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毫米波雷达

毫米波雷达

为什么毫米波雷达是自动驾驶不可或缺的传感器
2021-08-26
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在智能驾驶传感器领域,和激光雷达相比,毫米波雷达更接地气,在技术上已非常成熟,而且其市场出货量相当可观,以中国市场为例,2015年车载毫米波雷达销量为180万颗,大概平均每12台车搭载1颗毫米波雷达。此外,毫米波雷达在欧洲的普及率非常高。

以下我们将从毫米波雷达的频段、发展史、基本原理、关键技术以及市场预期几个方面来详细了解车载毫米波雷达技术和智能驾驶应用。


一、毫米波频段的划分


毫米波实质上就是电磁波。毫米波的频段比较特殊,其频率高于无线电,低于可见光和红外线,频率大致范围是10GHz—200GHz。毫米波介于微波和THz(1000GHz)之间,可以说是微波的一个子集。

在这个频段,毫米波相关的特性使其非常适合应用于车载领域。目前,比较常见的车载领域的毫米波雷达频段有三类。

其一是24GHz这个频段,目前大量应用于汽车的盲点监测、变道辅助。雷达安装在车辆的后保险杠内,用于监测车辆后方两侧的车道是否有车、可否进行变道。

另一个频段就是77G线路板,这个频段的频率比较高,国际上允许的带宽高达800MHz。据袁帅介绍,这个频段的雷达性能要好于24GHz的雷达,所以主要用来装配在车辆的前保险杠上,探测与前车的距离以及前车的速度,实现的主要是紧急制动、自动跟车等主动安全领域的功能。

第三类应用频段就是79GHz—81GHz,这个频段最大的特点就是其带宽非常宽,要比77G线路板的高出3倍以上,这也使其具备非常高的分辨率,可以达到5cm。这个分辨率在自动驾驶领域非常有价值,因为自动驾驶汽车要区分行人等诸多精细物体,对带宽的要求很高。

而在波长方面,24GHz毫米波的波长是1.25cm,而77GHz毫米波的波长大概是4mm,毫米波的波长要比光波的波长长1000倍以上,所以它对物体的穿透能力更强。

举个例子,我们通常看到的灰尘的直径大概在1um—100um之间,自然界的雨点的直径在0.5mm—4mm的范围内。所以波长与它们相等或者更长的电磁波可以轻易穿透这些障碍物,毫米波便拥有这样的能力。

这种可靠性是其他任何传感器难以达成的,所以在ADAS这样一个对安全性、可靠性要求比较高的领域,毫米波雷达拥有很难撼动的地位。


二、毫米波雷达在车载领域的发展史


实际上,在上世纪60年代的美国,毫米波雷达便开始在车载领域应用,但是当时的工艺水平较低,应用的是单天线,前端只能一收一发,其频率只有10GHz。

之后,为了缩小其体积,业内专家不断将频率往上提,来到30GHz、50GHz。雷达频率越高、天线尺寸就越小,意味着同样尺寸的雷达,其天线波束的集中度更高。

到了90年代,就发展出了60GHz、77G线路板和94GHz的毫米波雷达。60GHz频段后来主要用来通信,94GHz主要是军用频段,而工业上则选择了77GHz作为主流的毫米波雷达的频段。

在历史上,也有比较典型的毫米波雷达应用。1992年,美国交通部门在灰狗公交车上安装了1500套毫米波雷达,到1993年取得了立竿见影的效果:交通事故发生率下降了25%。不过最后因为效果太好,损坏了一些既得利益者的利益,所以在1994年被全部拆除。


三、毫米波雷达对距离、速度和角度的探测


需要明确的一点是,毫米波雷达在测量目标的距离、速度和角度上展现的性能和其他传感器还是略有区别的。视觉传感器得到的是二维信息,没有深度信息,而毫米波雷达则是具备深度信息的,可以提供目标的距离;激光雷达对于速度并不敏感,而毫米波雷达则对速度非常敏感,可以直接获得目标的速度,因为毫米波雷达会有很明显的多普勒效应,通过检测其多普勒频移可将目标的速度提取出来。

毫米波雷达最基本的探测技术是使用FMCW连续线性调频波去探测前方物体的距离,毫米波雷达发射的是连续波,在后端处理上要比激光雷达的运算量大。

其原理在于:

振荡器会产生一个频率随时间逐渐增加的信号,这个信号遇到障碍物之后,会反弹回来,其时延是2倍距离/光速。返回来的波形和发出的波形之间有个频率差,这个频率差和时延是呈线性关系的:物体越远,返回的波收到的时间就越晚,那么它跟入射波的频率差值就越大。

将这两个频率做一个减法,就可以得到二者频率的差频(差拍频率),通过判断差拍频率的高低就可以判断障碍物的距离。

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在此基础上衍生了很多更高级的调制方式


此外,为了探测目标的速度,也有更为高级的调频技术来实现,主要以多普勒频移原理为基础。

角度的探测是通过多个接收天线接收到信号的时延来实现。举个简单的例子,假设有2根天线,接收从某个方向发出的电磁波,这个电磁波到达2根天线的时间是有差值的,或者说是相位差,通过这个相位差可以评估信号的角度。

这里要引入一个非常重要的概念——毫米波雷达的分辨率。其定义是“雷达可以区分的两个物体的最近的距离”,比如,两个物体靠得很近,那么雷达可能会将其列为一个物体,如果分得开一些,雷达会看到两个物体。那么究竟离多远雷达能区分两个物体间的距离,这个就叫做雷达的分辨率。

分辨率的计算公式也很简单,就是光速/2倍的雷达带宽,所以对于24GHz和77G线路板来说,可以直接算出其分辨率。前者是0.6m,后者则约为20cm。而3GHz带宽的毫米波雷达的分辨率可以做到5cm,非常适合自动驾驶的应用。

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四、未来

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总体来说,毫米波雷达成本下降的速度还是比较快的,因为它是硅基的芯片,没有特别昂贵和复杂的工艺。而激光雷达则在光的收发器和组装工艺要求高,成本比较难降下来。

激光雷达目前还有一个非常重要的技术是固态激光雷达,它实际上与传统雷达、毫米波雷达是一脉相承的,固态激光雷达实质上就是调整每个发射和接收单元的相位,毫米波雷达也是同样的原理,只不过毫米波雷达是对电磁波进行操作,器件的实现难度要比对光的频段上进行相位的改变的难度低很多。

而对于毫米波雷达的市场前景。一辆车上会搭载3-8颗毫米波雷达,目前奔驰的高端车上也已经安装了7颗。未来10年,车载毫米波雷达的市场规模将不容小觑。

从政策上来讲,各个国家都在推进汽车的AEB功能,其中日本和北美已经在推行,中国也将在2018年推行到商用车领域。

毫米波雷达在ADAS领域是很难被取代的传感器,虽然有一些缺点,但是是唯一的全天候工作的传感器。其测速、测距的精度要远高于视觉,与激光雷达相比,其测速精度会高一些。穿透力会更好。但是整体来讲,这并不冲突,因为未来会走向融合的趋势,特别是针对无人驾驶,毋庸置疑三大传感器会相互融合。

 

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