毫米波雷達的工作原理及發展趨勢
2020-11-22 電子發燒友要說這幾年的熱詞，自動駕駛是當仁不讓的幾個top之一。不說特斯拉總裁馬斯克頻頻上熱搜了，就國內而言，網際網路企業跨行做汽車也不少見。核心裝備的雷射雷達當然是備受關注。與非網小編在前段時間為大家介紹過，感興趣的可以看這裡。今天，我們不講雷射雷達，要跟大家說一說毫米波雷達。為什麼要講這個？主要是當前雷射雷達這麼火，但主流的自動駕駛方案卻並未完全拋棄毫米波雷達，今天就是來探索一下其中的緣由。
毫米波雷達
作為ADAS不可或缺的核心傳感器類型，毫米波雷達在汽車領域其實已經有多年應用。汽車引入毫米波雷達最初主要是為了實現盲點監測和定距巡航，而隨著技術的發展這兩個特性也漸漸從高端車專用普及到了幾乎所有車型。毫米波實質上就是電磁波。毫米波的頻段比較特殊，其頻率高於無線電，低於可見光和紅外線，頻率大致範圍是10GHZ-200GHZ。
測距原理跟一般雷達一樣，即把無線電波發出去，然後接收回波，利用障礙物反射波的時間差確定障礙物距離，利用反射波的頻率偏移確定相對速度。
為什麼毫米波雷達沒有被拋棄
首先就是大家都知道的天氣原因，雷射的波長遠小於毫米波雷達，所以霧霾，雨雪等極端天氣導致雷射雷達性能會大打折扣，由於毫米波導引頭穿透霧，煙，灰塵的能力強，所以相比於雷射雷達是一大優勢。相比起雷射雷達，毫米波雷達的探測距離可以輕鬆超過200米，而雷射雷達一般不到150米。在高速行駛的場景裡，毫米波雷達更適合。
其次，由於雷射雷達在收發器和組裝工藝要求高，所以成本比較難降下來。而毫米波雷達因為它是矽基的晶片，沒有特別昂貴和複雜的工藝，所以毫米波雷達成本更具優勢。毫米波雷達目前的價格大概在1.5千左右，而雷射雷達的價格目前仍然是以萬作為單位計算的。並且由於雷射雷達獲取的數據量遠超毫米波雷達，所以需要更高性能的處理器處理數據，更高性能的處理器同時也意味著更高的價格。所以對於工程師而言，在簡單場景中，毫米波雷達仍然是最優選擇。
毫米波雷達晶片發展趨勢
目前汽車領域的毫米波雷達主要基於FMCW技術，即發射出調頻毫米波信號，並根據首發毫米波之間的頻率差來確定目標的位置以及相對速度。FMCW雷達關注的指標主要是目標區分度和測量解析度，其中目標區分度指的是雷達能分辨的兩個物體之間的最小距離（如果兩個物體之間的距離小於該最小距離則會被雷達認為是一個物體），而測量解析度則是絕對距離的測量精確度。
我們看到的毫米波雷達的第一個趨勢就是從24GHz頻段演進到77GHz頻段。目前，比較常見的車載領域的毫米波雷達頻段有三類，分別是：
24GHz
24GHz這個頻段，目前大量應用於汽車的盲點監測、變道輔助。雷達安裝在車輛的後保險槓內，用於監測車輛後方兩側的車道是否有車、可否進行變道。
77GHz
77GHz這個頻段的頻率比較高，國際上允許的帶寬高達800MHz。這個頻段的雷達性能要好於24GHz的雷達，所以主要用來裝配在車輛的前保險槓上，探測與前車的距離以及前車的速度，實現的主要是緊急制動、自動跟車等主動安全領域的功能。
79GHz
最後是79GHz，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解析度，可以達到5cm。這個解析度在自動駕駛領域非常有價值，因為自動駕駛汽車要區分行人等諸多精細物體，對帶寬的要求很高，這個頻段在未來的自動駕駛領域會有很廣泛的應用。
根據美國FCC和歐洲ESTI的規劃，24GHz的寬頻段（21.65-26.65GHz）將在2022年過期，在之後汽車在24GHz能用的僅剩下24.05-24.25GHz範圍的窄帶頻譜。反之，在77GHz頻段，汽車雷達將能使用77-81GHz高達4GHz的帶寬。對於FMCW雷達來說，頻率掃描帶寬決定了目標區分度和測量解析度，因此77GHz的FMCW雷達對於24GHz來說目標區分度和測量解析度都有十多倍的提升。
第二個毫米波雷達晶片的重要趨勢是CMOS工藝成為主流。毫米波電路傳統的實現工藝是GaAs等III-V族工藝，但是III-V族工藝的成本過高，同時集成度低無法在晶片上集成數字模塊，因此SiGe這樣的工藝得到了不少應用。而隨著CMOS工藝的特徵尺寸不斷縮小，在28nm節點之後CMOS工藝已經能基本勝任毫米波雷達的波段，因此毫米波雷達也就自然而然轉向CMOS工藝。
第三個重要方向是毫米波雷達也在走向高解析度。這裡的解析度不僅僅是目標測距的解析度，更是指毫米波雷達的空間解析度。盲點監測等傳統汽車毫米波雷達應用只需要雷達監測在視野的一定距離中是否有物體即可，至於該物體是位於視野中的哪一個位置則並不關心。
自動駕駛是大勢所趨，而雷射雷達作為核心的部件，降低成本勢在必行，毫米波雷達從最早的十萬美元，降低到如今的100美元左右也用了十多年的時間。
雷射雷達目前還有一個非常重要的技術是固態雷射雷達，它實際上與傳統雷達、毫米波雷達是一脈相承的，固態雷射雷達實質上就是調整每個發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，器件的實現難度要比對光的頻段上進行相位的改變的難度低很多。未來，固態雷射雷達與毫米波雷達相結合或許是個不錯的選擇。
總結：毫米波雷達是很難被取代的傳感器，雖有不足之處，但全天候的工作狀態是最大優勢。其測速、測距的精度要遠高於視覺傳感器，與雷射雷達相比，穿透力會更好。但是整體來講，這並不衝突，因為未來會走向融合的趨勢，特別是針對自動駕駛駕駛，毋庸置疑三大傳感器會相互融合。
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