无人驾驶｜毫米波雷达

毫米波雷达在汽车领域的应用其实已经多年，最初加入汽车传感器当中主要是为了实现盲点监测和定距巡航，而随着技术的发展这两个特性也渐渐从高端车型普及到了几乎所有车型。而随着自动驾驶以及ADAS对于行驶环境高精度感知的需求，毫米波雷达凭借多种优势在其中发挥了重要的作用。

什么是毫米波雷达

什么是毫米波雷达毫米波是指波长介于1-10mm的电磁波，波长短、频段宽，比较容易实现窄波束，雷达分辨率高，不易受干扰。毫米波雷达是测量被测物体相对距离、现对速度、方位的高精度传感器，早期被应用于军事领域，随着雷达技术的发展与进步，毫米波雷达传感器开始应用于汽车电子、无人机、智能交通等多个领域。

目前各个国家对车载毫米波雷达分配的频段各有不同，但主要集中在24GHz和77GHz，少数国家（如日本）采用60GHz频段。由于77G相对于24G的诸多优势，未来全球车载毫米波雷达的频段会趋同于77GHz频段（76-81GHz）。

车载毫米波雷达原理

车载毫米波雷达通过天线向外发射毫米波，接收目标反射信号，经后方处理后快速准确地获取汽车车身周围的物理环境信息（如汽车与其他物体之间的相对距离、相对速度、角度、运动方向等），然后根据所探知的物体信息进行目标追踪和识别分类，进而结合车身动态信息进行数据融合，最终通过中央处理单元（ECU）进行智能处理。经合理决策后，以声、光及触觉等多种方式告知或警告驾驶员，或及时对汽车做出主动干预，从而保证驾驶过程的安全性和舒适性，减少事故发生几率。

根据辐射电磁波方式不同，毫米波雷达主要有脉冲体制以及连续波体制两种工作体制。其中连续波又可以分为FSK（频移键控）、PSK（相移键控）、CW（恒频连续波）、FMCW（调频连续波）等方式。

由于可测量多个目标、分辨率较高、信号处理复杂度低、成本低廉、技术成熟，FWCW雷达成为最常用的车载毫米波雷达，德尔福、电装、博世等Tier1供应商均采用FMCW调制方式。

FMCW雷达系统主要包括收发天线、射频前端、调制信号、信号处理模块等。毫米波雷达通过接收信号和发射信号的相关处理实现对目标的探测距离、方位、相对速度。

发展现状

目前，毫米波雷达主要为24GHz和77GHz。

24GHz的雷达测量距离较短（5～30m），主要应用于汽车后方；77GHz的雷达测量距离较长（30～70m），主要应用于汽车前方和两侧。毫米波雷达主要包括雷达射频前端、信号处理系统、后端算法三部分。在现有的产品中，雷达后端算法的专利授权费用约占成本的50%，射频前端约占成本的40%，信号处理系统约占成本的10%。

• 射频前端

射频前端通过发射和接收毫米波，得到中频信号，从中提取距离、速度等信息。因此，射频前端直接决定了雷达系统的性能。当前毫米波雷达射频前端主要为平面集成电路，有混合微波集成电路（HMIC）和单片微波集成电路（MMIC）两种形式。其中，MMIC形式的射频前端成本低，成品率高，适合于大规模生产。在生产工艺上，一般采用的是外延MESFET、HEMT和HBT等器件工艺。其中，GaAs基的HEMT工艺最为成熟，具有优秀的噪声性能。

• 信号处理系统

信号处理系统也是雷达重要的组成部分，通过嵌入不同的信号处理算法，提取从射频前端采集得到的中频信号，获得特定类型的目标信息。信号处理系统一般以DSP为核心，实现复杂的数字信号处理算法，满足雷达的实时性需求。

• 后端算法

后端算法占整个毫米波雷达成本的比例最高。针对毫米波雷达，国内研究人员从频域、时域、时频分析多个角度提出了大量的算法，离线实验的精度也较高。但是，国内的雷达产品主要采用基于频域的快速傅里叶变换及其改进算法进行分析，测量精度和适用范围有一定局限性而国外算法受专利严格保护，价格非常昂贵。

优势

毫米波雷达具有波长短、频带宽(频率范围大)，穿透能力强的特点，这些特点形成了毫米波雷达的优势：

1. 穿透能力强，不受天气影响。大气对雷达波段的传播具有衰减作用，毫米波雷达无论在洁净空气中还是在雨雾、烟尘、污染中的衰减都弱于红外线、微波等，具有更强的穿透能力。毫米波雷达波束窄、频带宽、分辨率高，在大气窗口频段不受白天和黑夜的影响具有全天候的特点。

2. 体积小巧紧凑，识别精度较高。毫米波波长短，天线口径小，元器件尺寸小，这使得毫米波雷达系统体积小重量轻，容易安装在汽车上。对于相同的物体，毫米波雷达的截面积大、灵敏度较高，可探测和定位小目标。

3. 可实现远距离感知与探测。毫米波雷达分为远距离雷达(LRR)和近距离雷达(SRR)，由于毫米波在大气中衰减弱，所以可以探测感知到更远的距离，其中远距离雷达可以实现超过200m的感知与探测。

毫米波雷达的多项优势，其目前在汽车防撞传感器中占比较大，根据IHS的数据，毫米波/微波雷达+摄像头在汽车防撞传感器中占比达到了70%。

与无人驾驶车辆的关系

通常，车辆的驾驶员都是拥有驾驶证的人，其可以通过眼睛与耳朵对外界环境做出判断，从而驾驶车辆前进、转弯、躲避障碍。而无人驾驶车辆的驾驶员却从人变成了机器，所以相应的，获取外部信息的设备也就从眼睛与耳朵替换成了雷达。无人车通过搭载在其上的雷达设备获取外界信息，经过分析后做出对相应事件的回应。

在实际情况中，雷达的表现又如何呢?以通用Cruise无人车为例。通用Cruise使用了5个激光雷达和21个毫米波雷达，分别安置在车身的四周。21个毫米波雷达中有12个是由日本ALPS提供的79GHz雷达，4个ARS-408雷达两两安置在车身的前后，5个高分辨率雷达安装在前后左右四个方向，其分辨率可达到4厘米。

12个79GHz毫米波雷达采用级联方式工作，即某个对象执行操作时判断被关联对象是否同步执行操作，这种工作方式可以让无人驾驶车辆清楚地感知到周围360°的信息，还可以同时跟踪上千个目标，这就极大地提高了无人驾驶车辆应对突发事件的能力。这12个79GHz毫米波雷达构成了冗余系统，尽管会提高制造成本并且使得系统看起来稍显臃肿，但和其带来的安全性能提升得利益一比也就显得微不足道了。

诸多雷达构成的系统可以时时更新无人驾驶车辆周边的地图。因此，在某种程度上，无人驾驶车辆要显得比人驾驶的车辆更安全。再老道的司机也不可能做到能够时刻关注前后左右各个方位的路况，但机器驾驶员则可以无差别的对四面八方的情况做出冷静的判断并作出最优解。

市场概况及未来发展前景

• 毫米波雷达可以实现自动驾驶多种功能

ADAS采用的传感器主要有摄像头、毫米波雷达、激光、超声波、红外等。毫米波雷达传输距离远，在传输窗口内大气衰减和损耗低，穿透性强，可以满足车辆对全天气候的适应性的要求，并且毫米波本身的特性，决定了毫米波雷达传感器器件尺寸小、重量轻等特性。很好的弥补了摄像头、激光、超声波、红外等其他传感器，在车载应用中所不具备的使用场景。

把毫米波雷达安装在汽车上，可以测量从雷达到被测物体之间的距离、角度和相对速度等。利用毫米波雷达可以实现自适应巡航控制（AdaptiveCruiseControl），前向防撞报警（ForwardCollisionWarning），盲点检测（BlindSpotDetection），辅助停车（Parkingaid），辅助变道（Lanechangeassistant），自主巡航控制（ACC）等高级驾驶辅助系统（ADAS）功能。比较常见的汽车毫米波雷达工作频率在24GHz和77GH附近。24GHz雷达系统主要实现近距离探测（SRR），而77GHz系统主要实现远距离的探测（LRR）。

• 毫米波雷达市场空间广阔

由于各国汽车安全标准的不断提高，导致主动安全技术高级驾驶辅助系统（ADAS）近年来呈快速发展趋势。汽车毫米波雷达因为能够全天候工作，已成为汽车电子厂商公认的主流选择，拥有巨大的市场需求。2014年全球汽车毫米波雷达市场出货量在1900万个，据市场研究机构PlunkeetResearch预测，预计到2020年全球汽车毫米波雷达将近7000万个，2015-2020年的年均复合增速约为24%。目前汽车毫米波雷达市场主要被大陆、博世、天合、海拉等欧美厂商占据。

目前汽车毫米波雷达处于高速发展中，一般支持ADAS功能的汽车会使用2或3个毫米波雷达，全新奥迪A4使用5个毫米波雷达，奔驰的S级汽车采用7个毫米波雷达，预计未来单车采用毫米波雷达的平均数量将继续增长，对于汽车雷达PCB的需求也将快速增长。

由于毫米波发送和接收信号的频率为24GHz和77GHz，并且雷达PCB高频电路包括时钟、信号调制、功放、滤波器、天线等部分，对PCB板材和制造工艺都有较高的要求。因此，汽车雷达PCB会带来更高的价值量。以占全球高频PCB市场30%的Schweizer为例，ElectronicAG的高频PCB通常需要PTFE填充陶瓷和玻璃材料才可以满足高于77GHz的设计需求。