解讀毫米波雷達(dá)是自動(dòng)駕駛不可缺的傳感器

在智能駕駛傳感器領(lǐng)域，與激光雷達(dá)相比，毫米波雷達(dá)更接地氣，技術(shù)更成熟，市場(chǎng)出貨量可觀。以中國(guó)市場(chǎng)為例，2015年車(chē)載毫米波雷達(dá)銷(xiāo)量為180萬(wàn)部，平均每12輛車(chē)就有一部毫米波雷達(dá)。另外，毫米波雷達(dá)在歐洲的普及率非常高。

• 毫米波頻段的劃分

毫米波本質(zhì)上是電磁波。毫米波的頻段比較特殊，頻率高于無(wú)線電，低于可見(jiàn)光和紅外，頻率范圍大致在10 GHz-200 GHz。毫米波介于微波和THz(1000GHz)之間，可以說(shuō)是微波的一個(gè)子集。

解讀:為什么毫米波雷達(dá)是自動(dòng)駕駛不可或缺的傳感器？

在這個(gè)頻段，毫米波相關(guān)特性使其非常適合車(chē)載應(yīng)用。目前車(chē)載領(lǐng)域的毫米波雷達(dá)頻段有三種。

一個(gè)是24-24.25GHz頻段，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)的盲點(diǎn)監(jiān)控和變道輔助。雷達(dá)安裝在車(chē)輛的后保險(xiǎn)杠內(nèi)，用于監(jiān)控車(chē)輛后方兩側(cè)車(chē)道內(nèi)是否有車(chē)輛，是否可以變道。這個(gè)頻段也有它的缺點(diǎn)。第一，頻率比較低，帶寬比較窄，只有250MHz。

另一個(gè)頻段是77GHz，頻率比較高，國(guó)際上允許的帶寬高達(dá)800MHz。據(jù)袁帥介紹，該頻段的雷達(dá)性能優(yōu)于24GHz雷達(dá)，因此主要用于安裝在車(chē)輛前保險(xiǎn)杠上，檢測(cè)前方車(chē)輛的距離和速度，實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)、自動(dòng)跟車(chē)等主動(dòng)安全領(lǐng)域的功能。

第三類(lèi)應(yīng)用頻段為79 GHz-81 GHz。這個(gè)頻段最大的特點(diǎn)就是帶寬很寬，比77GHz高3倍以上。這也使得它具有非常高的分辨率(分辨率后面會(huì)詳細(xì)說(shuō)明)，可以達(dá)到5cm。這個(gè)分辨率在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域是非常有價(jià)值的，因?yàn)樽詣?dòng)駕駛汽車(chē)需要分辨行人等很多精細(xì)物體，這就需要很高的帶寬。袁帥表示，這個(gè)頻段未來(lái)將廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛領(lǐng)域。

波長(zhǎng)方面，24GHz毫米波的波長(zhǎng)為1.25cm，77GHz毫米波的波長(zhǎng)約為4 mm，毫米波的波長(zhǎng)比光波長(zhǎng)1000多倍，對(duì)物體的穿透能力更強(qiáng)。

比如我們平時(shí)看到的灰塵直徑大約在1um—100um，自然界中雨滴的直徑在0.5mm—4mm的范圍內(nèi)。所以波長(zhǎng)相等或更長(zhǎng)的電磁波很容易穿透這些障礙物，毫米波就有這樣的能力。

這種可靠性是其他任何傳感器都難以達(dá)到的，所以在ADAS這個(gè)對(duì)安全性和可靠性要求很高的領(lǐng)域，毫米波雷達(dá)有著難以撼動(dòng)的地位。

• 毫米波雷達(dá)在車(chē)載領(lǐng)域的發(fā)展歷史

其實(shí)在美國(guó)20世紀(jì)60年代，毫米波雷達(dá)就開(kāi)始應(yīng)用于車(chē)載領(lǐng)域，但當(dāng)時(shí)技術(shù)水平較低，使用單天線，前端只能收發(fā)，頻率只有10GHz。而且在袁帥的描述中，這個(gè)雷達(dá)裝置在車(chē)輛前方并不美觀?！盎旧暇拖駜蓚€(gè)盤(pán)子躺在那里?！?/p>

之后，為了降低其體積，業(yè)內(nèi)專(zhuān)家不斷將頻率提高到30GHz和50GHz。雷達(dá)頻率越高，天線尺寸越小，意味著同樣尺寸的雷達(dá)天線波束集中度更高。

在20世紀(jì)90年代，開(kāi)發(fā)了60GHz、77GHz和94GHz的毫米波雷達(dá)。后來(lái)60GHz頻段主要用于通信，94GHz頻段主要用于軍事，而77GHz頻段則被選作工業(yè)上的主流毫米波雷達(dá)頻段。

歷史上也有典型的毫米波雷達(dá)應(yīng)用。1992年，美國(guó)交通部在灰狗巴士上安裝了1500套毫米波雷達(dá)。到1993年，取得了立竿見(jiàn)影的效果:交通事故率下降了25%。但最后還是在1994年徹底拆除了，因?yàn)樾Ч茫瑩p害了一些既得利益者的利益。

到目前為止，全球有四大毫米波雷達(dá)供應(yīng)商(當(dāng)然他們的業(yè)務(wù)并不局限于毫米波雷達(dá))，簡(jiǎn)稱(chēng)ABCD，分別是奧托立夫、博世、大陸和德?tīng)柛！?/p>

奧托立夫主要以24GHz盲點(diǎn)和變道輔助雷達(dá)為主，主要客戶是戴姆勒-奔馳，其車(chē)輛基本都標(biāo)配了變道輔助。奧托立夫的毫米波雷達(dá)出貨量很大。

博世的毫米波雷達(dá)主要是77GHz，覆蓋范圍廣，包括遠(yuǎn)程(LRR)、中程(MRR)和車(chē)輛尾部的盲點(diǎn)雷達(dá)。博世的方案高度集成，輸出的是汽車(chē)的控制信號(hào)，高度定制化。通常是和大型車(chē)企合作，共同推進(jìn)項(xiàng)目。

大陸既有24GHz又有77GHz毫米波雷達(dá)產(chǎn)品，性能不錯(cuò)。戴姆勒的77GHz毫米波雷達(dá)主要由大陸公司提供。

德?tīng)柛Ｊ敲绹?guó)老企業(yè)，主要使用77GHz毫米波雷達(dá)，采用更傳統(tǒng)的硬件方案，成本高，性能好。

三、用毫米波雷達(dá)探測(cè)距離、速度和角度

需要明確的是，毫米波雷達(dá)在測(cè)量目標(biāo)的距離、速度和角度方面的性能與其他傳感器略有不同。視覺(jué)傳感器得到的是二維信息，沒(méi)有深度信息，而毫米波雷達(dá)有深度信息，可以提供目標(biāo)的距離。激光雷達(dá)對(duì)速度不敏感，而毫米波雷達(dá)對(duì)速度非常敏感，可以直接獲得目標(biāo)的速度，因?yàn)楹撩撞ɡ走_(dá)具有明顯的多普勒效應(yīng)，通過(guò)檢測(cè)其多普勒頻移可以提取目標(biāo)的速度。

毫米波雷達(dá)最基本的探測(cè)技術(shù)是利用FMCW連續(xù)啁啾波探測(cè)前方物體的距離。毫米波雷達(dá)發(fā)射連續(xù)波，在后端處理上比激光雷達(dá)需要更多的計(jì)算量。

其原理在于:

振蕩器將產(chǎn)生一個(gè)頻率隨時(shí)間逐漸增加的信號(hào)。信號(hào)遇到障礙物后會(huì)反彈回來(lái)，其延時(shí)是光速的兩倍。輸入波形和輸出波形之間存在頻率差。這個(gè)頻差與時(shí)間延遲成線性關(guān)系:物體越遠(yuǎn)，接收到入射波越晚，它與入射波的頻差越大。

將這兩個(gè)頻率相減，就可以得到兩個(gè)頻率的差頻(拍頻)，通過(guò)判斷拍頻就可以判斷障礙物的距離。

此外，為了探測(cè)目標(biāo)的速度，還有一種更先進(jìn)的調(diào)頻技術(shù)，主要基于多普勒頻移原理。

角度檢測(cè)是通過(guò)多個(gè)接收天線接收到的信號(hào)的時(shí)間延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)的。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，假設(shè)有兩根天線接收某個(gè)方向的電磁波。電磁波到達(dá)兩個(gè)天線的時(shí)間之間存在差異或相位差。信號(hào)的角度可以通過(guò)這個(gè)相位差來(lái)評(píng)估。

本文介紹了一個(gè)非常重要的概念——毫米波雷達(dá)的分辨率。它的定義是“雷達(dá)能夠分辨的兩個(gè)物體之間的最近距離”。例如，如果兩個(gè)物體靠得很近，雷達(dá)可能會(huì)將它們列為一個(gè)物體。如果它們分開(kāi)，雷達(dá)會(huì)看到兩個(gè)物體。那么雷達(dá)能分辨兩個(gè)物體之間的距離有多遠(yuǎn)呢？這被稱(chēng)為雷達(dá)的分辨率。

分辨率的計(jì)算公式也很簡(jiǎn)單，就是光速/2倍雷達(dá)帶寬，所以對(duì)于24GHz和77GHz，可以直接計(jì)算分辨率。前者0.6m，后者20cm左右。3GHz帶寬的毫米波雷達(dá)分辨率可以達(dá)到5cm，非常適合自動(dòng)駕駛應(yīng)用。

另外，毫米波雷達(dá)在關(guān)鍵天線技術(shù)上有兩種，一種是基于透鏡的，一種是PCB印刷的?；谕哥R的天線發(fā)展的靈活性較小，因?yàn)樗罱K將集中在一個(gè)小區(qū)域，不容易安排靈活的設(shè)計(jì)。

總的來(lái)說(shuō)，毫米波雷達(dá)的成本下降很快，因?yàn)槭枪杌酒?，沒(méi)有特別昂貴復(fù)雜的工藝。而激光雷達(dá)對(duì)光收發(fā)和組裝技術(shù)要求高，降低成本難度大。

目前激光雷達(dá)還有一個(gè)很重要的技術(shù)就是固態(tài)激光雷達(dá)，其實(shí)和傳統(tǒng)雷達(dá)、毫米波雷達(dá)是一樣的。固態(tài)激光雷達(dá)本質(zhì)上是調(diào)整各個(gè)發(fā)射和接收單元的相位，毫米波雷達(dá)也是一樣的原理，只不過(guò)毫米波雷達(dá)操作的是電磁波，器件實(shí)現(xiàn)的難度遠(yuǎn)低于光頻段的相位變化。

對(duì)于毫米波雷達(dá)的市場(chǎng)前景。一輛汽車(chē)將配備3-8個(gè)毫米波雷達(dá)。目前奔馳的高端車(chē)有7款已經(jīng)安裝。未來(lái)10年，車(chē)載毫米波雷達(dá)的市場(chǎng)規(guī)模不可小覷。