詳細了解毫米波雷達概念以及原理和產業研究

詳細了解毫米波雷達概念以及原理和產業研究

李倩 發表於 2018-08-27 17:36:19

毫米波雷達作為唯一可以「全天候全天時」工作的傳感器，是實現汽車ADAS以及自動駕駛不可或缺的核心傳感器之一！下面詳細了解一下：

●●●毫米波雷達概念以及原理：

雷達(Radar，radio detecting and ranging)，無線電探測和測距。雷達的基本任務是發射電磁波對目標進行照射並接收其回波，由此獲得目標至電磁波發射點的探測感興趣的距離、方向、速度等狀態參數。按輻射種類可分為:脈衝雷達和連續波雷達（FMCW）。

毫米波雷達，顧名思義，就是工作在毫米波頻段的雷達。毫米波（Millimeter-Wave，縮寫：MMW），是指長度在1~10mm的電磁波，對應的頻率範圍為30~300GHz。如下圖，毫米波位於微波與遠紅外波相交疊的波長範圍，所以毫米波兼有這兩種波譜的優點，同時也有自己獨特的性質。毫米波的理論和技術分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發展。

根據波的傳播理論，頻率越高，波長越短，解析度越高，穿透能力越強，但在傳播過程的損耗也越大，傳輸距離越短；相對地，頻率越低，波長越長，繞射能力越強，傳輸距離越遠。所以與微波相比，毫米波的解析度高、指向性好、抗幹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。                    

●●●毫米波雷達檢測原理：

毫米波雷達最重要的任務就是用無線電的方法發現目標並檢測與目標物體的距離、速度和方向。

毫米波雷達測距原理很簡單，就是把無線電波（毫米波）發出去，然後接收回波，根據收發的時間差測得目標的位置數據和相對距離。根據電磁波的傳播速度，可以確定目標的距離公式為：s=ct/2，其中s為目標距離，t為電磁波從雷達發射出去到接收到目標回波的時間，c為光速。毫米波雷達測速是基於都卜勒效應（Doppler Effect）原理。所謂都卜勒效應就是，當聲音、光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度v運動時，觀測者所收到的振動頻率與振動源所發出的頻率有不同。因為這一現象是奧地利科學家都卜勒最早發現的，所以稱之為都卜勒效應。也就是說，當發射的電磁波和被探測目標有相對移動，回波的頻率會和發射波的頻率不同。當目標向雷達天線靠近時，反射信號頻率將高於發射信號頻率；反之，當目標遠離天線而去時，反射信號頻率將低於發射信號頻率，如下圖。由都卜勒效應所形成的頻率變化叫做都卜勒頻移，它與相對速度v成正比，與振動的頻率成反比。如此，通過檢測這個頻率差，可以測得目標相對於雷達的移動速度，也就是目標與雷達的相對速度。根據發射脈衝和接收的時間差，可以測出目標的距離。       

●●●毫米波雷達的產業研究：

2017年中國毫米波雷達市場規模約為13.4億元，到2021年預計能達到96.7億元，2016-2021年均增長率約為70.6%。

2017年以來，雷射雷達獲得資本市場追捧。但從當前的市場來看，毫米波雷達才是增長最快的市場，2018年1-5月，中國乘用車車載毫米波雷達的前裝市場裝車量為140.6萬顆，同比大增112.7%。

從下圖的三大傳感器對比來看，目前毫米波雷達的綜合表現強於雷射雷達。

毫米波雷達市場繼續細分下去，24GHz毫米波雷達目前仍是出貨量最大的類型。早期24GHz毫米波雷達主要用於中短距探測，77GHz毫米波雷達主要用於長距探測，隨著技術進步與成本下降，加上性能優勢，77GHz雷達有逐漸替代24GHz雷達的趨勢，2017年用於LCA/RCTA的77GHz雷達出貨量顯著上升。

從總量上看，一方面目前側邊SRR 24GHz仍是主流，前視LRR部分主機廠如奔馳、PSA也使用24GHz雷達，短期內24GHz雷達增長依然可觀；另一方面全球主流供應商如博世和大陸的下一代產品主要採用76-77GHz頻段，預計到2020年左右，77GHz雷達市場規模將實現反超。

毫米波雷達市場仍是博世、大陸、海拉等傳統TIER1掌控市場主要份額。國內毫米波雷達廠商從後裝市場起步，然後通過國內車企，逐步進入前裝市場。

木牛科技在後裝市場已經獲得數萬臺訂單。森思泰克24Ghz側後向雷達已經拿到自主品牌長豐獵豹的前裝訂單，到2019年預計有十餘款新上市車型搭載森思泰克的毫米波雷達。

雷射雷達成為國內外自動駕駛領域的創新熱點，傳統汽車巨頭和初創企業都在該領域加大投入，投資併購頻繁。技術方面，機械式多線雷射雷達已經大量應用於無人駕駛原型車，但固態雷射雷達更符合汽車量產需求，代表了未來發展方向。

目前，雷射雷達仍存在技術路線不確定、價格高、難以滿足車規級要求等問題。同時，下一代高精度成像毫米波雷達也在走向成熟，未來將與雷射雷達形成一定競爭。

不過，雷射雷達的技術進步神速，雷射雷達廠商的信心越來越足。Quanergy聯合創始人兼CEO Louay Eldada年初表示，2018年Quanergy將利用合作夥伴 Sensata 在江蘇常州的工廠生產雷射雷達，預計初期年產能為1000萬臺，後期隨著市場需求的提升，該工廠產能有望逐步擴充至數億臺。       

除了Quanery，速騰聚創、北科天繪、鐳神智能、禾賽科技等國內雷射雷達廠商也建立了自己的工廠，並在不斷擴充產能。雷射雷達市場預計在2021年啟動大規模增長。

毫米波雷達、雷射雷達和攝像頭在尺寸、價格、適應場景、成像、測距、定位、物體識別等方面各有優劣，無論哪種單一傳感器都無法獨立支撐起未來自動駕駛汽車對外部環境感知的要求。雷達和攝像頭的融合可以獲得更為精確的環境數據、提升冗餘，最大限度確保ADAS和自動駕駛系統的穩定性和安全性。

●●●毫米波雷達在ADAS中的應用：

對於車輛安全來說，最主要的判斷依據就是兩車之間的相對距離和相對速度信息，特別車輛在高速行駛中，如果兩車的距離過近，是容易導致追尾事故。憑藉出色的測距測速能力，毫米波雷達被廣泛地應用在自適應巡航控制（ACC）、前向防撞報警（FCW）、盲點檢測（BSD）、輔助停車（PA）、輔助變道（LCA）等汽車ADAS中。

通常，為了滿足不同距離範圍的探測需要，一輛汽車上會安裝多顆短程、中程和長程毫米波雷達。其中24GHz雷達系統主要實現近距離探測（SRR，60米以下），77GHz雷達系統主要實現中、長距離的探測（MRR,100米左右；LRR，200米以上）。不同的毫米波雷達「各司其職」，在車輛前方、車身和後方發揮不同的作用。

根據波的傳播理論，頻率越高，波長越短，解析度越高，探測距離越遠，但探測角度（水平視場）會變小。所以77GHz毫米波雷達較24GHz可以實現更遠的探測距離，精度更高，不過隨著頻率的增加相應的晶片的設計和製造難度也變大，77GHz毫米波雷達成本更高。通常探測角度和探測距離是矛盾的。如圖1，顯示了大陸集團77GHz ARS 310型毫米波雷達在短、中、長程不同探測距離和探測角度的比較。所以雖然說77GHz功能上可以取代24GHz，是未來主流，但從性價比的角度來看，目前短程雷達還主要由24GHz承擔。

上圖為大陸集團ARS 310型的短程、中程、長程雷達檢測範圍。想要完全實現ADAS各項功能，全方位覆蓋汽車周圍環境的感測，兼顧性能和成本，一輛汽車上會安裝多顆短程、中程和長程毫米波雷達。不同的毫米波雷達「各司其職」，在車輛前方、車身和後方發揮不同的作用。目前主要的標配：1-2顆77GHz MRR/LRR+4顆24GHz SRR。24GHz SRR雖然探測距離相對較短，但優勢在於探測角度較大，成本相對較低，可以配置多顆實現車身近距離全方位覆蓋。MRR/LRR功能相當，LRR的優勢在於它的可探測距離比較遠，適用速度能達到250km/h，但在絕大部分有限速的國家，使用成本相對更低且適用速度在160km/h內的中距雷達來實現自適應巡航（ACC）功能更划算。

例如，奔馳S級就採用6顆毫米波雷達（1長+1中+4短），如上圖，分別分布在前向雙模長程毫米波雷達1顆，後向中遠程毫米波雷達1顆，前/後保險槓左右短程雷達共4顆。「短程+中程+長程」毫米波雷達三者結合一起共同完成自適應巡航（ACC）、自動緊急制動（AEB）、前方/後方碰撞預警（FCW/BCW）、變道輔助（LCA）、盲點檢測（BSD）、倒車輔助（BPA）、泊車輔助（PA）等多種ADAS功能。其中ACC、AEB、FCW、LCA作為汽車ADAS中最主要的防撞預警功能，是如何實現的？下面將詳細介紹。自適應巡航（ACC）自適應巡航（Adaptive Cruise Control，ACC），是一種可以依據設定的車速或者距離跟隨前方車輛行駛，或根據前車速度主動控制本車行駛速度，最終將車輛與前車保持在安全距離的駕駛輔助功能，該功能最大的優點是可以有效的解放駕駛者的雙腳，提高駕駛的舒適性。

ACC的實現原理：在車輛行駛過程中，安裝在車輛前部的毫米波雷達傳感器持續掃描車輛前方道路，同時輪速傳感器採集車速信號。當與前車之間的距離過小時，ACC系統可以通過與制動防抱死系統、發動機控制系統協調動作，使車輪適當制動，並使發動機的輸出功率下降，以使車輛與前方車輛始終保持安全距離。ACC系統在控制車輛制動時，通常會將制動減速限制在不影響舒適度的程度，當需要更大的減速時，ACC系統會發出聲、光預警信號通知駕駛者主動採取制動操作。自動緊急制動（AEB）自動緊急制動（Autonomous Emergency Braking，AEB），是一種汽車主動安全輔助功能。AEB系統利用毫米波雷達測出與前車或者障礙物的距離，然後利用數據分析模塊將測出的距離與警報距離、安全距離進行比較，小於警報距離時就進行警報提示，而小於安全距離時即使在駕駛員沒有來得及踩制動踏板的情況下，AEB系統也會啟動，使汽車自動制動，從而確保駕駛安全。

據研究表明，90%的交通事故是由於駕駛者的注意力不集中而引起的，AEB技術能在現實世界中減少38%的追尾碰撞，且無論是在城市道路（限速60km/h）或郊區道路行駛的情況下，效果都顯著。所以，歐洲新車安全評鑑協會（Euro NCAP）在2014年率先將AEB系統納入整體安全評級中，而我國也在2018年將AEB加入了NCAP評分體系。前方防撞預警功能（FCW）前方防撞預警（Forward Collision Warning，FCW），通過毫米波雷達和前置攝像頭不斷監測前方的車輛，判斷本車與前車之間的距離、方位及相對速度，探測到前方潛在的碰撞危險，當駕駛員沒有採取制動措施時，儀表會顯示報警信息並伴隨聲音報警，警告駕駛員務必採取應對措施。當判斷到事故即將發生時，系統會讓剎車自動介入工作，從而避免事故發生或降低事故可能造成的風險。

AEB通過傳感器探測前方的車輛、行人等障礙物，如果發現距離過近且存在碰撞風險時，進行自動制動。FCW則可以理解為進行自動制動之前的預警功能。其實，FCW和AEB系統是相輔相成的關係，目的都是在行車時避免或減少碰撞事故的發生。變道輔助（LCA）變道輔助（lane change assist，LCA），是通過毫米波雷達、攝像頭等傳感器，對車輛相鄰兩側車道及後方進行探測，獲取車輛側方及後方物體的運動信息，並結合當前車輛的狀態進行判斷，最終以聲、光等方式提醒駕駛員，讓駕駛員掌握最佳變道時機，防止變道引發的交通事故，同時對後方碰撞也有比較好的預防作用。變道輔助系統包括「盲點檢測（BSD）」、「變道預警（LCA）」、「後碰預警（RCW）」3個功能。可以有效地防止變道、轉彎、後方追尾等交通事故的發生，極大提升汽車變道操作的安全性能。   

其中，BSD根據其判斷的移動物體所處的相對位置及與本車的相對速度，當處於本車的盲區範圍內，及時提醒駕駛員注意變道出現的風險。LCA檢測目標車輛在相鄰的區域以較大的相對速度靠近本車，在兩車時距小於一定範圍內時，通過聲、光等方式提醒駕駛員。RCW檢測到同一車道後方有快速接近的移動物體，並有碰撞風險時，及時通過聲、光等方式，預警駕駛員系好安全帶等方式減小碰撞帶來的傷害。多種傳感器融合其實在這些駕駛輔助功能實現的過程中，我們不難發現雖然毫米波雷達起到了最核心的物體探測、測距和測速的作用，但是整個過程還需要其它傳感器的輔助，比如雷射雷達、攝像頭、超聲波雷達、慣性傳感器等。隨著越來越多汽車廠商開始將不同的傳感器整合到汽車ADAS中，業界普遍認為「傳感器融合（sensor fusion）」是高度自動化駕駛安全性的關鍵。在環境感知中，每一種傳感器都有獨特的優勢和弱點。例如，毫米波雷達不受天氣影響可全天候全天時工作，但解析度不高，不能區分人和物；而攝像頭有更高的解析度，能夠感知顏色，但受強光影響較大；雷射雷達則能夠提供三維尺度感知信息，對環境的重構能力強，但受天氣影響大。傳感器各有優劣，難以互相替代，未來要實現自動駕駛，是一定需要多種傳感器相互配合共同構成汽車的感知系統。如圖7，隨著自動駕駛從L2級朝L5級自動駕駛發展，集成在汽車上傳感器數量和種類不斷增加，只有這樣才能夠保證信息獲取充分且有冗餘，才能達到OEM主機廠所需的安全標準。

軟體是多種傳感器融合的核心之一。算法是多傳感器融合通往更高級自動駕駛技術的「攔路虎」，因為多種傳感器的使用會使需要處理的信息量大增，這其中甚至有相互矛盾的信息，如何保證系統快速地處理數據，過濾無用、錯誤信息，從而保證系統最終做出及時正確的決策十分關鍵。目前多種傳感器融合的理論方法有貝葉斯準則法、卡爾曼濾波法、D-S證據理論法、模糊集理論法、人工神經網絡法等。因此，在使用多種傳感器的情況下，要想保證安全性，就必須對傳感器進行信息融合。多傳感器融合可顯著提高系統的冗餘度和容錯性，從而保證決策的快速性和正確性，是現階段ADAS走向高級自動駕駛並最終實現無人駕駛的必然趨勢。

●●●毫米波雷達其它應用以及發展趨勢：

毫米波雷達除了汽車ADAS應用，還在無人機、安防、智能交通、工業以及軍用領域發揮著非常重要的作用。• 無人機：主要應用體現在定高和避障兩個方面。• 安防：主要應用在一些重要的區域的安全警戒。• 智能交通：主要應用於車輛檢測、交通量調查、交通事件檢測、交通誘導、超速監測、電子卡口、電子警察和紅綠燈控制等。• 工業：主要應用於工業液位計、挖掘機、重型推土機、高壓電線塔附近安全施工、生產安全監測等。• 軍用：主要應用於雷達探測、飛彈制導、衛星遙感、電子對抗等。

綜上分析，毫米波雷達技術的發展趨勢是朝著體積更小、功耗更低、集成度更高和多項技術共存融合（性價比更高）方向發展。從頻段上，由於77GHz比24GHz具有更小的波長，可進一步縮減天線尺寸，更便於安裝部署。同時77GHz頻段帶寬更大、探測距離更遠、精度更高，正逐漸成為主流。不過24GHz在短程BSD/LCA等應用成本優勢明顯，將長期與77GHz互補共存。在前端收發組件，高集成化的MMIC成為了主流，在工藝上先是SiGe替代了GaAs，當前正慢慢朝CMOS方向發展。由於GaAs、SiGe和CMOS各有優缺點，在超高速、超高頻領域，CMOS目前還是比不上GaAs，市場上同時對於幾種工藝都有需求。對於汽車應用來說，不僅要考慮毫米波雷達前端的集成，與其它傳感器的融合，還要考量與主處理器的「合作」，到底是集成還是分立，還是需靈活折中？從產品趨勢來看，一種是傳感器本身的融合或高度集成，如將毫米波雷達前端與攝像頭等其它傳感器集成；另一種是單晶片系統方案，即「多傳感器+主處理器+數位訊號處理器」，未來的爭奪戰也將圍繞這兩方面展開，當然性價比是前提。在市場需求層面，既需要有雷達前端集成晶片，亦需要單晶片系統方案，以滿足客戶的差異化需求。總之，上述技術發展最終結果是要實現「更小巧、更便宜、更智能」的毫米波雷達，為ADAS、自動駕駛和終極的無人駕駛服務！

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