ADAS系統(tǒng)無(wú)人駕駛的眼睛--毫米波雷達(dá)

ADAS系統(tǒng)無(wú)人駕駛的眼睛--毫米波雷達(dá)

汽車(chē)已經(jīng)進(jìn)入無(wú)人駕駛探索階段，可以主動(dòng)防護(hù)汽車(chē)駕駛安全的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱：ADAS)技術(shù)也正在逐步的完善。

ADAS簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是讓汽車(chē)有感知系統(tǒng)，可感受環(huán)境的變化并隨時(shí)做出響應(yīng)。如何完成這種感知呢？

這就需要ADAS利用車(chē)上的各種傳感器來(lái)收集汽車(chē)在行駛時(shí)周?chē)沫h(huán)境狀態(tài)，比如靜態(tài)、動(dòng)態(tài)物體的識(shí)別等，收集之后再進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)算和分析，讓駕駛者可以準(zhǔn)確的預(yù)判即將發(fā)生的危險(xiǎn)，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(dá)、毫米波雷達(dá)等。前面3種均很容易受惡劣天氣(雨霧等)的影響而導(dǎo)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(dá)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(diǎn)，且能夠“24小時(shí)全天時(shí)”工作，成為了汽車(chē)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(cè)的雷達(dá)。工作頻段一般為30GHz ~ 300 GHz， 波長(zhǎng) 1~10mm，介于微波和厘米波之間，兼具有微波雷達(dá)和光電雷達(dá)的一些優(yōu)點(diǎn)；

2)毫米波雷達(dá)具有體積小、易集成和空間分辨率高的特點(diǎn)。

3)車(chē)載毫米波雷達(dá)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(zhǎng)越短，分辨率越高，穿透能力越強(qiáng)，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(qiáng)和探測(cè)性能好。與紅外相比，毫米波的大氣衰減小、對(duì)煙霧灰塵具有更好的穿透性、受天氣影響小。這些特質(zhì)決定了毫米波雷達(dá)具有全天時(shí)、全天候的工作能力。 車(chē)載毫米波雷達(dá)主要集中在24GHz和77GHz這2個(gè)頻段： 24GHz 雷達(dá)主要實(shí)現(xiàn)近程和中程探測(cè)，可用于汽車(chē)盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)、車(chē)道偏離預(yù)警、泊車(chē)輔助等功能。24GHz雷達(dá)是最早劃分出來(lái)民用的，很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)汽車(chē)上都用這個(gè)。但是現(xiàn)在歐美對(duì)24GHz使用帶寬有所限制，并且24GHz雷達(dá)的天線體積因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)的原因相對(duì)較大。

77GHz 雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程探測(cè)，可用于自動(dòng)緊急制動(dòng)、自適應(yīng)巡航、前向碰撞預(yù)警等主動(dòng)安全領(lǐng)域的功能。77GHz雷達(dá)也可以實(shí)現(xiàn)短距和中短距離的汽車(chē)應(yīng)用。77GHz的波長(zhǎng)是3.9mm，是真正意義上的毫米波，正逐步取代24GHz，成為汽車(chē)領(lǐng)域主流的傳感器。

 
2：毫米波雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)

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

1)前端單片微波集成電路(MMIC) ( 供應(yīng)商：英飛凌、飛思卡爾 、廈門(mén)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(diǎn)：電路損耗小、噪聲低、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、功率大、附加效率高、抗電磁輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)；

2)雷達(dá)天線高頻PCB板：毫米波雷達(dá)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(shí)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(hào)強(qiáng)度。

 3：毫米波雷達(dá)基本工作原理

1)利用高頻電路產(chǎn)生特定調(diào)制頻率(FMCW)的電磁波，并通過(guò)天線發(fā)送電磁波和接收從目標(biāo)反射回來(lái)的電磁波，通過(guò)發(fā)送和接收電磁波的參數(shù)來(lái)計(jì)算目標(biāo)的各個(gè)參數(shù)。

2)可以同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距、測(cè)速以及方位測(cè)量；測(cè)速是根據(jù)多普勒效應(yīng)，而方位測(cè)量(包括水平角度和垂直角度)是通過(guò)天線的陣列方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

                     毫米波雷達(dá)基本工作原理示意圖

4：毫米波雷達(dá)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(dá)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(diào)頻連續(xù)波)等方式。


毫米波雷達(dá)不同工作體制
2)FMCW調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的不同調(diào)制形式：

a、正弦波調(diào)制 b、鋸齒式波調(diào)制 c、三角波調(diào)制

不同調(diào)頻方式的雷達(dá)硬件構(gòu)成基本相同，只有小部分電路模塊、電路參數(shù)與信號(hào)處理算法有所區(qū)別；對(duì)于單個(gè)靜止物體的測(cè)量，鋸齒波調(diào)制方式即可滿足；對(duì)于運(yùn)動(dòng)物體，多采用三角波調(diào)制方式；

5：毫米波雷達(dá)測(cè)距、側(cè)速、測(cè)方位角原理簡(jiǎn)介

測(cè)距：(TOF)通過(guò)給目標(biāo)連續(xù)發(fā)送毫米波信號(hào)，然后用傳感器接收從物體返回的毫米波，通過(guò)探測(cè)毫米波的飛行(往返)時(shí)間來(lái)得到目標(biāo)物距離。

測(cè)速：根據(jù)多普勒效應(yīng)，通過(guò)計(jì)算返回接收天線的雷達(dá)波的頻率變化就可以得到目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是相對(duì)速度正比于頻率變化量。

測(cè)方位角：通過(guò)并列的接收天線收到同一目標(biāo)反射的雷達(dá)波的相位差計(jì)算得到目標(biāo)的方位角；

6：毫米波雷達(dá)在自動(dòng)駕駛功能上的應(yīng)用

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

把毫米波雷達(dá)安裝在汽車(chē)上，可以測(cè)量從雷達(dá)到被測(cè)物體之間的距離、角度和相對(duì)速度等。利用毫米波雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)巡航控制(AdaptiveCruiseControl)，前向防撞報(bào)警(ForwardCollisionWarning)，盲點(diǎn)檢測(cè)(BlindSpotDetection)，輔助停車(chē)(Parkingaid)，輔助變道(Lanechangeassistant)，自主巡航控制(ACC)等高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)功能。比較常見(jiàn)的汽車(chē)毫米波雷達(dá)工作頻率在24GHz和77GH附近。24GHz雷達(dá)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)近距離探測(cè)(SRR)，而77GHz系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的探測(cè)(LRR)。

目前，毫米波雷達(dá)主要為24GHz和77GHz。24GHz的雷達(dá)測(cè)量距離較短(5～30m)，主要應(yīng)用于汽車(chē)后方;77GHz的雷達(dá)測(cè)量距離較長(zhǎng)(30～70m)，主要應(yīng)用于汽車(chē)前方和兩側(cè)。毫米波雷達(dá)主要包括雷達(dá)射頻前端、信號(hào)處理系統(tǒng)、后端算法三部分。在現(xiàn)有的產(chǎn)品中，雷達(dá)后端算法的專利授權(quán)費(fèi)用約占成本的50%，射頻前端約占成本的40%，信號(hào)處理系統(tǒng)約占成本的10%。

1、射頻前端：射頻前端通過(guò)****和接收毫米波，得到中頻信號(hào)，從中提取距離、速度等信息。因此，射頻前端直接決定了雷達(dá)系統(tǒng)的性能。當(dāng)前毫米波雷達(dá)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(chǎn)。在生產(chǎn)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(hào)處理系統(tǒng)：信號(hào)處理系統(tǒng)也是雷達(dá)重要的組成部分，通過(guò)嵌入不同的信號(hào)處理算法，提取從射頻前端采集得到的中頻信號(hào)，獲得特定類型的目標(biāo)信息。信號(hào)處理系統(tǒng)一般以DSP為核心，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法，滿足雷達(dá)的實(shí)時(shí)性需求。

3、后端算法：后端算法占整個(gè)毫米波雷達(dá)成本的比例最高。針對(duì)毫米波雷達(dá)，國(guó)內(nèi)研究人員從頻域、時(shí)域、時(shí)頻分析多個(gè)角度提出了大量的算法，離線實(shí)驗(yàn)的精度也較高。但是，國(guó)內(nèi)的雷達(dá)產(chǎn)品主要采用基于頻域的快速傅里葉變換及其改進(jìn)算法進(jìn)行分析，測(cè)量精度和適用范圍有一定局限性而國(guó)外算法受專利嚴(yán)格保護(hù)，價(jià)格非常昂貴。

7：毫米波雷達(dá)發(fā)展進(jìn)程

車(chē)載毫米波雷達(dá)的研究始于20世紀(jì)60年代，研究主要在以德、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家內(nèi)展開(kāi)。早期車(chē)載毫米波雷達(dá)發(fā)展緩慢，21世紀(jì)后隨著汽車(chē)市場(chǎng)需求增長(zhǎng)開(kāi)始進(jìn)入蓬勃發(fā)展期。在毫米波雷達(dá)的發(fā)展進(jìn)程中，有一個(gè)繞不開(kāi)的問(wèn)題就是車(chē)載毫米波雷達(dá)頻段劃分。為避免與其他設(shè)備頻段沖突，車(chē)載雷達(dá)需要分配專屬頻段，各國(guó)頻段劃分略有不同。2015年日內(nèi)瓦世界無(wú)線電通信大會(huì)將77.5-78.0GHz頻段劃分給無(wú)線電定位業(yè)務(wù)，以支持短距離高分辨率車(chē)載雷達(dá)的發(fā)展，從而使76-81GHz都可用于車(chē)載雷達(dá)，為全球車(chē)載毫米波雷達(dá)的頻率統(tǒng)一指明了方向。隨著谷歌、百度的自動(dòng)駕駛汽車(chē)上路，許多人也對(duì)自動(dòng)駕駛技術(shù)充滿期待。不過(guò)目前大部分汽車(chē)還處在ADAS(高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng))應(yīng)用普及的階段，在這個(gè)階段中毫米波雷達(dá)就起到了很大的作用。 國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)將智能駕駛的等級(jí)分為五個(gè)等級(jí)，目前我們正處于ADAS階段。ADAS(Advanced Driver AssistantSystem)的普及是未來(lái)無(wú)人駕駛實(shí)現(xiàn)的先行條件，是提高汽車(chē)主動(dòng)安全性能的技術(shù)基礎(chǔ)。ADAS系統(tǒng)分為環(huán)境感知、計(jì)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(yīng)用是未來(lái)必然趨勢(shì)，毫米波雷達(dá)將率先成為ADAS系統(tǒng)主力傳感器，接下來(lái)看看毫米波產(chǎn)業(yè)鏈全景圖。
8：全球毫米波雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈全景圖