深入解讀毫米波雷達(dá)原理與應(yīng)用

當(dāng)前最火的行業(yè)當(dāng)屬新能源汽車，而新能源汽車一個(gè)最最最重要的特點(diǎn)就是——智能化，自動(dòng)駕駛，智能感知可以說是新能源汽車的一個(gè)大大的買點(diǎn)。就比如最新發(fā)布的小米Su7，理想L6和問界M5，智能化就是其最大的賣點(diǎn)，而智能化除了軟件的支持外，還有一個(gè)最重要的部件就是雷達(dá)，激光雷達(dá)，毫米波雷達(dá)，超聲波雷達(dá)都是新能源汽車智能感知的重要組成部分。

在問界M5智駕版的介紹中，就應(yīng)用到了1個(gè)高精度激光雷達(dá)，3個(gè)毫米波雷達(dá)和12個(gè)超聲波雷達(dá)組成。

（來自問界官網(wǎng)，HUAWEI ADS 2.0 高階智能駕駛系統(tǒng)，擁有 27 個(gè)感知硬件，由 1 個(gè)遠(yuǎn)距高精度激光雷達(dá) + 3 個(gè)毫米波雷達(dá) + 2 顆 800 萬像素高感知前視攝像頭 + 9 顆側(cè)視、環(huán)視、后視攝像頭 + 12 個(gè)超聲波雷達(dá)所組成，配合高性能計(jì)算平臺(tái) + 華為擬人化算法加持，一躍成為高階智能駕駛的新典范。）

那么什么是毫米波雷達(dá)？他究竟有哪些神奇之處？我們今天一起來學(xué)習(xí)一下。

No.1?

什么是雷達(dá)？

我們習(xí)慣了雷達(dá)這個(gè)詞，其實(shí)雷達(dá)是一個(gè)外來詞，一個(gè)音譯詞，來源于英語Radar，發(fā)音/?re?.dɑ?r/，而雷達(dá)也不是在英語中一開始就有的，它是一個(gè)首字母縮寫詞，全稱為 Radio Detection and Ranging，也就是無線電探測(cè)與測(cè)距。這也是雷達(dá)這個(gè)詞的基本意義，利用無線電來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和測(cè)量距離。

隨著技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)的應(yīng)用和功能早已超脫了探測(cè)和測(cè)距這個(gè)基本范圍，比如測(cè)速，測(cè)角，目標(biāo)識(shí)別，目標(biāo)成像，戰(zhàn)場(chǎng)偵察等等。但是只要用到電磁波來進(jìn)行探測(cè)的技術(shù)，我們依然稱為雷達(dá)。

所以雷達(dá)，它不姓雷，他姓Radio，也就是無線電波，應(yīng)用最為廣泛的電磁波頻段。

電磁波的頻譜如下，除了無線電波Radio之外還有紅外線，可見光，紫外線以及更高頻的x射線和伽瑪射線。

而無線電波中根據(jù)電磁波波長，又可分為長波，短波，米波，厘米波，毫米波以及亞毫米波，如下圖所示。

那么毫米波雷達(dá)，就是利用無線電波里的毫米波來進(jìn)行探測(cè)和測(cè)距的裝置，電磁波波長為10mm到1mm，對(duì)應(yīng)的頻率為30GHz到300GHz。除了毫米波雷達(dá)，還有厘米波雷達(dá)，以及米波雷達(dá)。

雷達(dá)的工作原理如下圖所示

發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的雷達(dá)信號(hào)經(jīng)由天線發(fā)射出去，目標(biāo)截獲并反射一部分雷達(dá)信號(hào)，有一部分反射信號(hào)被雷達(dá)接收機(jī)接收，雷達(dá)天線收集回波信號(hào)，經(jīng)接收機(jī)放大 和濾波處理后發(fā)送至信號(hào)處理機(jī)和數(shù)據(jù) 處理機(jī)進(jìn)行處理，最終輸入到顯示器上。

雷達(dá)按照不同的維度可以分為不同類別，比如按照電磁波信號(hào)類型可分為脈沖雷達(dá)，連續(xù)波CW雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)FMCW波雷達(dá)。

按照使用場(chǎng)景又可分為軍用雷達(dá)和民用雷達(dá)；

按照天線配置可分為單站雷達(dá)，雙基地雷達(dá)和電子掃描陣列雷達(dá)；

按照載波又可分為厘米波雷達(dá)，毫米波雷達(dá)，激光雷達(dá)，寬帶雷達(dá)等；

不同的雷達(dá)，其功能和應(yīng)用場(chǎng)景也不同。

No.2?

雷達(dá)的歷史

講到雷達(dá)，就不得不提電磁波的歷史。

這種看不到摸不著的東西，確實(shí)讓人們煞費(fèi)苦心，要不是天才科學(xué)家麥克斯韋的預(yù)言，我想，有可能現(xiàn)在我們還處于通信基本靠吼的時(shí)代。

磁的應(yīng)用比較早，我們的祖先黃帝就是用了磁鐵制造了司南，打敗了蚩尤；而典的認(rèn)知更多的是早期人們對(duì)閃電的恐懼；電和磁在奧斯特的實(shí)驗(yàn)中發(fā)生了第一次握手，而后在法拉第的電磁實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了更緊密的耦合，一直到天才物理學(xué)家麥克斯韋推導(dǎo)出了麥克斯韋方程組，電和磁才真正走到了一起，進(jìn)而推導(dǎo)出了電磁波的存在。

一直到1885年-1889年，赫茲通過一系列實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在，并成功測(cè)量了電磁波的波長和速度，電磁波才真真正正的走入人們的視野，也逐漸進(jìn)入人們的生活，直到今天，不可替代。

我們都知道回聲的原理，當(dāng)我們對(duì)著高大的建筑物或者大山大聲說話的時(shí)候，我們的聲波會(huì)被建筑物反射回來，形成回聲。利用回聲的時(shí)差，人們可以粗略的估算大山的距離。

所以，當(dāng)赫茲證實(shí)電磁波的存在之后，研究者最先用到的就是電磁波的反射波原理來測(cè)量距離。

1904年，德國工程師斯蒂安·胡爾斯邁爾（Christian Hülsmeyer）正是基于赫茲的原理，發(fā)明了障礙物探測(cè)器和船舶導(dǎo)航裝置，也就是最早的雷達(dá)，發(fā)明示意圖如下圖所示。

胡爾斯邁爾還建造了一座”雷達(dá)“，并公開演示了這個(gè)神奇的裝置，并且成功將電磁波信號(hào)發(fā)射到一艘正在靠近的船上，并且成功接收到了反射信號(hào)。

只可惜，那個(gè)時(shí)候還相對(duì)和平，沒有什么人對(duì)他的設(shè)備感興趣。

直到1927年，Hans E Hollmann 博士進(jìn)一步研究了該設(shè)備，并建造了第一個(gè)厘米波長的發(fā)射器和接收器，這就是第一個(gè)“微波”通信系統(tǒng)。漢斯-卡爾·馮·威爾森（Hans-Karl?von Willsen）與霍爾曼（Hollmann）和第三位科學(xué)家岡瑟·埃爾布斯洛（Gunther Erbsloeh）合作，完善了一種設(shè)備，可以探測(cè)到大約8公里外的船只和大約30公里外在500米高空飛行的飛機(jī)。海洋系統(tǒng)被稱為“Seetakt”，陸地系統(tǒng)被稱為“Freya”——這三個(gè)系統(tǒng)可以說是創(chuàng)造了我們最常與雷達(dá)聯(lián)系在一起的應(yīng)用——探測(cè)和評(píng)估物體的距離。

真正的雷達(dá)就誕生了，伴隨著第二次世界大戰(zhàn)，雷達(dá)的技術(shù)和應(yīng)用都得到了飛速的發(fā)展。

直到今天，最先進(jìn)的雷達(dá)技術(shù)仍然是服務(wù)于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要。

而隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，毫米波雷達(dá)也成為了民用最廣泛的一種雷達(dá)設(shè)備。

No.3

毫米波雷達(dá)的原理

毫米波雷達(dá)，就是利用毫米波來進(jìn)行探測(cè)的裝置，我們先來說一下毫米波的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

毫米波的工作波長在10mm到1mm之間，對(duì)應(yīng)的工作頻率為30GHz到300GHz，是處于微波和光波之間的一段電磁波頻譜，所以呢，毫米波雷達(dá)兼具微波和光波的雙重優(yōu)點(diǎn)，總結(jié)如下：

當(dāng)然也有其劣勢(shì)，比如雨、霧和濕雪等高潮濕環(huán)境的衰減，以及大功率器件和插損的影響降低了毫米波雷達(dá)的探測(cè)距離；樹叢穿透能力差，相比微波，對(duì)密樹叢穿透力低；元器件成本高，加工精度相對(duì)要求高，單片收發(fā)集成電路的開發(fā)相對(duì)遲緩。

取其有點(diǎn)，去其糟粕，毫米波雷達(dá)的應(yīng)用主要在：

所以呢，毫米波雷達(dá)在導(dǎo)彈制導(dǎo)，炮火控制，等軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，同樣配合激光雷達(dá)和攝像頭的應(yīng)用，毫米波雷達(dá)在智能汽車和自動(dòng)駕駛上也得到了廣泛的應(yīng)用。

毫米波雷達(dá)在智能汽車上的應(yīng)用，主要在測(cè)距，測(cè)速和測(cè)角三個(gè)方面。以 FMCW 雷達(dá)系統(tǒng)為例，其基本功能實(shí)現(xiàn)原理為：

FMCW雷達(dá)的信號(hào)的頻率隨時(shí)間線性上升，如下圖所示，這種類型的信號(hào)也稱為線性調(diào)頻脈沖。

下圖是FMCW信號(hào)的波形，振幅A和隨時(shí)間的變化。

如果以頻率作為時(shí)間的函數(shù)的話，其波形如下圖所示：

MCW 雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射線性調(diào)頻脈沖信號(hào)，并捕捉其發(fā)射路徑中的物體反射的信號(hào)。其發(fā)射頻率和接收頻率隨時(shí)間的函數(shù)如下圖所示

那么利用這個(gè)時(shí)間差，就能夠快速得到目標(biāo)的距離。

同樣道理，我們利用兩個(gè)FMCW信號(hào)就可以得到目標(biāo)的速度。

FMCW雷達(dá)利用水平面也可以估算反射信號(hào)的角度，如下圖所示，這個(gè)角度也叫做達(dá)到角（AoA）

當(dāng)然，對(duì)于移動(dòng)的物體，在計(jì)算中要考慮多普勒效應(yīng)。

No.4

車載毫米波雷達(dá)

車載毫米波雷達(dá)目前常用的工作頻率有24GHz、60GHz、77GHz、80GHz，頻率越高，波長越短，其精度也就越高。

在華為官網(wǎng)上有介紹一款A(yù)SN850毫米波感知雷達(dá)，工作頻率在80GHz，探測(cè)距離大于1000米，探測(cè)寬度可達(dá)到10車道，詳細(xì)的性能指標(biāo)如下圖所示。

像上文提到的測(cè)距，測(cè)速，測(cè)角這三種功能，在這款雷達(dá)上都具備，行業(yè)內(nèi)也稱這種類型的雷達(dá)為3D雷達(dá)，但是沒有高度信息，這個(gè)在智能駕駛中也會(huì)引起誤判，也是傳說中特斯拉當(dāng)初棄用毫米波雷達(dá)的原因之一。

不過隨著技術(shù)的發(fā)展，4D雷達(dá)開始顯露頭角，在傳統(tǒng)的測(cè)距，測(cè)速，測(cè)角的基礎(chǔ)上，加上了測(cè)高度的功能。

相比傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)僅能判斷出前方有障礙物，4D毫米波雷達(dá)增加了縱向天線及處理器，可以接收更多信息返回點(diǎn)，并像激光雷達(dá)一樣呈點(diǎn)云圖，能呈現(xiàn)出更多細(xì)節(jié)信息，探測(cè)出障礙物的形狀，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)雷達(dá)難以識(shí)別靜態(tài)障礙物的短板。

基于TI的AWR2243芯片的4D雷達(dá)城市道路交通參與者目標(biāo)分類與檢測(cè)研究，包括同濟(jì)大學(xué)測(cè)試場(chǎng)采集的目標(biāo)檢測(cè)與分類數(shù)據(jù)集可視化結(jié)果表明，4D雷達(dá)可以輸出有高度的目標(biāo)點(diǎn)云，反映目標(biāo)的輪廓外形。雖然與激光雷達(dá)點(diǎn)云成像原理不同，僅從毫米波雷達(dá)的點(diǎn)云還無法準(zhǔn)確判斷一個(gè)目標(biāo)額外形等特征，但是其點(diǎn)云的散射特征具備一定規(guī)律。

隨著4D成像雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，毫米波雷達(dá)在智能駕駛中的應(yīng)用也越來越廣泛。

審核編輯：黃飛

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