ADAS系統(tǒng)無人駕駛的眼睛--毫米波雷達

ADAS系統(tǒng)無人駕駛的眼睛--毫米波雷達

汽車已經進入無人駕駛探索階段，可以主動防護汽車駕駛安全的高級駕駛輔助系統(tǒng)(以下簡稱：ADAS)技術也正在逐步的完善。

ADAS簡單來說就是讓汽車有感知系統(tǒng)，可感受環(huán)境的變化并隨時做出響應。如何完成這種感知呢？

這就需要ADAS利用車上的各種傳感器來收集汽車在行駛時周圍的環(huán)境狀態(tài)，比如靜態(tài)、動態(tài)物體的識別等，收集之后再進行系統(tǒng)的運算和分析，讓駕駛者可以準確的預判即將發(fā)生的危險，從而保證駕駛安全。

ADAS傳感器種類很多，有攝像頭、超聲波傳感器、激光雷達、毫米波雷達等。前面3種均很容易受惡劣天氣(雨霧等)的影響而導致性能降低，甚至失效，或多或少都存在“致命”的缺陷！

但是毫米波雷達就不一樣，它憑借可穿透塵霧、雨雪，不受惡劣天氣影響等優(yōu)點，且能夠“24小時全天時”工作，成為了汽車ADAS不可或缺的核心傳感器之一。

1：什么是毫米波？它和其他波的區(qū)別？

1)工作在毫米波波段(millimeter wave )探測的雷達。工作頻段一般為30GHz ~ 300 GHz， 波長 1~10mm，介于微波和厘米波之間，兼具有微波雷達和光電雷達的一些優(yōu)點；

2)毫米波雷達具有體積小、易集成和空間分辨率高的特點。

3)車載毫米波雷達的工作頻率為一般為 24GHz 和77GHz ；



根據(jù)波的傳播理論，頻率越高，波長越短，分辨率越高，穿透能力越強，所以與其他微波相比，毫米波的分辨率高、指向性好、抗干擾能力強和探測性能好。與紅外相比，毫米波的大氣衰減小、對煙霧灰塵具有更好的穿透性、受天氣影響小。這些特質決定了毫米波雷達具有全天時、全天候的工作能力。 車載毫米波雷達主要集中在24GHz和77GHz這2個頻段： 24GHz 雷達主要實現(xiàn)近程和中程探測，可用于汽車盲點監(jiān)測、車道偏離預警、泊車輔助等功能。24GHz雷達是最早劃分出來民用的，很長時間內汽車上都用這個。但是現(xiàn)在歐美對24GHz使用帶寬有所限制，并且24GHz雷達的天線體積因為波長的原因相對較大。

77GHz 雷達可以實現(xiàn)遠程探測，可用于自動緊急制動、自適應巡航、前向碰撞預警等主動安全領域的功能。77GHz雷達也可以實現(xiàn)短距和中短距離的汽車應用。77GHz的波長是3.9mm，是真正意義上的毫米波，正逐步取代24GHz，成為汽車領域主流的傳感器。

 
2：毫米波雷達的基本結構

硬件核心：MMIC芯片和天線PCB板，以FMCW車載雷達系統(tǒng)為例，主要包括：天線、收發(fā)模塊、信號處理模塊；

1)前端單片微波集成電路(MMIC) ( 供應商：英飛凌、飛思卡爾 、廈門意行和南京米勒；)它包括多種功能電路，如低噪聲放大器(LNA)、功率放大器、混頻器、甚至收發(fā)系統(tǒng)等功能；

特點：電路損耗小、噪聲低、頻帶寬、動態(tài)范圍大、功率大、附加效率高、抗電磁輻射能力強等特點；

2)雷達天線高頻PCB板：毫米波雷達天線的主流方案是微帶陣列，即將高頻PCB板集成在普通的PCB基板上實現(xiàn)天線的功能，需要在較小的集成空間中保持天線足夠的信號強度。

 3：毫米波雷達基本工作原理

1)利用高頻電路產生特定調制頻率(FMCW)的電磁波，并通過天線發(fā)送電磁波和接收從目標反射回來的電磁波，通過發(fā)送和接收電磁波的參數(shù)來計算目標的各個參數(shù)。

2)可以同時對多個目標進行測距、測速以及方位測量；測速是根據(jù)多普勒效應，而方位測量(包括水平角度和垂直角度)是通過天線的陣列方式來實現(xiàn)的。

                     毫米波雷達基本工作原理示意圖

4：毫米波雷達的工作體制

1)工作體制 ：根據(jù)輻射電磁波方式不同，毫米波雷達主要有脈沖體制以及連續(xù)波體制兩種工作體制。其中連續(xù)波又可以分為FSK(頻移鍵控)、PSK(相移鍵控)、CW(恒頻連續(xù)波)、FMCW(調頻連續(xù)波)等方式。


毫米波雷達不同工作體制
2)FMCW調頻連續(xù)波雷達的不同調制形式：

a、正弦波調制 b、鋸齒式波調制 c、三角波調制

不同調頻方式的雷達硬件構成基本相同，只有小部分電路模塊、電路參數(shù)與信號處理算法有所區(qū)別；對于單個靜止物體的測量，鋸齒波調制方式即可滿足；對于運動物體，多采用三角波調制方式；

5：毫米波雷達測距、側速、測方位角原理簡介

測距：(TOF)通過給目標連續(xù)發(fā)送毫米波信號，然后用傳感器接收從物體返回的毫米波，通過探測毫米波的飛行(往返)時間來得到目標物距離。

測速：根據(jù)多普勒效應，通過計算返回接收天線的雷達波的頻率變化就可以得到目標相對于雷達的運動速度，簡單地說就是相對速度正比于頻率變化量。

測方位角：通過并列的接收天線收到同一目標反射的雷達波的相位差計算得到目標的方位角；

6：毫米波雷達在自動駕駛功能上的應用

自動駕駛采用的傳感器主要有攝像頭、毫米波雷達、激光、超聲波、紅外等。毫米波雷達傳輸距離遠，在傳輸窗口內大氣衰減和損耗低，穿透性強，可以滿足車輛對全天氣候的適應性的要求，并且毫米波本身的特性，決定了毫米波雷達傳感器器件尺寸小、重量輕等特性。很好的彌補了攝像頭、激光、超聲波、紅外等其他傳感器，在車載應用中所不具備的使用場景。

把毫米波雷達安裝在汽車上，可以測量從雷達到被測物體之間的距離、角度和相對速度等。利用毫米波雷達可以實現(xiàn)自適應巡航控制(AdaptiveCruiseControl)，前向防撞報警(ForwardCollisionWarning)，盲點檢測(BlindSpotDetection)，輔助停車(Parkingaid)，輔助變道(Lanechangeassistant)，自主巡航控制(ACC)等高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)功能。比較常見的汽車毫米波雷達工作頻率在24GHz和77GH附近。24GHz雷達系統(tǒng)主要實現(xiàn)近距離探測(SRR)，而77GHz系統(tǒng)主要實現(xiàn)遠距離的探測(LRR)。

目前，毫米波雷達主要為24GHz和77GHz。24GHz的雷達測量距離較短(5～30m)，主要應用于汽車后方;77GHz的雷達測量距離較長(30～70m)，主要應用于汽車前方和兩側。毫米波雷達主要包括雷達射頻前端、信號處理系統(tǒng)、后端算法三部分。在現(xiàn)有的產品中，雷達后端算法的專利授權費用約占成本的50%，射頻前端約占成本的40%，信號處理系統(tǒng)約占成本的10%。

1、射頻前端：射頻前端通過****和接收毫米波，得到中頻信號，從中提取距離、速度等信息。因此，射頻前端直接決定了雷達系統(tǒng)的性能。當前毫米波雷達射頻前端主要為平面集成電路，有混合微波集成電路(HMIC)和單片微波集成電路(MMIC)兩種形式。其中，MMIC形式的射頻前端成本低，成品率高，適合于大規(guī)模生產。在生產工藝上，一般采用的是外延MESFET、HEMT和HBT等器件工藝。其中，GaAs基的HEMT工藝最為成熟，具有優(yōu)秀的噪聲性能。

2、信號處理系統(tǒng)：信號處理系統(tǒng)也是雷達重要的組成部分，通過嵌入不同的信號處理算法，提取從射頻前端采集得到的中頻信號，獲得特定類型的目標信息。信號處理系統(tǒng)一般以DSP為核心，實現(xiàn)復雜的數(shù)字信號處理算法，滿足雷達的實時性需求。

3、后端算法：后端算法占整個毫米波雷達成本的比例最高。針對毫米波雷達，國內研究人員從頻域、時域、時頻分析多個角度提出了大量的算法，離線實驗的精度也較高。但是，國內的雷達產品主要采用基于頻域的快速傅里葉變換及其改進算法進行分析，測量精度和適用范圍有一定局限性而國外算法受專利嚴格保護，價格非常昂貴。

7：毫米波雷達發(fā)展進程

車載毫米波雷達的研究始于20世紀60年代，研究主要在以德、美、日等發(fā)達國家內展開。早期車載毫米波雷達發(fā)展緩慢，21世紀后隨著汽車市場需求增長開始進入蓬勃發(fā)展期。在毫米波雷達的發(fā)展進程中，有一個繞不開的問題就是車載毫米波雷達頻段劃分。為避免與其他設備頻段沖突，車載雷達需要分配專屬頻段，各國頻段劃分略有不同。2015年日內瓦世界無線電通信大會將77.5-78.0GHz頻段劃分給無線電定位業(yè)務，以支持短距離高分辨率車載雷達的發(fā)展，從而使76-81GHz都可用于車載雷達，為全球車載毫米波雷達的頻率統(tǒng)一指明了方向。隨著谷歌、百度的自動駕駛汽車上路，許多人也對自動駕駛技術充滿期待。不過目前大部分汽車還處在ADAS(高級駕駛輔助系統(tǒng))應用普及的階段，在這個階段中毫米波雷達就起到了很大的作用。 國際自動機工程師學會將智能駕駛的等級分為五個等級，目前我們正處于ADAS階段。ADAS(Advanced Driver AssistantSystem)的普及是未來無人駕駛實現(xiàn)的先行條件，是提高汽車主動安全性能的技術基礎。ADAS系統(tǒng)分為環(huán)境感知、計算分析、控制執(zhí)行三大模塊。其中傳感器在環(huán)境感知模塊中具有重要的作用，多種傳感器融合應用是未來必然趨勢，毫米波雷達將率先成為ADAS系統(tǒng)主力傳感器，接下來看看毫米波產業(yè)鏈全景圖。
8：全球毫米波雷達產業(yè)鏈全景圖