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解讀毫米波雷達是自動駕駛不可缺的傳感器

作者: 嶺緯科技發(fā)表時間:2022-10-12 08:50:00

在智能駕駛傳感器領(lǐng)域,與激光雷達相比,毫米波雷達更接地氣,技術(shù)更成熟,市場出貨量可觀。以中國市場為例,2015年車載毫米波雷達銷量為180萬部,平均每12輛車就有一部毫米波雷達。另外,毫米波雷達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,頻率高于無線電,低于可見光和紅外,頻率范圍大致在10 GHz-200 GHz。毫米波介于微波和THz(1000GHz)之間,可以說是微波的一個子集。

解讀:為什么毫米波雷達是自動駕駛不可或缺的傳感器?

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

一個是24-24.25GHz頻段,廣泛應(yīng)用于汽車的盲點監(jiān)控和變道輔助。雷達安裝在車輛的后保險杠內(nèi),用于監(jiān)控車輛后方兩側(cè)車道內(nèi)是否有車輛,是否可以變道。這個頻段也有它的缺點。第一,頻率比較低,帶寬比較窄,只有250MHz。

另一個頻段是77GHz,頻率比較高,國際上允許的帶寬高達800MHz。據(jù)袁帥介紹,該頻段的雷達性能優(yōu)于24GHz雷達,因此主要用于安裝在車輛前保險杠上,檢測前方車輛的距離和速度,實現(xiàn)緊急制動、自動跟車等主動安全領(lǐng)域的功能。

第三類應(yīng)用頻段為79 GHz-81 GHz。這個頻段最大的特點就是帶寬很寬,比77GHz高3倍以上。這也使得它具有非常高的分辨率(分辨率后面會詳細(xì)說明),可以達到5cm。這個分辨率在自動駕駛領(lǐng)域是非常有價值的,因為自動駕駛汽車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,這個頻段未來將廣泛應(yīng)用于自動駕駛領(lǐng)域。

波長方面,24GHz毫米波的波長為1.25cm,77GHz毫米波的波長約為4 mm,毫米波的波長比光波長1000多倍,對物體的穿透能力更強。

比如我們平時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)。所以波長相等或更長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到的,所以在ADAS這個對安全性和可靠性要求很高的領(lǐng)域,毫米波雷達有著難以撼動的地位。

  • 毫米波雷達在車載領(lǐng)域的發(fā)展歷史

其實在美國20世紀(jì)60年代,毫米波雷達就開始應(yīng)用于車載領(lǐng)域,但當(dāng)時技術(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,這個雷達裝置在車輛前方并不美觀。“基本上就像兩個盤子躺在那里。”

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

在20世紀(jì)90年代,開發(fā)了60GHz、77GHz和94GHz的毫米波雷達。后來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頻段。

歷史上也有典型的毫米波雷達應(yīng)用。1992年,美國交通部在灰狗巴士上安裝了1500套毫米波雷達。到1993年,取得了立竿見影的效果:交通事故率下降了25%。但最后還是在1994年徹底拆除了,因為效果太好,損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供應(yīng)商(當(dāng)然他們的業(yè)務(wù)并不局限于毫米波雷達),簡稱ABCD,分別是奧托立夫、博世、大陸和德爾福。

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

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

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

德爾福是美國老企業(yè),主要使用77GHz毫米波雷達,采用更傳統(tǒng)的硬件方案,成本高,性能好。

三、用毫米波雷達探測距離、速度和角度

需要明確的是,毫米波雷達在測量目標(biāo)的距離、速度和角度方面的性能與其他傳感器略有不同。視覺傳感器得到的是二維信息,沒有深度信息,而毫米波雷達有深度信息,可以提供目標(biāo)的距離。激光雷達對速度不敏感,而毫米波雷達對速度非常敏感,可以直接獲得目標(biāo)的速度,因為毫米波雷達具有明顯的多普勒效應(yīng),通過檢測其多普勒頻移可以提取目標(biāo)的速度。

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

其原理在于:

振蕩器將產(chǎn)生一個頻率隨時間逐漸增加的信號。信號遇到障礙物后會反彈回來,其延時是光速的兩倍。輸入波形和輸出波形之間存在頻率差。這個頻差與時間延遲成線性關(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。

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

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

角度檢測是通過多個接收天線接收到的信號的時間延遲來實現(xiàn)的。舉個簡單的例子,假設(shè)有兩根天線接收某個方向的電磁波。電磁波到達兩個天線的時間之間存在差異或相位差。信號的角度可以通過這個相位差來評估。

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

分辨率的計算公式也很簡單,就是光速/2倍雷達帶寬,所以對于24GHz和77GHz,可以直接計算分辨率。前者0.6m,后者20cm左右。3GHz帶寬的毫米波雷達分辨率可以達到5cm,非常適合自動駕駛應(yīng)用。

另外,毫米波雷達在關(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,因為它最終將集中在一個小區(qū)域,不容易安排靈活的設(shè)計。

總的來說,毫米波雷達的成本下降很快,因為是硅基芯片,沒有特別昂貴復(fù)雜的工藝。而激光雷達對光收發(fā)和組裝技術(shù)要求高,降低成本難度大。

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

對于毫米波雷達的市場前景。一輛汽車將配備3-8個毫米波雷達。目前奔馳的高端車有7款已經(jīng)安裝。未來10年,車載毫米波雷達的市場規(guī)模不可小覷。