為什么毫米波雷達是自動(dòng)駕駛不可或缺的傳感器？

　　在智能駕駛傳感器領(lǐng)域，和激光雷達(LiDAR)相比，毫米波雷達(Millimeter-WaveRadar)更接地氣，在技術(shù)上已非常成熟，而且其市場(chǎng)出貨量相當可觀(guān)，以中國市場(chǎng)為例，2015年車(chē)載毫米波雷達銷(xiāo)量為180萬(wàn)顆，大概平均每12臺車(chē)搭載1顆毫米波雷達。此外，毫米波雷達在歐洲的普及率非常高。

　　杭州智波科技便是這個(gè)領(lǐng)域的玩家之一。公司成立于2015年底，在車(chē)載雷達領(lǐng)域，杭州智波已經(jīng)研發(fā)出產(chǎn)品ZB002V，這是一款基于毫米波技術(shù)的K波段通用雷達，適用于汽車(chē)前向碰撞警告、大型無(wú)人機避障、大型物流機器人等對精確測速、測距有需求的場(chǎng)合。

　　在近日嘉之道汽車(chē)舉辦的一場(chǎng)ADAS相關(guān)論壇上，杭州智波創(chuàng )始人兼董事長(cháng)袁帥以“車(chē)載毫米波雷達技術(shù)和智能駕駛應用”為主題進(jìn)行了分享，詳述了毫米波雷達的頻段、發(fā)展史、基本原理、關(guān)鍵技術(shù)以及市場(chǎng)預期。雷鋒網(wǎng)新智駕(AI-Drive)進(jìn)行了精編：

　　一、毫米波頻段的劃分

　　毫米波實(shí)質(zhì)上就是電磁波。毫米波的頻段比較特殊，其頻率高于無(wú)線(xiàn)電，低于可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)，頻率大致范圍是10GHz—200GHz。毫米波介于微波(Microwaves)和THz(1000GHz)之間，可以說(shuō)是微波的一個(gè)子集。

　　在這個(gè)頻段，毫米波相關(guān)的特性使其非常適合應用于車(chē)載領(lǐng)域。目前，比較常見(jiàn)的車(chē)載領(lǐng)域的毫米波雷達頻段有三類(lèi)。

　　其一是24—24.25GHz這個(gè)頻段，目前大量應用于汽車(chē)的盲點(diǎn)監測、變道輔助。雷達安裝在車(chē)輛的后保險杠內，用于監測車(chē)輛后方兩側的車(chē)道是否有車(chē)、可否進(jìn)行變道。這個(gè)頻段也有其缺點(diǎn)，首先是頻率比較低，另外就是帶寬(Bandwidth)比較窄，只有250MHz。

　　另一個(gè)頻段就是77GHz，這個(gè)頻段的頻率比較高，國際上允許的帶寬高達800MHz。據袁帥介紹，這個(gè)頻段的雷達性能要好于24GHz的雷達，所以主要用來(lái)裝配在車(chē)輛的前保險杠上，探測與前車(chē)的距離以及前車(chē)的速度，實(shí)現的主要是緊急制動(dòng)、自動(dòng)跟車(chē)等主動(dòng)安全領(lǐng)域的功能。

　　第三類(lèi)應用頻段就是79GHz—81GHz，這個(gè)頻段最大的特點(diǎn)就是其帶寬非常寬，要比77GHz的高出3倍以上，這也使其具備非常高的分辨率(雷鋒網(wǎng)新智駕注：后文會(huì )對“分辨率”有詳細闡釋)，可以達到5cm。這個(gè)分辨率在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域非常有價(jià)值，因為自動(dòng)駕駛汽車(chē)要區分行人等諸多精細物體，對帶寬的要求很高。袁帥表示，這個(gè)頻段在未來(lái)的自動(dòng)駕駛領(lǐng)域會(huì )有很廣泛的應用。

　　而在波長(cháng)方面，24GHz毫米波的波長(cháng)是1.25cm，而77GHz毫米波的波長(cháng)大概是4mm，毫米波的波長(cháng)要比光波的波長(cháng)長(cháng)1000倍以上，所以它對物體的穿透能力更強。

　　舉個(gè)例子，我們通?？吹降幕覊m的直徑大概在1um—100um之間，自然界的雨點(diǎn)的直徑在0.5mm—4mm的范圍內。所以波長(cháng)與它們相等或者更長(cháng)的電磁波可以輕易穿透這些障礙物，毫米波便擁有這樣的能力。

　　這種可靠性是其他任何傳感器難以達成的，所以在A(yíng)DAS這樣一個(gè)對安全性、可靠性要求比較高的領(lǐng)域，毫米波雷達擁有很難撼動(dòng)的地位。

　　二、毫米波雷達在車(chē)載領(lǐng)域的發(fā)展史

　　實(shí)際上，在上世紀60年代的美國，毫米波雷達便開(kāi)始在車(chē)載領(lǐng)域應用，但是當時(shí)的工藝水平較低，應用的是單天線(xiàn)，前端只能一收一發(fā)，其頻率只有10GHz。而且，在袁帥的描述中，這種雷達裝置配備在車(chē)輛的前方并不美觀(guān)，“基本上就像是兩個(gè)盤(pán)子在那放著(zhù)。”

　　之后，為了縮小其體積，業(yè)內專(zhuān)家不斷將頻率往上提，來(lái)到30GHz、50GHz。雷達頻率越高、天線(xiàn)尺寸就越小，意味著(zhù)同樣尺寸的雷達，其天線(xiàn)波束的集中度更高。

　　到了90年代，就發(fā)展出了60GHz、77GHz和94GHz的毫米波雷達。60GHz頻段后來(lái)主要用來(lái)通信，94GHz主要是軍用頻段，而工業(yè)上則選擇了77GHz作為主流的毫米波雷達的頻段。

　　在歷史上，也有比較典型的毫米波雷達應用。1992年，美國交通部門(mén)在灰狗公交車(chē)上安裝了1500套毫米波雷達，到1993年取得了立竿見(jiàn)影的效果：交通事故發(fā)生率下降了25%。不過(guò)最后因為效果太好，損壞了一些既得利益者的利益，所以在1994年被全部拆除。

　　時(shí)至今日，全球主要有四大毫米波雷達供應商(雷鋒網(wǎng)新智駕注：當然它們的業(yè)務(wù)也不僅限于毫米波雷達)，簡(jiǎn)稱(chēng)為ABCD，即Autoliv、Bosch、Continental和Delphi。

　　Autoliv以24GHz盲點(diǎn)、變道輔助雷達為主，主要客戶(hù)是戴姆勒奔馳——其車(chē)輛基本標配了變道輔助，Autoliv的毫米波雷達出貨量很大。

　　Bosch的毫米波雷達主要以77GHz為主，覆蓋的面比較廣，有長(cháng)距(LRR)、中距(MRR)以及用于車(chē)后方的盲點(diǎn)雷達。Bosch的方案集成度非常高，輸出的是對汽車(chē)的控制信號，其定制性很強，通常是與大型車(chē)企合作一個(gè)車(chē)型，共同推進(jìn)項目。

　　Continental在毫米波雷達產(chǎn)品方面既有24GHz，也有77GHz，性能做得還不錯，戴姆勒的77GHz毫米波雷達主要由Continental供應。

　　Delphi則是美國老牌企業(yè)，以77GHz毫米波雷達為主，采用較為傳統的硬件方案，成本比較高，性能不俗。

　　三、毫米波雷達對距離、速度和角度的探測

　　需要明確的一點(diǎn)是，毫米波雷達在測量目標的距離、速度和角度上展現的性能和其他傳感器還是略有區別的。視覺(jué)傳感器得到的是二維信息，沒(méi)有深度信息，而毫米波雷達則是具備深度信息的，可以提供目標的距離;激光雷達對于速度并不敏感，而毫米波雷達則對速度非常敏感，可以直接獲得目標的速度，因為毫米波雷達會(huì )有很明顯的多普勒效應，通過(guò)檢測其多普勒頻移可將目標的速度提取出來(lái)。

　　毫米波雷達最基本的探測技術(shù)是使用FMCW連續線(xiàn)性調頻波去探測前方物體的距離，毫米波雷達發(fā)射的是連續波，在后端處理上要比激光雷達的運算量大。

　　其原理在于：

　　振蕩器會(huì )產(chǎn)生一個(gè)頻率隨時(shí)間逐漸增加的信號，這個(gè)信號遇到障礙物之后，會(huì )反彈回來(lái)，其時(shí)延是2倍距離/光速。返回來(lái)的波形和發(fā)出的波形之間有個(gè)頻率差，這個(gè)頻率差和時(shí)延是呈線(xiàn)性關(guān)系的：物體越遠，返回的波收到的時(shí)間就越晚，那么它跟入射波的頻率差值就越大。

　　將這兩個(gè)頻率做一個(gè)減法，就可以得到二者頻率的差頻(差拍頻率)，通過(guò)判斷差拍頻率的高低就可以判斷障礙物的距離。

　　此外，為了探測目標的速度，也有更為高級的調頻技術(shù)來(lái)實(shí)現，主要以多普勒頻移原理為基礎。

　　角度的探測是通過(guò)多個(gè)接收天線(xiàn)接收到信號的時(shí)延來(lái)實(shí)現。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，假設有2根天線(xiàn)，接收從某個(gè)方向發(fā)出的電磁波，這個(gè)電磁波到達2根天線(xiàn)的時(shí)間是有差值的，或者說(shuō)是相位差，通過(guò)這個(gè)相位差可以評估信號的角度。

　　

 

　　這里要引入一個(gè)非常重要的概念——毫米波雷達的分辨率。其定義是“雷達可以區分的兩個(gè)物體的最近的距離”，比如，兩個(gè)物體靠得很近，那么雷達可能會(huì )將其列為一個(gè)物體，如果分得開(kāi)一些，雷達會(huì )看到兩個(gè)物體。那么究竟離多遠雷達能區分兩個(gè)物體間的距離，這個(gè)就叫做雷達的分辨率。

　　分辨率的計算公式也很簡(jiǎn)單，就是光速/2倍的雷達帶寬，所以對于24GHz和77GHz來(lái)說(shuō)，可以直接算出其分辨率。前者是0.6m，后者則約為20cm。而3GHz帶寬的毫米波雷達的分辨率可以做到5cm，非常適合自動(dòng)駕駛的應用。

　　

 

　　此外，在關(guān)鍵性的天線(xiàn)技術(shù)方面，毫米波雷達有兩種，一種是基于透鏡，另一種是用PCB印刷?；谕哥R的天線(xiàn)開(kāi)發(fā)靈活度較小，因為最后會(huì )聚焦到一個(gè)很小的區域，這個(gè)區域不大容易安排靈活的設計。

　　四、未來(lái)

　　

 

　　總體來(lái)說(shuō)，毫米波雷達成本下降的速度還是比較快的，因為它是硅基的芯片，沒(méi)有特別昂貴和復雜的工藝。而激光雷達則在光的收發(fā)器和組裝工藝要求高，成本比較難降下來(lái)。

　　激光雷達目前還有一個(gè)非常重要的技術(shù)是固態(tài)激光雷達，它實(shí)際上與傳統雷達、毫米波雷達是一脈相承的，固態(tài)激光雷達實(shí)質(zhì)上就是調整每個(gè)發(fā)射和接收單元的相位，毫米波雷達也是同樣的原理，只不過(guò)毫米波雷達是對電磁波進(jìn)行操作，器件的實(shí)現難度要比對光的頻段上進(jìn)行相位的改變的難度低很多。

　　而對于毫米波雷達的市場(chǎng)前景。一輛車(chē)上會(huì )搭載3-8顆毫米波雷達，目前奔馳的高端車(chē)上也已經(jīng)安裝了7顆。未來(lái)10年，車(chē)載毫米波雷達的市場(chǎng)規模將不容小覷。

　　從政策上來(lái)講，各個(gè)國家都在推進(jìn)汽車(chē)的AEB功能，其中日本和北美已經(jīng)在推行，中國也將在2018年推行到商用車(chē)領(lǐng)域。

　　毫米波雷達在A(yíng)DAS領(lǐng)域是很難被取代的傳感器，雖然有一些缺點(diǎn)，但是是唯一的全天候工作的傳感器。其測速、測距的精度要遠高于視覺(jué)，與激光雷達相比，其測速精度會(huì )高一些。穿透力會(huì )更好。但是整體來(lái)講，這并不沖突，因為未來(lái)會(huì )走向融合的趨勢，特別是針對無(wú)人駕駛，毋庸置疑三大傳感器會(huì )相互融合。