2)。而在智慧城市中，街道或高速公路旁關鍵道路的感測器能夠監控車輛狀況並直接做出決策，例如交通壅塞時，可以關閉高速公路匝道入口，並同步與控制中心回報，供相關人員進行調度。
圖2 可將交通雷達感測器安裝於十字路口停止區域或紅綠燈上，這麼一來就不須將感測器安裝在路面上。
在與建築物入口和使用相關的安全應用中，感測器是火災和其它緊急系統的關鍵，毫米波感測器能夠監測場所內的人員，甚至包括攝影機無法直接拍攝到的人。由於毫米波雷達感測器無須仰賴視覺圖像做決策，它們可以提供像盥洗室和更衣室等區域內的可靠度與安全性，因上述兩場所涉及個人隱私問題而不允許安裝攝影機。而對於常規保全來說，毫米波雷達感測能夠降低純影像系統所發出的錯誤警報，進而節省檢查這些不必要之中斷的時間與費用。
強化ADAS操控系統
在汽車應用中，毫米波雷達感測能協助ADAS和自動操作的穩定發展。ADAS的主要功能包括自適應巡航控制、自動跟車、後方物體偵測、盲點偵測、變道輔助和交叉車流警示等等。這些系統使用雷達偵測物體、行人和其它車輛的存在，並偵測它們的距離、速度與運動軌跡。由於汽車和卡車在複雜且動態的環境中移動，多種形式的感測技術將盡可能地蒐集完整的街景影像。毫米波雷達感測器能與影像攝影機、超聲波和LIDAR搭配使用，運用各種感測器取長補短、優勢互補。雷達獨有的「夜視」能力以及於惡劣環境下運作的特色，使毫米波雷達感測器成為汽車整體感測裝置的核心零組件。
另一方面，毫米波雷達感測技術在駕駛艙內也扮演著關鍵角色。感測器對細微運動的偵測能力可用以監控呼吸和心跳，從而幫助確認駕駛員是否清醒，在處於自動駕駛狀態時，提供基礎的人身安全量測(包括點頭的傾向)已變得更加常見。針對小嬰兒被鎖在高溫的汽車裡等人身安全爭議，毫米波感測器可以偵測孩童並向汽車警報系統發出警告。此外，雷達感測還可識別乘客，以協助提供更舒適的環境溫度控制，或者在停車場警示開啟車門時須避免與旁邊的車輛發生碰撞。在未來創新的抬頭顯示中，雷達感測可用於確定駕駛員視線高度，以便定位顯示器，讓駕駛員能夠完整看到顯示器。
毫米波技術原為汽車市場所採用，但人們已經發現它在其它移動系統中的廣泛用途。例如，工程、建築和農業用車輛也可從雷達導航中獲益匪淺。毫米波雷達感測器可提供卡車及堆高機，以及它們與裝貨碼頭和其它工作地點的距離。至於重型設備，例如推土機、挖土機怪手和農業用聯合收割機等，都可仰賴此項技術來幫助迴避靜態和動態障礙物，更有效地執行建設、收割穀物與翻地等相關工作。
農業/產線無人機運作
由於車輛運動感應不受車輪滑動影響，毫米波還可以確保均勻撒種。運動中的較小型系統，甚至是飛機，都需要ADAS的導航。無人機最初的目的是輔助農民替農作物噴灑農藥，最終也將可能運用於運輸貨物。對於導航和地面觀測與調查等工作而言，無人機能有效利用毫米波雷達感測。此外，物流機器人在大型倉庫中的效益非常大，它們可以存放、拾取和交付物品。導航和運動控制若越精密複雜，則固定式樓層布局就必須越少，如次一來便可在相同空間內使用更多台機器人。舉例而言，在執行操作時，使用毫米波導航可以協助擴大在空間內機器人的用途和靈活性，進而讓同一棟大樓中能有更多物品更迅速地被運送。
生產線上使用的機器人，以及完成測試等其它工廠工作的機器人通常會固定於某個位置上，但其機械手臂能夠大範圍移動。目前，工廠機器人與人類共處在同一空間內的工作日益增加。這些機器人通常採用光學感測技術(LIDAR或3D飛行時間感應)，在其為機器人動作導航時，引導完成任務，並保護員工和設備不受衝撞。毫米波雷達感測能夠提供額外的工作資訊。例如，協助機器人識別材料來擴展機器的功能。此外，在工廠條件不斷變化之下，人身安全性可能需要不止一種感測技術。毫米波雷達能夠在人們走近區域時識別員工，同時如果空氣裡充滿粉塵或其它可見的障礙物，其則會處理問題並擔任機器人的「眼睛」。
額外的感測資訊將有助於機器人在一定的速度範圍內更有效地運作，這取決於工作流程和環境條件，而非限於一個或兩個工作速度，這在現今非常常見。
半導體技術推升毫米波雷達效能
目前已經有大範圍的毫米波雷達感測應用，且新的應用也不斷地出現。為了滿足多元化領域應用，半導體解決方案必須整合多種功能，包括無線射頻(RF)收發器、時鐘等類比功能、類比數位轉換器(ADC)，高速處理和連接性。其中，根據不同的應用需求，處理可能包括硬體加速或可程式設計數位訊號處理器(DSP)以及微控制器(MCU)；連接性則包括網路通訊及標準系統介面。
使用離散式元件時，高頻和多樣性功能會使毫米波雷達感測器的設計變得複雜，因此，整合的單晶片節省了系統開發人員相當多的精力(圖3)。
圖3 單晶片毫米波感測器
由於毫米波ISM頻率子頻段有相當多種，且有很大的地區性差異，因此半導體解決方案必須提供RF靈活性，以便適應收發器的不同要求。輔助開發人員的其它因素包括系統微型化和低功耗，畢竟感測器常常須放置在狹小的空間，且有時需要電池供電續航操作。毫米波天線的設計可能很複雜，而特定應用所需的軟體通常要求訊號處理技術人員，因此，這些領域的開發支援非常重要。
總結來說，部署毫米波雷達感測應用涉及許多挑戰，系統開發人員須透過提供完善且高整合度的零組件，以盡可能解決多項設計挑戰。為滿足上述需求，德州儀器也開發了毫米波雷達技術，及開發人員所需的感測應用的硬體、軟體和工具。
(本文作者皆任職於德州儀器)