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毫米波雷达

毫米波雷达

带你了解什么是毫米波雷达
2021-10-29
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什么是毫米波雷达?

毫米波是指波长在1-10mm之间的电磁波。波长短,频带宽。实现窄波束相对容易,雷达分辨率高,不易受干扰。毫米波雷达是测量被测物体的相对距离、当前速度和方位的高精度传感器,早期用于军事领域,随着雷达技术的发展和进步,毫米波雷达传感器开始应用于汽车电子和无人机 、智能交通等领域。
目前各国对车载毫米波雷达分配的频段各有不同,但主要集中在24GHz和77GHz,少数国家(如日本)采用60GHz频段。由于77G相对于24G的诸多优势,未来全球车载毫米波雷达频段会趋同于77GHz频段(76-81GHz)。

车载毫米波雷达原理

车载毫米波雷达通过天线向外发射毫米波,接收来自目标的反射信号,经过后方的处理后快速准确地获取车身周围的物理环境信息(如汽车与其他物体之间相对距离、相对速度、角度、运动方向等),然后根据检测到的物体信息进行目标追踪和识别分类,再结合车身动态信息进行数据融合,最后通过中央处理器(ECU)进行智能处理。经过合理决策后,通过声、光、触觉等多种方式进行通知或警告驾驶员,或及时对汽车做出主动干预,以保证驾驶过程的安全性和舒适性,降低事故发生的概率。

毫米波雷达工作路径示意图


根据辐射电磁波的方式不同,毫米波雷达主要有脉冲制和连续波制两种工作制。其中,连续波又可分为FSK(频移键控)、PSK(相移键控)、CW(恒频连续波)、FMCW(调频连续波)等方式。

脉冲体制以及连续波体制


由于能够测量多目标、分辨率高、信号处理复杂度低、成本低、技术成熟,FWCW雷达已成为最常用的车载毫米波雷达。FMCW雷达系统主要包括收发天线、射频前端、调制信号、信号处理模块等。毫米波雷达通过对接收信号和发射信号的相关处理实现对目标的探测距离、方位、相对速度等。

FMCW雷达系统


毫米波雷达发展现状

目前毫米波雷达主要有24GHz和77GHz两种。 24GHz雷达测量距离短(5-30m),主要用于汽车后方; 77GHz雷达测量距离比较长(30-70m),主要用于汽车前部和侧面。毫米波雷达主要包括雷达射频前端、信号处理系统、后端算法三部分。在现有产品中,雷达后端算法的专利授权费约占成本的50%,射频前端约占成本的40%,信号处理系统约占10%的成本。

1、射频前端通过发射和接收毫米波获得中频信号,并从中提取距离、速度等信息。因此,射频前端直接决定了雷达系统的性能。目前毫米波雷达的射频前端主要是平面集成电路,有混合微波集成电路(HMIC)和单片微波集成电路(MMIC)两种形式。其中,MMIC形式的RF前端成本低,良率高,适合量产。在生产工艺上,一般采用外延MESFET、HEMT、HBT等器件工艺。其中GaAs基的HEMT工艺最为成熟,噪声性能优异。

2、信号处理系统也是雷达的重要组成部分。通过嵌入不同的信号处理算法,提取从射频前端采集的中频信号,获得特定类型的目标信息。信号处理系统一般以DSP为核心来实现复杂的数字信号处理算法满足雷达实时性要求。

3. 后端算法在整个毫米波雷达成本中占比最高。对于毫米波雷达,国内研究人员从频域、时域、时频分析等多个角度提出了大量算法,离线实验的准确率也很高。然而国内的雷达产品主要采用基于频域的快速傅里叶变换及其改进算法进行分析。测量精度和适用范围有一定的局限性,而国外算法受专利严格保护,价格昂贵。

 毫米波雷达市场概况及未来发展前景


1、毫米波雷达可实现自动驾驶多种功能。 ADAS使用的传感器主要有摄像头、毫米波雷达、激光、超声波、红外等,毫米波雷达传输距离远,传输窗口内大气衰减和损耗小,穿透力强。能满足车辆对全天候气候的适应性要求。毫米波本身的特性决定了毫米波雷达传感器器件尺寸小、重量轻等特性。弥补了摄像头、激光、超声波、红外等传感器在车载应用中所不具备的使用场景。

在汽车上安装毫米波雷达,可以测量从雷达到被测物体之间的距离、角度和相对速度等。毫米波雷达可用于实现自适应巡航控制(AdaptiveCruiseControl)、前向防碰撞警告(ForwardCollisionWarning)、盲点检测(BlindSpotDetection)、辅助泊车(Parkingaid)、辅助变道(Lanechangeassistant)、自动巡航控制(ACC)和其他高级驾驶辅助系统 (ADAS) 功能。更常见的汽车毫米波雷达工作在 24GHz 和 77GH 左右的频率。 24GHz雷达系统主要实现短距离探测(SRR),而77GHz系统主要实现远程探测(LRR)。

2、毫米波雷达市场空间广阔。由于国家汽车安全标准的不断提高,致使主动安全技术高级驾驶辅助系统(ADAS)近年来呈现出快速发展的趋势。汽车毫米波雷达因其可全天候工作,已成为汽车电子厂商公认的主流选择,拥有巨大的市场需求。 2014年全球汽车毫米波雷达市场出货量为1900万个。据市场研究机构预测,到2020年全球汽车毫米波雷达市场规模将达到近7000万个,2015-2020年年均复合增速约为24 %。

由于毫米波收发信号的频率为24GHz和77GHz,雷达PCB高频电路包括时钟、信号调制、功放、滤波器、天线等部分,对PCB板和制造工艺有较高的要求。因此,汽车雷达线路板将带来更高的价值。 高频PCB通常需要填充 PTFE 的陶瓷和玻璃材料才能满足高于 77GHz 的设计要求。

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