毫米波雷達對于自動駕駛的重要性

自動駕駛汽車依靠人工智能、視覺計算、雷達、監(jiān)控裝置和全球定位系統(tǒng)協(xié)同合作，讓電腦可以在沒有任何人類主動的操作下，自動安全地操作機動車輛。

在智能駕駛傳感器領(lǐng)域，和激光雷達(LiDAR)相比，毫米波雷達(Millimeter-Wave Radar)更接地氣，在技術(shù)上已非常成熟，而且其市場出貨量相當可觀，以中國市場為例，2015年車載毫米波雷達銷量為180萬顆，大概平均每12臺車搭載1顆毫米波雷達。此外，毫米波雷達在歐洲的普及率非常高。

杭州智波科技便是這個領(lǐng)域的玩家之一。公司成立于2015年底，在車載雷達領(lǐng)域，杭州智波已經(jīng)研發(fā)出產(chǎn)品ZB002V，這是一款基于毫米波技術(shù)的K波段通用雷達，適用于汽車前向碰撞警告、大型無人機避障、大型物流機器人等對精確測速、測距有需求的場合。

在近日嘉之道汽車舉辦的一場ADAS相關(guān)論壇上，杭州智波創(chuàng)始人兼董事長袁帥以“車載毫米波雷達技術(shù)和智能駕駛應(yīng)用”為主題進行了分享，詳述了毫米波雷達的頻段、發(fā)展史、基本原理、關(guān)鍵技術(shù)以及市場預期。雷鋒網(wǎng)新智駕(AI-Drive)進行了精編：

一、毫米波頻段的劃分

毫米波實質(zhì)上就是電磁波。毫米波的頻段比較特殊，其頻率高于無線電，低于可見光和紅外線，頻率大致范圍是10GHz—200GHz。毫米波介于微波(Micro waves)和THz(1000GHz)之間，可以說是微波的一個子集。

在這個頻段，毫米波相關(guān)的特性使其非常適合應(yīng)用于車載領(lǐng)域。目前，比較常見的車載領(lǐng)域的毫米波雷達頻段有三類。

其一是24—24.25GHz這個頻段，目前大量應(yīng)用于汽車的盲點監(jiān)測、變道輔助。雷達安裝在車輛的后保險杠內(nèi)，用于監(jiān)測車輛后方兩側(cè)的車道是否有車、可否進行變道。這個頻段也有其缺點，首先是頻率比較低，另外就是帶寬(Bandwidth)比較窄，只有250MHz。

另一個頻段就是77GHz，這個頻段的頻率比較高，國際上允許的帶寬高達800MHz。據(jù)袁帥介紹，這個頻段的雷達性能要好于24GHz的雷達，所以主要用來裝配在車輛的前保險杠上，探測與前車的距離以及前車的速度，實現(xiàn)的主要是緊急制動、自動跟車等主動安全領(lǐng)域的功能。

第三類應(yīng)用頻段就是79GHz—81GHz，這個頻段最大的特點就是其帶寬非常寬，要比77GHz的高出3倍以上，這也使其具備非常高的分辨率(雷鋒網(wǎng)新智駕注：后文會對“分辨率”有詳細闡釋)，可以達到5cm。這個分辨率在自動駕駛領(lǐng)域非常有價值，因為自動駕駛汽車要區(qū)分行人等諸多精細物體，對帶寬的要求很高。袁帥表示，這個頻段在未來的自動駕駛領(lǐng)域會有很廣泛的應(yīng)用。

而在波長方面，24GHz毫米波的波長是1.25cm，而77GHz毫米波的波長大概是4mm，毫米波的波長要比光波的波長長1000倍以上，所以它對物體的穿透能力更強。

舉個例子，我們通常看到的灰塵的直徑大概在1um—100um之間，自然界的雨點的直徑在0.5mm—4mm的范圍內(nèi)。所以波長與它們相等或者更長的電磁波可以輕易穿透這些障礙物，毫米波便擁有這樣的能力。

這種可靠性是其他任何傳感器難以達成的，所以在ADAS這樣一個對安全性、可靠性要求比較高的領(lǐng)域，毫米波雷達擁有很難撼動的地位。

二、毫米波雷達在車載領(lǐng)域的發(fā)展史

實際上，在上世紀60年代的美國，毫米波雷達便開始在車載領(lǐng)域應(yīng)用，但是當時的工藝水平較低，應(yīng)用的是單天線，前端只能一收一發(fā)，其頻率只有10GHz。而且，在袁帥的描述中，這種雷達裝置配備在車輛的前方并不美觀，“基本上就像是兩個盤子在那放著。”

之后，為了縮小其體積，業(yè)內(nèi)專家不斷將頻率往上提，來到30GHz、50GHz。雷達頻率越高、天線尺寸就越小，意味著同樣尺寸的雷達，其天線波束的集中度更高。

到了90年代，就發(fā)展出了60GHz、77GHz和94GHz的毫米波雷達。60GHz頻段后來主要用來通信，94GHz主要是軍用頻段，而工業(yè)上則選擇了77GHz作為主流的毫米波雷達的頻段。

在歷史上，也有比較典型的毫米波雷達應(yīng)用。1992年，美國交通部門在灰狗公交車上安裝了1500套毫米波雷達，到1993年取得了立竿見影的效果：交通事故發(fā)生率下降了25%。不過最后因為效果太好，損壞了一些既得利益者的利益，所以在1994年被全部拆除。

時至今日，全球主要有四大毫米波雷達供應(yīng)商(雷鋒網(wǎng)新智駕注：當然它們的業(yè)務(wù)也不僅限于毫米波雷達)，簡稱為ABCD，即Autoliv、Bosch、Continental和Delphi。

Autoliv以24GHz盲點、變道輔助雷達為主，主要客戶是戴姆勒奔馳——其車輛基本標配了變道輔助，Autoliv的毫米波雷達出貨量很大。

Bosch的毫米波雷達主要以77GHz為主，覆蓋的面比較廣，有長距(LRR)、中距(MRR)以及用于車后方的盲點雷達。Bosch的方案集成度非常高，輸出的是對汽車的控制信號，其定制性很強，通常是與大型車企合作一個車型，共同推進項目。

Continental在毫米波雷達產(chǎn)品方面既有24GHz，也有77GHz，性能做得還不錯，戴姆勒的77GHz毫米波雷達主要由Continental供應(yīng)。

Delphi則是美國老牌企業(yè)，以77GHz毫米波雷達為主，采用較為傳統(tǒng)的硬件方案，成本比較高，性能不俗。

三、毫米波雷達對距離、速度和角度的探測

需要明確的一點是，毫米波雷達在測量目標的距離、速度和角度上展現(xiàn)的性能和其他傳感器還是略有區(qū)別的。視覺傳感器得到的是二維信息，沒有深度信息，而毫米波雷達則是具備深度信息的，可以提供目標的距離;激光雷達對于速度并不敏感，而毫米波雷達則對速度非常敏感，可以直接獲得目標的速度，因為毫米波雷達會有很明顯的多普勒效應(yīng)，通過檢測其多普勒頻移可將目標的速度提取出來。

毫米波雷達最基本的探測技術(shù)是使用FMCW連續(xù)線性調(diào)頻波去探測前方物體的距離，毫米波雷達發(fā)射的是連續(xù)波，在后端處理上要比激光雷達的運算量大。

其原理在于：

振蕩器會產(chǎn)生一個頻率隨時間逐漸增加的信號，這個信號遇到障礙物之后，會反彈回來，其時延是2倍距離/光速。返回來的波形和發(fā)出的波形之間有個頻率差，這個頻率差和時延是呈線性關(guān)系的：物體越遠，返回的波收到的時間就越晚，那么它跟入射波的頻率差值就越大。

將這兩個頻率做一個減法，就可以得到二者頻率的差頻(差拍頻率)，通過判斷差拍頻率的高低就可以判斷障礙物的距離。

此外，為了探測目標的速度，也有更為高級的調(diào)頻技術(shù)來實現(xiàn)，主要以多普勒頻移原理為基礎(chǔ)。

角度的探測是通過多個接收天線接收到信號的時延來實現(xiàn)。舉個簡單的例子，假設(shè)有2根天線，接收從某個方向發(fā)出的電磁波，這個電磁波到達2根天線的時間是有差值的，或者說是相位差，通過這個相位差可以評估信號的角度。

這里要引入一個非常重要的概念——毫米波雷達的分辨率。其定義是“雷達可以區(qū)分的兩個物體的最近的距離”，比如，兩個物體靠得很近，那么雷達可能會將其列為一個物體，如果分得開一些，雷達會看到兩個物體。那么究竟離多遠雷達能區(qū)分兩個物體間的距離，這個就叫做雷達的分辨率。

分辨率的計算公式也很簡單，就是光速/2倍的雷達帶寬，所以對于24GHz和77GHz來說，可以直接算出其分辨率。前者是0.6m，后者則約為20cm。而3GHz帶寬的毫米波雷達的分辨率可以做到5cm，非常適合自動駕駛的應(yīng)用。

此外，在關(guān)鍵性的天線技術(shù)方面，毫米波雷達有兩種，一種是基于透鏡，另一種是用PCB印刷。基于透鏡的天線開發(fā)靈活度較小，因為最后會聚焦到一個很小的區(qū)域，這個區(qū)域不大容易安排靈活的設(shè)計。

四、未來

總體來說，毫米波雷達成本下降的速度還是比較快的，因為它是硅基的芯片，沒有特別昂貴和復雜的工藝。而激光雷達則在光的收發(fā)器和組裝工藝要求高，成本比較難降下來。

激光雷達目前還有一個非常重要的技術(shù)是固態(tài)激光雷達，它實際上與傳統(tǒng)雷達、毫米波雷達是一脈相承的，固態(tài)激光雷達實質(zhì)上就是調(diào)整每個發(fā)射和接收單元的相位，毫米波雷達也是同樣的原理，只不過毫米波雷達是對電磁波進行操作，器件的實現(xiàn)難度要比對光的頻段上進行相位的改變的難度低很多。

而對于毫米波雷達的市場前景。一輛車上會搭載3-8顆毫米波雷達，目前奔馳的高端車上也已經(jīng)安裝了7顆。未來10年，車載毫米波雷達的市場規(guī)模將不容小覷。

從政策上來講，各個國家都在推進汽車的AEB功能，其中日本和北美已經(jīng)在推行，中國也將在2018年推行到商用車領(lǐng)域。

毫米波雷達在ADAS領(lǐng)域是很難被取代的傳感器，雖然有一些缺點，但是是唯一的全天候工作的傳感器。其測速、測距的精度要遠高于視覺，與激光雷達相比，其測速精度會高一些。穿透力會更好。但是整體來講，這并不沖突，因為未來會走向融合的趨勢，特別是針對無人駕駛，毋庸置疑三大傳感器會相互融合。