毫米波和激光技術(shù)在無人車領(lǐng)域中的應(yīng)用介紹

毫米波無疑是今年的一大熱點，一時間滲透入生活的方方面面，如毫米波雷達(dá)、毫米波通信等。當(dāng)前熱門的5G技術(shù)，同樣無法脫離毫米波而存在。但本文對毫米波的介紹主要聚焦于毫米波雷達(dá)，并向大家介紹毫米波雷達(dá)在無人車上的應(yīng)用。

毫米波、激光技術(shù)在無人車領(lǐng)域皆具有重要應(yīng)用，目前尤以毫米波相關(guān)技術(shù)更為火熱。無人車駕駛研發(fā)過程中，常以毫米波雷達(dá)作為無人駕駛傳感器之一。原因在于，毫米波傳感器相比較激光雷達(dá)以及攝像頭而言，測量距離較遠(yuǎn)，且在雨雪等惡劣天氣情形下還能維持穩(wěn)定工作。由此可見，毫米波技術(shù)在無人車領(lǐng)域內(nèi)所發(fā)揮的重要作用。這篇文章中，將向大家詳細(xì)介紹毫米波雷達(dá)的相關(guān)知識以及如何將毫米波運用在無人車當(dāng)中。

目前毫米波雷達(dá)技術(shù)主要由大陸、博世、電裝、奧托立夫、Denso、德爾福等傳統(tǒng)零部件巨頭所壟斷，特別是77GHz毫米波雷達(dá)，只有博世、大陸、德爾福、電裝、TRW、富士通天、Hitachi等公司掌握。2015年，博世及大陸汽車?yán)走_(dá)市場占有率均為22%，并列全球第一。

博世的長距離毫米波雷達(dá)產(chǎn)品是其核心產(chǎn)品，探測距離可以達(dá)到250米，是目前探測距離最遠(yuǎn)的長距離毫米波雷達(dá)，主要用在自巡航控制系統(tǒng)ACC中。大陸較為全面，其主力產(chǎn)品則為24GHz毫米波雷達(dá)。Hella則是以24GHz雷達(dá)為其核心，客戶范圍最廣，24GHz領(lǐng)域市場占有率全球第一。

在毫米波雷達(dá)的頻率選擇上，各個國家主要有三種波段——24GHz、60 GHz、77 GHz，而目前正在向77GHz靠攏。歐洲和美國選擇的是對77GHz的集中研究，而日本則選用了60GHz的頻段，隨著世界范圍77G Hz毫米波雷達(dá)的廣泛應(yīng)用，日本也逐漸轉(zhuǎn)入了77GHz毫米波雷達(dá)的開發(fā)。

目前毫米波雷達(dá)主要是以24GHz SRR(Short Range Radar)系統(tǒng)+77GHz LRR(Long Range Radar)系統(tǒng)的形式出現(xiàn)，24GHz毫米波雷達(dá)主要負(fù)責(zé)短距離探測，而77GHz毫米波雷達(dá)主要負(fù)責(zé)遠(yuǎn)距離探測。

1、77GHz雷達(dá)相對于24GHz雷達(dá)體積更小。77GHz雷達(dá)波長不到24GHz的三分之一，所以收發(fā)天線面積大幅減小，整個雷達(dá)的尺寸有效下降，對于追求小型化非常有利。

2、77GHz雷達(dá)可以同時滿足高傳輸功率和寬工作帶寬，同時滿足這兩點使得其可以同時做到長距離探測和高距離分辨率。

3、77GHz雷達(dá)在天線、射頻電路、芯片等的設(shè)計和制造難度更大，技術(shù)成熟度較低，目前成本更高。

另外， ITU在2015年將79GHz劃歸為汽車安全領(lǐng)域應(yīng)用，此頻段可檢測行人并可針對多個目標(biāo)，未來可能替代24GHz成為短距離雷達(dá)，被廣泛應(yīng)用。

毫米波雷達(dá)具有波長短、頻帶寬(頻率范圍大)，穿透能力強(qiáng)的特點，這些特點形成了毫米波雷達(dá)的優(yōu)勢：

1、穿透能力強(qiáng)，不受天氣影響。大氣對雷達(dá)波段的傳播具有衰減作用，毫米波雷達(dá)無論在潔凈空氣中還是在雨霧、煙塵、污染中的衰減都弱于紅外線、微波等，具有更強(qiáng)的穿透能力。毫米波雷達(dá)波束窄、頻帶寬、分辨率高，在大氣窗口頻段不受白天和黑夜的影響具有全天候的特點。

2、體積小巧緊湊，識別精度較高。毫米波波長短，天線口徑小，元器件尺寸小，這使得毫米波雷達(dá)系統(tǒng)體積小重量輕，容易安裝在汽車上。對于相同的物體，毫米波雷達(dá)的截面積大、靈敏度較高，可探測和定位小目標(biāo)。

3、可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離感知與探測。毫米波雷達(dá)分為遠(yuǎn)距離雷達(dá)(LRR)和近距離雷達(dá)(SRR)，由于毫米波在大氣中衰減弱，所以可以探測感知到更遠(yuǎn)的距離，其中遠(yuǎn)距離雷達(dá)可以實現(xiàn)超過200m的感知與探測。

毫米波雷達(dá)的多項優(yōu)勢，其目前在汽車防撞傳感器中占比較大，根據(jù)IHS的數(shù)據(jù)，毫米波/微波雷達(dá)+攝像頭在汽車防撞傳感器中占比達(dá)到了70%。

國際巨頭在毫米波雷達(dá)領(lǐng)域研究歷史久，技術(shù)積累深厚，在全球市場占據(jù)支配地位。車載毫米波雷達(dá)的研究主要在以德國、美國及日本為代表的一些發(fā)達(dá)國家內(nèi)展開。目前，毫米波雷達(dá)的技術(shù)主要由博世、大陸、電裝、奧托立夫、德爾福等傳統(tǒng)零部件巨頭所壟斷。下圖所示為部分國外廠商關(guān)于毫米波雷達(dá)的相關(guān)情況。

對于人類及其他生物而言，眼睛與耳朵是獲取外界環(huán)境信息不可或缺的設(shè)備。然而無人駕駛車輛要依靠機(jī)器來獲取外界信息，因此其相關(guān)設(shè)備也就替換成了雷達(dá)。信息傳播的載體也因此從光變成了無線電波。然而無論是光還是無線電波其本質(zhì)都是電磁波，其在真空中的傳播速度相同。

盡管雷達(dá)的結(jié)構(gòu)與種類不盡相同，但其基本形式是一致的，即都具備發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、接收機(jī)、接收天線，處理部分以及顯示器。

工作時，首先通過發(fā)射機(jī)搭載的天線將電波向某個方向發(fā)射，電波在傳播過程中如果遇到障礙物會發(fā)生反射，而天線接受到此反射波后會交給接收設(shè)備進(jìn)行處理，進(jìn)而獲取障礙物的相關(guān)信息，如通過多普勒效應(yīng)計算障礙物的速度，通過發(fā)射與接受之間的時間差計算與障礙物之間的距離等。

通常，車輛的駕駛員都是擁有駕駛證的人，其可以通過眼睛與耳朵對外界環(huán)境做出判斷，從而駕駛車輛前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、躲避障礙。而無人駕駛車輛的駕駛員卻從人變成了機(jī)器，所以相應(yīng)的，獲取外部信息的設(shè)備也就從眼睛與耳朵替換成了雷達(dá)。無人車通過搭載在其上的雷達(dá)設(shè)備獲取外界信息，經(jīng)過分析后做出對相應(yīng)事件的回應(yīng)。

在實際情況中，雷達(dá)的表現(xiàn)又如何呢?以通用Cruise無人車為例。通用Cruise使用了5個激光雷達(dá)和21個毫米波雷達(dá)，分別安置在車身的四周。21個毫米波雷達(dá)中有12個是由日本ALPS提供的79GHz雷達(dá)，4個ARS-408雷達(dá)兩兩安置在車身的前后，5個高分辨率雷達(dá)安裝在前后左右四個方向，其分辨率可達(dá)到4厘米。

12個79GHz毫米波雷達(dá)采用級聯(lián)方式工作，即某個對象執(zhí)行操作時判斷被關(guān)聯(lián)對象是否同步執(zhí)行操作，這種工作方式可以讓無人駕駛車輛清楚地感知到周圍360°的信息，還可以同時跟蹤上千個目標(biāo)，這就極大地提高了無人駕駛車輛應(yīng)對突發(fā)事件的能力。這12個79GHz毫米波雷達(dá)構(gòu)成了冗余系統(tǒng)，盡管會提高制造成本并且使得系統(tǒng)看起來稍顯臃腫，但和其帶來的安全性能提升得利益一比也就顯得微不足道了。

諸多雷達(dá)構(gòu)成的系統(tǒng)可以時時更新無人駕駛車輛周邊的地圖。因此，在某種程度上，無人駕駛車輛要顯得比人駕駛的車輛更安全。再老道的司機(jī)也不可能做到能夠時刻關(guān)注前后左右各個方位的路況，但機(jī)器駕駛員則可以無差別的對四面八方的情況做出冷靜的判斷并作出最優(yōu)解。