汽車雷達傳感器的種類和應用

2021-01-16 電子發燒友
汽車雷達傳感器的種類和應用

EDA365 發表於 2021-01-14 16:16:18

 

國產特斯拉的雷達傳感器

NO.1

特斯拉最近賣得很火，最近參與了國產特斯拉的拆解分析，希望能更深入了解其安全系統配置，我主要關注的是特斯拉安全系統的傳感器。拆解發現即使是其低配車型，主動安全系統的傳感器除了圖像傳感器（攝像頭）和超聲波傳感器，還配備了毫米波雷達傳感器。

圖1 傳感器

這也進一步印證了《2019-2020年全球與中國汽車毫米波雷達產業研究報告》的數據，報告中2019年全年中國乘用車市場毫米波雷達安裝量達517萬顆，同比增長44.37%。尤其是77GHz增速達到69.3%，特斯拉的前置遠程雷達傳感器正是77GHz的毫米波傳感器。

 

汽車雷達傳感器的種類和應用

NO.2

目前的汽車雷達主要分為超聲波雷達、電磁波雷達和雷射雷達。

01

超聲波泊車雷達

 

圖2 超聲波雷達

如圖2是超聲波泊車雷達，目前汽車基本已普及，前後保險槓的圓形孔位，就是安裝的超聲波雷達傳感器。

但由於超聲波散射角大，方向性較差，在空氣中傳播損耗也大，在測量較遠距離的目標時，測量精度比較低；另外超聲波傳播速度相對較低，因此探測高速移動的物體時延遲較大，誤差嚴重，所以不適合高速移動的物體測距。但對低速短距離測量時，超聲波雷達優勢明顯，所以超聲波雷達一般只作為泊車雷達使用。

圖3 超聲波雷達泊車

02

毫米波雷達

毫米波雷達是利用無線電波對移動物體進行探測感知和定位。其探測距離比超聲波遠，尤其是測量遠距離高速移動目標時，反應速度快且精度高，因此毫米波雷達主要應用在盲點檢測、碰撞預警和防撞、剎車輔助與緊急剎車、車距和車道保持等方面。

現在有些豪華車已配有5個毫米波雷達傳感器：車的前面配備3個，一個長距離77GHz毫米波雷達，前部和後部兩側各布置1個短距離毫米波雷達（通常是24GHz），如圖4就是毫米波雷達應用模式，圖5是特斯拉的毫米波傳感器。

圖4 汽車毫米波雷達應用

圖5 特斯拉毫米波傳感器

03

雷射雷達

雷射雷達（包括影像）易受環境因素影響，還在快速的技術迭代升級，不在此進行討論。

圖6 雷射雷達

對比這三種傳感器，目前只有汽車毫米波雷達技術能在晴天、雨天、白天和黑夜完成短距離和遠程距離的目標探測，因此市場應用即將進入爆發期，但是國產化方面的差距卻很大。

 

毫米波汽車雷達測距測速原理

NO.3

毫米波是指波長在1-10mm的電磁波，其帶寬大，解析度高，天線部件尺寸小，能適應惡劣天氣和環境。

汽車毫米波雷達一般是FMCW(調頻連續波)信號雷達，相比軍用脈衝信號雷達電路實現要簡單一些。

圖7 FMCW工作原理

下面以三角波調頻連續波為例來簡單介紹雷達的測距/測速原理。

天線向外發出一系列連續調頻毫米波，頻率隨時間按調製電壓的規律變化，發射與接收信號如圖8所示。

圖8  FMCW發射與反射信號

圖中實線是發射信號，虛線是相對靜止和相對運動物體的反射信號。反射與發射信號波形相同，只是差一個延時時間td=2R/C，式中，R為目標距離，c光速。

發射信號與反射信號在某一時刻的頻差即為混頻輸出的中頻頻率fb。相對運動物體反射信號由於都卜勒效應產生的頻移的原因。

在三角波的上升沿與下降沿輸出的中頻頻率分別為fb+、fb-。以下公式就是雷達測試距、測速的理論依據：

圖9 公式

由上面公式可以計算得到目標車輛的距離R與相對運動速度v。中頻頻率fb的確定是求出R、V的關鍵。fb的確定即是對發射和反射信號的頻差進行頻譜分析。

信號的頻譜分析主要有FFT法。所謂FFT法，即是對被分析的信號進行傅立葉變換，將其從時域變到頻域，在頻域進行分析。

這種方法比較成熟、現容易、實時性強，適合於汽車運行狀況下信號的實時處理。

 

毫米波雷達原理仿真和實現框圖

NO.4

汽車毫米波一般是基於頻率調製的連續波（FMCW）。W1905 SystemVue 雷達庫可用於汽車雷達系統的原型機的系統仿真和測試驗證。

圖10  SystemVue 的FMCW雷達系統仿真

系統仿真分為5個子系 統，包括發射機、傳播環境、接收機、信號處理器以及距離和速度信息的估計測量。

圖11中A就是軟體生成的三角形信號波形，B是三角形信號的群時延即頻率與時間關係。

圖11 SystemVue 生成的線性 FMCW 三角形信號

圖12是SystemVue雷達系統仿真的發射機輸出24GHz頻譜。

圖12 24GHz頻譜

現在國際一些知名半導體公司，已推出了車規級毫米波傳感器的晶片，目前已商用的毫米波雷達傳感器，都是採用這些半導體公司的晶片開發而成的。

這些毫米波汽車雷達晶片是完全開放的，擁有不同資源的廠商可以根據自己條件，跳過原型機的開發和驗證，儘快推出自己的產品，抓住毫米波雷達普及應用的爆發期。

圖13 某77GHz汽車毫米波雷達傳感器套片原理框圖

圖14  某77GHz毫米波雷達單路收發信機構成框圖

 

77G毫米波汽車雷達

的主要參考指標

NO.5

應用指標包括：

01

射頻性能評估參數

圖15 參數表

雷達發射機測試主要包含:

①發射信號輸出頻率及穩定度

②發射信號功率及穩定度

③調製信號質量

雷達接收機測試指標主要包含:

①接收機靈敏度

②接收機動態範圍

③抗幹擾性能

02

採用某公司收發信機晶片開發的毫米波前端demo

圖16 毫米波前端demo

 

性能測試和驗證

NO.6

01

原型機的性能測試

在研發早期可以採用SystemVue仿真加儀器的驗證平臺，來診斷和解決跨域問題，減少基帶/ 數位訊號處理和射頻收發信機中的設計裕量。

驗證系統框圖如下：

圖17 原型機性能驗證系統框圖

02

產品化開發性能測試

如果是採用毫米波雷達傳感器晶片開發產品，現在有商用測試系統，可以根據自己有儀器，搭建自己的測試系統。

①發射機測試

圖18 

②接收機測試

圖19 接收機測試

03

整體性能測試

①方向圖和輻射功率測試

圖20 方向圖和輻射功率測試

②雷達探測及目標跟蹤性能測試

圖21 雷達探測及目標跟蹤性能測試

人們對汽車駕駛安全有著不懈的追求，再加上5G網絡的普及和自動駕駛技術日趨提升，汽車將是下一個「移動智能終端」。

毫無疑問，汽車毫米波雷達市場快速增長的趨勢已經形成，國內傳統的汽車部件供應商將面臨嚴峻挑戰！儘快突破毫米波傳感器高性能、低成本、大批量生產的關鍵技術，市場前景無疑是值得期待的。

責任編輯：lq

 

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