2018年01月31日 | 毫米波雷达的应用技术或是开启无人驾驶的脊梁骨

在智能驾驶传感器领域，和激光雷达（LiDAR）相比，毫米波雷达（Millimeter-Wave Radar）更接地气，在技术上已非常成熟，而且其市场出货量相当可观，以中国市场为例，2015年车载毫米波雷达销量为180万颗，大概平均每12台车搭载1颗毫米波雷达。此外，毫米波雷达在欧洲的普及率非常高。

一、毫米波频段的划分

毫米波实质上就是电磁波。毫米波的频段比较特殊，其频率高于无线电，低于可见光和红外线，频率大致范围是10GHz—200GHz。毫米波介于微波（Micro waves）和THz（1000GHz）之间，可以说是微波的一个子集。

在这个频段，毫米波相关的特性使其非常适合应用于车载领域。目前，比较常见的车载领域的毫米波雷达频段有三类。

其一是24—24.25GHz这个频段，目前大量应用于汽车的盲点监测、变道辅助。雷达安装在车辆的后保险杠内，用于监测车辆后方两侧的车道是否有车、可否进行变道。这个频段也有其缺点，首先是频率比较低，另外就是带宽（Bandwidth）比较窄，只有250MHz。

另一个频段就是77GHz，这个频段的频率比较高，国际上允许的带宽高达800MHz。据袁帅介绍，这个频段的雷达性能要好于24GHz的雷达，所以主要用来装配在车辆的前保险杠上，探测与前车的距离以及前车的速度，实现的主要是紧急制动、自动跟车等主动安全领域的功能。

第三类应用频段就是79GHz—81GHz，这个频段最大的特点就是其带宽非常宽，要比77GHz的高出3倍以上，这也使其具备非常高的分辨率（雷锋网新智驾注：后文会对“分辨率”有详细阐释），可以达到5cm。这个分辨率在自动驾驶领域非常有价值，因为自动驾驶汽车要区分行人等诸多精细物体，对带宽的要求很高。袁帅表示，这个频段在未来的自动驾驶领域会有很广泛的应用。

而在波长方面，24GHz毫米波的波长是1.25cm，而77GHz毫米波的波长大概是4mm，毫米波的波长要比光波的波长长1000倍以上，所以它对物体的穿透能力更强。

举个例子，我们通常看到的灰尘的直径大概在1um—100um之间，自然界的雨点的直径在0.5mm—4mm的范围内。所以波长与它们相等或者更长的电磁波可以轻易穿透这些障碍物，毫米波便拥有这样的能力。

这种可靠性是其他任何传感器难以达成的，所以在ADAS这样一个对安全性、可靠性要求比较高的领域，毫米波雷达拥有很难撼动的地位。

二、毫米波雷达在车载领域的发展史

实际上，在上世纪60年代的美国，毫米波雷达便开始在车载领域应用，但是当时的工艺水平较低，应用的是单天线，前端只能一收一发，其频率只有10GHz。而且，在袁帅的描述中，这种雷达装置配备在车辆的前方并不美观，“基本上就像是两个盘子在那放着。”

之后，为了缩小其体积，业内专家不断将频率往上提，来到30GHz、50GHz。雷达频率越高、天线尺寸就越小，意味着同样尺寸的雷达，其天线波束的集中度更高。

到了90年代，就发展出了60GHz、77GHz和94GHz的毫米波雷达。60GHz频段后来主要用来通信，94GHz主要是军用频段，而工业上则选择了77GHz作为主流的毫米波雷达的频段。

在历史上，也有比较典型的毫米波雷达应用。1992年，美国交通部门在灰狗公交车上安装了1500套毫米波雷达，到1993年取得了立竿见影的效果：交通事故发生率下降了25%。不过最后因为效果太好，损坏了一些既得利益者的利益，所以在1994年被全部拆除。

时至今日，全球主要有四大毫米波雷达供应商（雷锋网新智驾注：当然它们的业务也不仅限于毫米波雷达），简称为ABCD，即Autoliv、Bosch、ConTInental和Delphi。

Autoliv以24GHz盲点、变道辅助雷达为主，主要客户是戴姆勒奔驰——其车辆基本标配了变道辅助，Autoliv的毫米波雷达出货量很大。

Bosch的毫米波雷达主要以77GHz为主，覆盖的面比较广，有长距（LRR）、中距（MRR）以及用于车后方的盲点雷达。Bosch的方案集成度非常高，输出的是对汽车的控制信号，其定制性很强，通常是与大型车企合作一个车型，共同推进项目。

ConTInental在毫米波雷达产品方面既有24GHz，也有77GHz，性能做得还不错，戴姆勒的77GHz毫米波雷达主要由ConTInental供应。

Delphi则是美国老牌企业，以77GHz毫米波雷达为主，采用较为传统的硬件方案，成本比较高，性能不俗。

三、毫米波雷达对距离、速度和角度的探测

需要明确的一点是，毫米波雷达在测量目标的距离、速度和角度上展现的性能和其他传感器还是略有区别的。视觉传感器得到的是二维信息，没有深度信息，而毫米波雷达则是具备深度信息的，可以提供目标的距离;激光雷达对于速度并不敏感，而毫米波雷达则对速度非常敏感，可以直接获得目标的速度，因为毫米波雷达会有很明显的多普勒效应，通过检测其多普勒频移可将目标的速度提取出来。

毫米波雷达最基本的探测技术是使用FMCW连续线性调频波去探测前方物体的距离，毫米波雷达发射的是连续波，在后端处理上要比激光雷达的运算量大。

其原理在于：

振荡器会产生一个频率随时间逐渐增加的信号，这个信号遇到障碍物之后，会反弹回来，其时延是2倍距离/光速。返回来的波形和发出的波形之间有个频率差，这个频率差和时延是呈线性关系的：物体越远，返回的波收到的时间就越晚，那么它跟入射波的频率差值就越大。

将这两个频率做一个减法，就可以得到二者频率的差频（差拍频率），通过判断差拍频率的高低就可以判断障碍物的距离。

此外，为了探测目标的速度，也有更为高级的调频技术来实现，主要以多普勒频移原理为基础。

角度的探测是通过多个接收天线接收到信号的时延来实现。举个简单的例子，假设有2根天线，接收从某个方向发出的电磁波，这个电磁波到达2根天线的时间是有差值的，或者说是相位差，通过这个相位差可以评估信号的角度。

这里要引入一个非常重要的概念——毫米波雷达的分辨率。其定义是“雷达可以区分的两个物体的最近的距离”，比如，两个物体靠得很近，那么雷达可能会将其列为一个物体，如果分得开一些，雷达会看到两个物体。那么究竟离多远雷达能区分两个物体间的距离，这个就叫做雷达的分辨率。

分辨率的计算公式也很简单，就是光速/2倍的雷达带宽，所以对于24GHz和77GHz来说，可以直接算出其分辨率。前者是0.6m，后者则约为20cm。而3GHz带宽的毫米波雷达的分辨率可以做到5cm，非常适合自动驾驶的应用。

此外，在关键性的天线技术方面，毫米波雷达有两种，一种是基于透镜，另一种是用PCB印刷。基于透镜的天线开发灵活度较小，因为最后会聚焦到一个很小的区域，这个区域不大容易安排灵活的设计。

四、未来

总体来说，毫米波雷达成本下降的速度还是比较快的，因为它是硅基的芯片，没有特别昂贵和复杂的工艺。而激光雷达则在光的收发器和组装工艺要求高，成本比较难降下来。

激光雷达目前还有一个非常重要的技术是固态激光雷达，它实际上与传统雷达、毫米波雷达是一脉相承的，固态激光雷达实质上就是调整每个发射和接收单元的相位，毫米波雷达也是同样的原理，只不过毫米波雷达是对电磁波进行操作，器件的实现难度要比对光的频段上进行相位的改变的难度低很多。

而对于毫米波雷达的市场前景。一辆车上会搭载3-8颗毫米波雷达，目前奔驰的高端车上也已经安装了7颗。未来10年，车载毫米波雷达的市场规模将不容小觑。

从政策上来讲，各个国家都在推进汽车的AEB功能，其中日本和北美已经在推行，中国也将在2018年推行到商用车领域。

毫米波雷达在ADAS领域是很难被取代的传感器，虽然有一些缺点，但是是唯一的全天候工作的传感器。其测速、测距的精度要远高于视觉，与激光雷达相比，其测速精度会高一些。穿透力会更好。但是整体来讲，这并不冲突，因为未来会走向融合的趋势，特别是针对无人驾驶，毋庸置疑三大传感器会相互融合。