了解汽車裡的毫米波雷達,看這一篇就夠了!

雷達對我們來說並不陌生，它在生活的方方面面都會用到。如今它也出現在了汽車裡面，隨著智能駕駛不斷發展，傳感器已成為打造汽車生態的主要砝碼之一，無論是雷射雷達、毫米波雷達、攝像頭等，都將成為日後必要的配件。下面我們就來科普一下毫米波雷達到底是什麼？

 

雷達是利用無線電回波以探測目標方向和距離的一種裝置，用於無線電探向與測距，全世界開始熟悉雷達是在1940年的不列顛空戰中，七百架載有雷達的英國戰鬥機，擊敗兩千架來襲的德國轟炸機，改寫了歷史。二戰後，雷達開始有許多和平用途。

 

 

雷達的工作體制主要分為脈衝方式和連續波方式：

 

連續波（ContinuousWave:CW）雷達：指發射連續波信號，主要用來測量目標的速度。如需要同時測量目標的距離，則需要對發射信號進行調製，例如對連續波的正弦波信號進行周期性的頻率調製。而脈衝雷達發射的波形是矩形脈衝，按一定的或者交錯的重複周期工作。

 

現代脈衝雷達技術已經相當成熟，但是從原理上來講同時解決距離和速度測量的模糊問題是不可能的，這就需要採用多重複脈衝頻率（PRF）的方法來解決距離和速度模糊，因而不僅使系統的數據傳輸率下降，而且不利於信噪比（SNR）的提高。

 

我們知道雷達使用的是電磁波，電磁波這個媒介決定了微波雷達區別於超聲、聲吶等方式。電磁波是交變電磁場，在自由空間傳播，這個電磁場交變的頻率決定了雷達的基本屬性。平時用的無線電是低於300Mhz的頻段，主要是AM，FM廣播使用。而微波頻段是通信和雷達使用的主要頻段，這是個很寬的頻，有300Mhz--300GHz，毫米波是微波的一個子頻段。

 

 

毫米波這個波段頻率很高，但是這個頻段裡很多頻率區域的電磁波在空氣裡傳播很容易被水分子、氧氣吸收，所以可用的就是幾個典型的頻段，24、60、77、120GHz。當然24GHz很特別，他嚴格來講不是毫米波，因為它的波長在1cm左右。但是它是最早被利用的。現在各個國家把24GHz劃出來可以民用，77GHz劃分給了汽車防撞雷達，24Ghz也在汽車裡用得最早，關於車載雷達原理，後面還會重點介紹。

 

同釐米波導引頭相比，毫米波導引頭具有體積小、質量輕和空間解析度高的特點。與紅外、雷射、電視等光學導引頭相比，毫米波導引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強，具有全天候(大雨天除外)全天時的特點。毫米波雷達可以全天候工作，不受天氣狀況的影響，而惡劣的氣候環境正是導致交通事故的主要原因之一。與光波相比，它們利用大氣窗口（毫米波與亞毫米波在大氣中傳播時，由於氣體分子諧振吸收所致的某些衰減為極小值的頻率）傳播時的衰減小，受自然光和熱輻射源影響小。

 

毫米波在雷達中應用也會受到限制：雨、霧和溼雪等高潮溼環境的衰減，以及大功率器件和插損的影響會降低毫米波雷達的探測距離；樹叢穿透能力差，相比微波，對密樹叢穿透力低。

 

 

把雷達與毫米波融合，就形成了一個神通廣大的器件——毫米波雷達。

 

所謂的毫米波雷達，就是指工作頻段在毫米波頻段的雷達，測距原理跟一般雷達一樣，把無線電波(雷達波)發出去，然後接收回波，根據收發之間的時間差測得目標的位置數據。

 

它和大多數微波雷達一樣，有波束的概念，發射出去的電磁波是一個錐狀的波束，而不像雷射是一條線。這是因為這個波段的天線，主要以電磁輻射，而不是光粒子發射為主要方法。這一點，雷達和超聲是一樣，這個波束的方式，導致它優缺點。

 

優點：可靠，因為反射面大；

缺點：分辨力不高。

 

毫米波雷達三大用處：對目標進行測距、測速以及方位測量。

 

測距：（TOF）通過給目標連續發送光脈衝，然後用傳感器接收從物體返回的光，通過探測光脈衝的飛行（往返）時間來得到目標物距離。

 

測速：根據都卜勒效應，通過計算返回接收天線的雷達波的頻率變化就可以得到目標相對於雷達的運動速度，簡單地說就是相對速度正比於頻率變化量。

 

測方位角：通過並列的接收天線收到同一目標反射的雷達波的相位差計算得到目標的方位角；

 

毫米波雷達測速和普通雷達一樣，都是基於都卜勒效應(Dopler Effect)原理。當聲音，光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度相對運動時，觀測者所收到的振動頻率與振動源所發出的頻率有所不同。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機頻率；反之，當目標遠離天線而去時，反射信號頻率將低於發射機頻率。由都卜勒效應所形成的頻率變化叫做都卜勒頻移，它與相對速度成正比，與振動頻率成反比。

 

所以，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。同時用頻率過濾方法檢測目標的都卜勒頻率譜線，濾除幹擾雜波的譜線，可使雷達從強雜波中分辨出目標信號。所以脈衝都卜勒雷達比普通雷達的抗雜波幹擾能力強，能探測出隱蔽在背景中的活動目標。

 

以前人們常說的超聲波雷達、紅外雷達，甚至是如今的雷射雷達都是通過對回波的檢測，與發射信號相比較，得到脈衝或相位的差值，從而計算出發射與接收信號的時間差。再分別對應於超聲波、紅外線、雷射在空氣中的傳播速度，計算出與障礙物的距離與相對速度。毫米波雷達與光學和紅外線雷達相比不受目標物體形狀顏色的幹擾，與超聲波相比不受大氣紊流的影響，因而具有穩定的探測性能；環境適應性好。受天氣和外界環境的變化的影響小，雨雪，灰塵，陽光都對其沒有幹擾；都卜勒頻移大，測量相對速度的精度提高。

 

總結一下它的特性：

 

1、頻帶極寬，在目前所利用的35G、94G這兩個大氣窗口中可利用帶寬分別為16G和23G，適用與各種寬帶信號處理;

 

2、可以在小的天線孔徑下得到窄波束，方向性好，有極高的空間分辨力，跟蹤精度高;

 

3、有較高的都卜勒帶寬，都卜勒效應明顯，具有良好的都卜勒分辨力，測速精度較高;

 

4、地面雜波和多徑效應影響小，跟蹤性能好;

 

5、毫米波散射特性對目標形狀的細節敏感，因而，可提高多目標分辨和對目標識別的能力與成像質量;

 

6、由於毫米波雷達以窄波束髮射，具有低被截獲性能，抗電子幹擾性能好;

 

7、毫米波雷達具有一定的反隱身功能。

 

8、毫米波具有穿透煙、灰塵和霧的能力，可全天候工作。

 

這裡簡單提一下超聲波雷達，在我們倒車時候使用的就是超聲波雷達，俗稱倒車雷達。在倒車時，超聲波倒車雷採用超聲波測距原理探測汽車尾部離障礙物的距離,是汽車泊車輔助裝置。

 

原理是這樣：

 

超聲波發射器向外面某一個方向發射出超聲波信號，在發射超聲波時刻的同時開始進行計時，超聲波通過空氣進行傳播，傳播途中遇到障礙物就會立即返射傳播回來，超聲波接收器在收到反射波的時刻就立即停止計時。在空氣中超聲波的傳播速度是340m/s，計時器通過記錄時間t，就可以測算出從發射點到障礙物之間的距離長度（s），即：s＝340t/2。

 

 

超聲波的能量消耗較緩慢，在介質中傳播的距離比較遠，穿透性強，測距的方法簡單，成本低。

但是它在速度很高情況下測量距離有一定的局限性，這是因為超聲波的傳輸速度容易受天氣情況的影響，在不同的天氣情況下，超聲波的傳輸速度不同，而且傳播速度較慢，當汽車高速行駛時，使用超聲波測距無法跟上汽車的車距實時變化，誤差較大。另一方面，超聲波散射角大，方向性較差，在測量較遠距離的目標時，其回波信號會比較的弱，影響測量精度。但是，在短距離測量中，超聲波測距傳感器具有非常大的優勢。

 

現在大多數都配置有倒車雷達。

 

回到毫米波上，如果將它融合在汽車裡會有什麼幫助？我們先對車載雷達有個直觀地認識：

對於車輛安全來說，最主要的判斷依據是兩車之間的相對距離和相對速度信息。高速行駛中的車輛如果距離過近，則容易造成追尾事故。因此，常用的防撞系統都將對車輛之間的相對距離的測量作為主要的檢測任務。

 

 

目前汽車領域主要有三種毫米波雷達：短距的sRR、中距的MRR和長距的LRR。

 

SRR目前價格大約45-60美元一隻，MRR大約45美元，LRR大約80-90美元。車載雷達的頻率主要分為24GHz頻段和77GHz頻段，其中77gHz頻段代表著未來的趨勢:這是國際電信聯盟專門劃分給車用雷達的頻段。嚴格來說77GHz的雷達才屬於毫米波雷達，但是實際上24GHz的雷達也被稱為毫米波雷達長距離與中距離毫米波雷達都是77GHz，短距離是24GHz。其中，77GHz 毫米波雷達主要用在車的正前方，用於對中遠距離物體的探測，24GHz 毫米波雷達一般被安裝在車側方和後方，用於盲點檢測，輔助停車系統等。

 

各個國家對車載毫米波雷達分配的頻段各有不同，但主要集中在24GHz和77GHz，少數國家（如日本）採用60GHz頻段。由於77G相對於24G的諸多優勢，未來全球車載毫米波雷達的頻段會趨同於77GHz頻段（76-81GHz）。

 

 

 

車載毫米波雷達工作原理是這樣的：

 

雷達通過天線向外發射毫米波，接收目標反射信號，經後方處理快速準確地獲取汽車周圍的物理環境信息(如汽車與其他物體之間的相對距離、相對速度、角度、運動方向等)，然後根據所探知的物體信息進行目標追蹤和識別分類，進而結合車身動態信息進行數據融合，最終通過ECU進行智能處理。經合理決策後，以聲、光及觸覺等多種方式告知或警告駕駛員，或及時對汽車做出主動幹預，從而保證駕駛過程的安全性和舒適性，減少事故發生機率。

 

在汽車主動安全領域，汽車毫米波雷達傳感器是核心部件之一，其中77GHZ毫米波雷達是智能汽車上必不可少的關鍵部件，它能夠在全天候場景下快速感知0-200米範圍內周邊環境物體距離、速度、方位角等信息的傳感器件。

 

 

車載毫米波雷達最常見的三種用途是：

 

1. ACC（自適應巡航）

2. BSD&LCA（盲點監測和變道輔助）

3. AEB（自動緊急制動，通常配合攝像頭進行數據融合）

 

根據輻射電磁波方式不同，毫米波雷達主要有脈衝體制以及連續波體制兩種工作體制。其中連續波又可以分為FSK（頻移鍵控）、PSK（相移鍵控）、CW（恆頻連續波）、FMCW（調頻連續波）等方式。

 

 

1.高解析度

 

高解析度一直是毫米波雷達的技術指標，這裡有兩條技術路線：

 

在2017年，德州儀器推出了號稱全球精度最高單晶片毫米波雷達傳感器，也就是工作與76-81GHz的AWR1x和WR1x收發器，然後基於這兩片收發器推出了數個76-81GHz毫米波雷達前端，包括AWR124、AWR1443、AWR1642。

 

MIMO： 

MIMO雷達基本含義：雷達採用多個發射天線，同時發射相互正交的信號，對目標進行照射，再用多個接受天線接收目標回波信號並進行綜合處理，提取目標空間位置，運動狀態等信息。

 

CMOS RF工藝 ：

毫米波雷達最突出的優勢是價格低廉，即便是和視覺系統相比價格也不高。同時毫米波雷達是主動型器件，而視覺系統是被動型器件，主動型器件有比較廣闊的挖掘潛力，而被動型器件CMOS圖像傳感器自問世以來，整體結構未有變化。而收發器從Sige轉換為矽基CMOS後，性價比進一步提升。

 

 

從國外主要毫米波雷達供應商的產品技術參數來看，各公司在毫米波雷達發展上各有不同。博世的毫米波雷達產品主要以76-77GHz為主，產品技術先進，主要包括MRR(中距離)和LRR(遠距離)兩個系列，其中LLR4產品最大探測距離可以達到250米，在同類產品中處於領先位置

 

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