自動駕駛汽車技術(shù) | 車載雷達(dá)系統(tǒng)

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1、摘要

自動駕駛汽車傳感器系統(tǒng)一般包括4種雷達(dá)：激光雷達(dá)(Lidar)、毫米波雷達(dá)(mmWave Radar)、超聲波雷達(dá)(Ultrasonic Radar)和紅外雷達(dá)(Infrared Radar)。目前激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)是基本和必要的車載傳感器設(shè)備，而超聲波雷達(dá)和紅外雷達(dá)則可以根據(jù)情況選擇，但未來可能會發(fā)生改變。

表1車載雷達(dá)和攝像頭的優(yōu)缺點比較

表2 車載雷達(dá)與攝像頭的工作能力比較

2、激光雷達(dá)

2.1 激光雷達(dá)的技術(shù)原理

激光雷達(dá)技術(shù)最早出現(xiàn)于1960 年代，最初被宇航員用來繪制月球表面或被考古學(xué)家用來繪制地圖，最近，激光雷達(dá)的應(yīng)用持續(xù)增加。從21世紀(jì)初開始，激光雷達(dá)一直應(yīng)用于自動駕駛領(lǐng)域，并成為ADAS的核心技術(shù)之一，適用于自適應(yīng)巡航控制（ACC）、前方碰撞警告（FCW）和自動緊急制動（AEB）。ADAS中使用的傳感器和激光雷達(dá)如圖2.1所示。

圖2.1ADAS傳感器系統(tǒng)及車載激光雷達(dá)

激光雷達(dá)（光探測和測距）是一種通過發(fā)射激光束來檢測目標(biāo)的位置、速度和其他特性的雷達(dá)系統(tǒng)，是集成了激光、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）技術(shù)的系統(tǒng)，用于獲取數(shù)據(jù)并生成精確的地面數(shù)字高程模型（DEM）。激光雷達(dá)的組件如圖2.2所示。

圖2.2 激光雷達(dá)組件

激光雷達(dá)的基本工作原理是：將檢測信號（激光束）傳輸?shù)侥繕?biāo)，然后將目標(biāo)反射的接收信號（目標(biāo)回波）與發(fā)射信號進(jìn)行比較，經(jīng)過適當(dāng)處理后，可以獲得目標(biāo)的相關(guān)信息，如目標(biāo)的距離、方位角、高度、速度、姿態(tài)、均勻形狀等參數(shù)，可用于探測、跟蹤和識別包括飛機和導(dǎo)彈在內(nèi)的目標(biāo)。傳感器每秒發(fā)射數(shù)萬或數(shù)十萬個激光脈沖，當(dāng)發(fā)出光脈沖時，計時器啟動，當(dāng)光脈沖（從第一個人/物體反射）返回時，計時器停止，通過測量光脈沖的飛行時間（TOF），計算傳感器與人/物體之間的距離。

激光雷達(dá)由激光發(fā)射器、光接收機、轉(zhuǎn)盤和信息處理系統(tǒng)組成。激光將電脈沖轉(zhuǎn)換為光脈沖，光接收器將從目標(biāo)反射的光脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖，發(fā)送到顯視器。車載激光雷達(dá)測距和物體識別的原理如圖2.3所示。

圖2.3車載激光雷達(dá)測距原理

激光雷達(dá)常用的性能指標(biāo)主要有：最大輻射功率、水平視野、垂直視場、光源波長、要測量的最大距離、測量時間/幀速率、深度分辨率、角分辨率;、距離測量精度。

2.2 激光雷達(dá)的功能

車載激光雷達(dá)的主要功能是定位，通過激光雷達(dá)SLAM的環(huán)路檢測或與全球地圖匹配，可以實現(xiàn)厘米級定位(高精度定位），目前行業(yè)內(nèi)如百度、谷歌和主流廠商都采用這種方法，通用汽車在其超級巡航中繪制了美國所有高速公路的激光地圖，百度自動駕駛汽車的定位方法如圖2.4所示。

圖2.4 百度自動駕駛汽車定位方法

這種定位方法的缺點是激光雷達(dá)地圖或先驗激光雷達(dá)地圖必須提前制作，如果激光雷達(dá)地圖不存在（對于人口稀少的地區(qū)、廣闊的郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)），自動駕駛汽車將無法執(zhí)行厘米級定位，只能達(dá)到傳統(tǒng)GPS 3米的定位精度。

車載激光雷達(dá)的第二個功能是利用攝像頭數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)分類識別和軌跡跟蹤。道路的細(xì)節(jié)，如車道、路緣石、障礙物、虛擬和真實道路以及人行橫道，都是通過兩側(cè)朝下的激光雷達(dá)獲得的，百度、谷歌、豐田和其他自動駕駛汽車都使用激光雷達(dá)來獲取道路細(xì)節(jié)。

激光雷達(dá)和攝像頭在前方中間的數(shù)據(jù)融合可以提高目標(biāo)識別的速度和準(zhǔn)確性。有兩種方法可以使用激光雷達(dá)識別目標(biāo)：

第一種方法是使用激光雷達(dá)反射強度值。不同的物體在激光雷達(dá)反射強度方面有很大的不同。有了區(qū)別，目標(biāo)可以簡單地分類，例如行人、車輛、建筑物、植物、道路、草原等。由于它只是一個簡單的閾值濾波器，計算量小，速度比深度學(xué)習(xí)目標(biāo)分類快。2018年1月，瑞薩電子宣布將與初創(chuàng)公司Dibotics合作，將增強激光雷達(dá)軟件嵌入其芯片中，并使用該方法進(jìn)行分類和識別。

第二種方法是將激光雷達(dá)點云轉(zhuǎn)換為具有張量結(jié)構(gòu)（矩陣）的密集圖像數(shù)據(jù)，然后使用Faster RCNN進(jìn)行識別。后者需要強大的計算資源，處理速度相對較慢，F(xiàn)aster RCNN被公認(rèn)為圖像識別領(lǐng)域的最佳方法。激光雷達(dá)的另一個優(yōu)點是擅長預(yù)測和跟蹤運動物體的軌跡，這是行為決策的基礎(chǔ)，就像人類駕駛員一樣，它可以預(yù)測行人或其他車輛的下一步運動，并根據(jù)該預(yù)測做出決策。

激光雷達(dá)天生具有軌跡預(yù)測能力，Velodyne 16線激光雷達(dá)可以準(zhǔn)確預(yù)測四分衛(wèi)在美國超級碗中投擲球后的運動，使用激光雷達(dá)計算和預(yù)測軌跡比使用光流方法要快得多，并且計算資源的消耗也低得多。

目前，通過激光雷達(dá)檢測車道線的方法主要有4種。第一個基于激光雷達(dá)回波寬度，第二種是根據(jù)激光雷達(dá)反射強度信息形成的灰度圖像或強度信息與高程信息的組合過濾掉無效信息，第三種是激光雷達(dá)SLAM與高精度地圖的結(jié)合，可以檢測車道線并定位車輛。第四種是根據(jù)路邊的高度信息或物理反射信息檢測路邊，然后根據(jù)距離和路寬計算車道線位置，這種方法不適用于某些邊緣與路面高度差小于3厘米的道路。后三種方法至少需要16線激光雷達(dá)，前者可以與 4 線或 1 線激光雷達(dá)配合使用。目前，第二種方法是使用最廣泛的方法，該方法的特點是激光雷達(dá)應(yīng)盡可能靠近道路或面向道路，以獲得更多的反射強度信息。豐田和谷歌都在汽車的前保險杠上安裝了激光雷達(dá)，通用汽車在保險杠附近有9毫米波雷達(dá)和1個攝像頭，因此由于安裝空間可能不足，激光雷達(dá)只能放置在屋頂上。

2.3 激光雷達(dá)的優(yōu)缺點分析

與微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)的工作頻率要高得多，這帶來了許多優(yōu)勢。

（1）高分辨率

激光雷達(dá)可以獲得高分辨率的角度、距離和速度。一般來說，角分辨率不小于0.1 mrad，也就是說，它可以區(qū)分兩個距離為0.3 m的目標(biāo)，距離為3 km（這對于微波雷達(dá)來說是不可能的）。同時，還可以跟蹤多個目標(biāo)，距離分辨率可以達(dá)到0.1m，速度分辨率可以達(dá)到10m/s以內(nèi)，距離和速度的高分辨率意味著可以使用距離-多普勒成像技術(shù)獲得目標(biāo)的清晰圖像，即4D點云成像。

（2）隱蔽性好，抗主動干擾能力強

激光以較窄的方向性直線傳播，并且只能在其傳播路徑中接收，故很難被攔截，且激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)（發(fā)射望遠(yuǎn)鏡）的孔徑小，接收區(qū)域窄，故意干擾信號傳輸?shù)?a target="_blank">接收器的可能性非常低。此外，與微波雷達(dá)容易受到自然界中廣泛的電磁波的影響不同，很少有信號源可以干擾激光雷達(dá)。因此，激光雷達(dá)具有很強的抗主動干擾能力，適合在日益復(fù)雜的信息環(huán)境中工作。

（3）不錯的低空探測性能

由于各種地面物體回波的影響，微波雷達(dá)在低空存在一定的盲區(qū)（無法探測的區(qū)域）。對于激光雷達(dá)來說，只有目標(biāo)會引起反射，并且沒有地面回波的影響，因此它可以在零高度工作。其低空探測性能遠(yuǎn)優(yōu)于微波雷達(dá)，通?？梢杂眉す庾鳛檠a盲探測。

（4）體積小，重量輕

一般來說，普通微波雷達(dá)的體積是巨大的，整個系統(tǒng)的重量達(dá)到噸級，射頻天線的孔徑達(dá)到幾米甚至幾十米。激光雷達(dá)更加便攜，透射望遠(yuǎn)鏡的孔徑一般在厘米級，整個系統(tǒng)的最小重量可以只有幾十公斤，安裝和拆卸非常容易。而且，激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)相對簡單，易于維護(hù)和操作。

激光雷達(dá)的缺點如下：

首先，它受天氣和大氣的影響很大。一般來說，激光的衰減小，在晴朗的天氣下傳播距離長。但在大雨、下雪、煙霧等惡劣天氣下，衰減急劇增加，傳播距離受到明顯影響。另外，大氣環(huán)流還會引起激光束畸變和抖動，直接影響激光雷達(dá)的測量精度。

其次，由于激光雷達(dá)的波束非常窄，搜索目標(biāo)可能很困難，直接影響非合作目標(biāo)的攔截概率和探測效率，它只能在小范圍內(nèi)搜索和捕獲目標(biāo)。因此，激光雷達(dá)很少用于獨立搜索和檢測。

最后，就是激光雷達(dá)價格很昂貴，會增加汽車系統(tǒng)的成本。但隨著技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)的成本可能會降低，我們拭目以待！

2.4 激光雷達(dá)的商業(yè)化

激光雷達(dá)的低廉價格將是其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)和核心，目前，激光雷達(dá)的廣泛使用還有很長的路要走。常用車載激光雷達(dá)的性能指標(biāo)和價格如圖2.5所示。

圖2.5車載激光雷達(dá)的性能指標(biāo)及價格

Velodyne誕生于美國加利福尼亞州，于2007年開始以80，000美元的價格銷售其首款激光雷達(dá)產(chǎn)品，經(jīng)過不斷的研發(fā)，價格現(xiàn)已降至8000美元左右。2020年激光雷達(dá)的市場規(guī)模已經(jīng)超過了10億，其價格降至250美元左右。事實上，為了降低激光雷達(dá)的成本，各個廠商都在不斷嘗試，通過縮小水平視圖和限制檢測范圍來降低成本的產(chǎn)品將投放市場，還有一些制造商試圖通過減少激光光線數(shù)量或用集成芯片替換傳感器和處理器來降低成本。

3、毫米波雷達(dá)

3.1 毫米波雷達(dá)的技術(shù)原理

毫米波雷達(dá)是一種高精度雷達(dá)傳感器，工作在毫米波波段，用于測量物體的相對距離、相對速度和方位角。毫米波是指30-300 GHz（波長為1-10 mm）頻域中的電磁波，早期被用于軍事領(lǐng)域，隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，它逐漸應(yīng)用于許多其他領(lǐng)域，如汽車電子、無人機、智能交通等。自1970年代后期以來，毫米波雷達(dá)已用于許多重要的軍事和民用系統(tǒng)，如短程高分辨率防空系統(tǒng)，導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)，目標(biāo)測量系統(tǒng)等。

車載毫米波雷達(dá)的工作原理如下：雷達(dá)通過天線向外發(fā)射毫米波，接收目標(biāo)反射信號，快速準(zhǔn)確地獲取車輛周圍的物理環(huán)境信息（如車輛與物體之間的相對距離、相對速度、角度、移動方向等）。然后根據(jù)檢測到的目標(biāo)信息進(jìn)行目標(biāo)跟蹤識別分類，并與人體動態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。最后，通過電子控制單元進(jìn)行智能處理。經(jīng)過合理決策后，可以通過聲、光、觸等方式通知或警告駕駛員，或及時主動干預(yù)，從而保證駕駛的安全性和舒適性，降低事故發(fā)生概率。這個過程如圖3.1所示。

圖3.1 車載毫米波雷達(dá)工作過程

根據(jù)輻射電磁波的區(qū)別，毫米波雷達(dá)可分為兩大類：脈沖系統(tǒng)雷達(dá)和連續(xù)波系統(tǒng)雷達(dá)。然后連續(xù)波可以分為FSK（頻移鍵控），PSK（相移鍵控），CW（恒頻連續(xù)波），F(xiàn)MCW（調(diào)頻連續(xù)波）和其他模式，特點和缺點如圖3.2所示。

圖3.2兩種毫米波雷達(dá)的特點

FMCW雷達(dá)因其能夠測量多個目標(biāo)、分辨率高、信號處理復(fù)雜度低、成本低、技術(shù)成熟等優(yōu)點，已成為最常用的車載毫米波雷達(dá)，德爾福、電裝和博世等一級供應(yīng)商均采用FMCW調(diào)制模式。FMCW雷達(dá)系統(tǒng)主要包括收發(fā)天線、射頻前端、調(diào)制信號、信號處理模塊等。MMIC芯片（單片微波集成電路）和天線PCB板是硬件核心，通過對接收信號和發(fā)射信號進(jìn)行相關(guān)處理(去斜處理或脈沖壓縮)，然后對目標(biāo)的距離、位置和相對速度進(jìn)行檢測，F(xiàn)MCW雷達(dá)系統(tǒng)的組成和工作原理如圖3.3所示。

圖3.3FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的組成和工作原理

毫米波雷達(dá)的關(guān)鍵部件前端單片微波集成電路（MMIC）技術(shù)由國外半導(dǎo)體公司控制，而高頻MMIC只能由英飛凌、飛思卡爾等少數(shù)國外芯片制造商生產(chǎn)。中國的MMIC仍處于起步階段，廈門意行半導(dǎo)體公司和南京米勒公司正在開發(fā)雷達(dá)MMIC，結(jié)果有待驗證，此外，東南大學(xué)唯一的毫米波雷達(dá)國家重點實驗室，一直在開發(fā)77GHz毫米波集成電路。

3.2 毫米波雷達(dá)的優(yōu)勢

毫米波雷達(dá)的優(yōu)點如下：

毫米波具有短波長、寬頻帶和窄波束，具有更高的分辨率，并且不易受到干擾。毫米波的波長介于厘米波和光波之間，具有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點。與光波相比，毫米波和亞毫米波在大氣中傳播的衰減較小，受自然光和熱輻射源的影響較小。與厘米級導(dǎo)波器相比，毫米波導(dǎo)引頭具有體積小、重量輕、空間分辨率高等優(yōu)點。與紅外、激光、攝像頭等光導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭具有更強的穿透霧、煙、塵的能力，具有全天候（大雨除外）和全天的特點。此外，毫米波導(dǎo)引頭的抗干擾和抗隱身能力優(yōu)于其他微波導(dǎo)引頭。

3.3 毫米波雷達(dá)汽車應(yīng)用

目前各國分配給車載毫米波雷達(dá)的頻段如圖3.4所示，主要集中在24 GHz區(qū)域（21.65-26.65 GHz）和77 GHz區(qū)域（76–81 GHz），一些國家（如日本）使用 60 GHz 頻段。汽車毫米波雷達(dá)最常見的工作頻率約為24 GHz、77 GHz和79 GHz。與24 GHz器件相比，77 GHz器件具有許多優(yōu)點，如電子元件和天線尺寸更小，單芯片集成結(jié)構(gòu)更容易實現(xiàn)，速度分辨率更高等。未來，車載毫米波雷達(dá)的頻段將收斂到77 GHz區(qū)域（76-81 GHz）。

圖3.4 車載毫米波雷達(dá)頻段分配

當(dāng)毫米波雷達(dá)安裝在汽車上時，可以測量雷達(dá)與被測物體之間的距離、角度和相對速度。目前，毫米波雷達(dá)主要應(yīng)用于高端機型，并將逐步普及到低端機型。根據(jù)安裝位置，車載毫米波雷達(dá)可分為后向雷達(dá)和前向雷達(dá)。通常，每輛車都配備兩個后向雷達(dá)，分別放置在車輛的左右尾部；前方雷達(dá)通常安裝在車輛前保險杠的中間，后向雷達(dá)和前向雷達(dá)的功能如表3.1所示。

表3.1前向和后向雷達(dá)功能對比

毫米波雷達(dá)可以執(zhí)行高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的功能，例如自適應(yīng)巡航控制、前方碰撞警告、盲點檢測、停車輔助和變道輔助。24 GHz雷達(dá)系統(tǒng)主要執(zhí)行短程偵察（SRR），而77 GHz系統(tǒng)主要執(zhí)行遠(yuǎn)程偵察（LRR）。SRR和LRR的組合應(yīng)用如圖3.5所示。

圖3.5SRR和LRR的聯(lián)合應(yīng)用

為了使ADAS充分發(fā)揮其功能，需要“1長+4中或短”的5個毫米波雷達(dá)。目前，新款奧迪A1采用5個毫米波雷達(dá)（1個長+4個短），奔馳S級采用7個毫米波雷達(dá)（1個長+6個短）。以自動車的ACC功能為例，一般需要3個毫米波雷達(dá)，車中間有一個77GHz的LRR，探測范圍為150~250 m，角度約為10°。車內(nèi)兩側(cè)有24GHz MRR，角度為30°，檢測距離為50~70m。AEB是ADAS最實用的功能，它將成為未來中高端汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置，需要77GHz的LRR雷達(dá)。

在美國，任何想要使用未經(jīng)FCC（聯(lián)邦通信委員會）批準(zhǔn)的無線設(shè)備的人，必須先申請?zhí)厥獾呐R時機構(gòu)（STA）許可證，否則是非法的。2017年3月17日，日本汽車電子供應(yīng)商阿爾卑斯電氣申請了STA許可證，用于測試一種名為Ukaza的車載毫米波雷達(dá)，其工作頻率為76~81 GHz，這是該頻段毫米波雷達(dá)的首次公開測試。十天后，通用汽車還向FCC提交了類似的STA許可證申請，以測試Ukaza雷達(dá)，為其300輛自動駕駛汽車測試車隊做準(zhǔn)備。

3.4 毫米波雷達(dá)的行業(yè)結(jié)構(gòu)、主流產(chǎn)品及發(fā)展趨勢

車載毫米波雷達(dá)的國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)如圖3.6所示。

圖3.6 毫米波雷達(dá)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

目前，毫米波雷達(dá)技術(shù)主要被大陸、博世、電裝、德爾福等傳統(tǒng)零部件巨頭壟斷。特別是77GHz毫米波雷達(dá)由博世、大陸、德爾福、電裝、天合、富士通天、日立等公司控制。2015年，博世和大陸汽車?yán)走_(dá)的市場份額均為22%，位居全球第一。

目前，中國市場高端汽車用毫米波雷達(dá)傳感器全部進(jìn)口，市場被美國、日本、德國企業(yè)壟斷，價格高，因此迫切需要自主制造。汽車毫米波雷達(dá)分為短程、中程和長距離，其對應(yīng)的價格也有低、中、高，市場上主流的汽車毫米波雷達(dá)如圖3.7所示。

圖3.7 主流汽車毫米波雷達(dá)概述

a)博世中遠(yuǎn)程雷達(dá)，b）大陸短程和遠(yuǎn)程雷達(dá)，c）德爾福中程雷達(dá)

博世雷達(dá)很小，德爾福短程雷達(dá)和遠(yuǎn)程雷達(dá)、ZF-TRW(采埃孚-天合)遠(yuǎn)程雷達(dá)和奧托立夫遠(yuǎn)程雷達(dá)將在未來幾年內(nèi)量產(chǎn)。除上述公司外，一些公司（如富士通天和日本電產(chǎn)Elesys）也生產(chǎn)毫米波雷達(dá)。中國車載毫米波雷達(dá)仍處于開發(fā)階段，由于研發(fā)成本低，研發(fā)簡單，中國廠商主要關(guān)注24GHz雷達(dá)，預(yù)計未來五年，自主品牌車載毫米波雷達(dá)傳感器將逐步量產(chǎn)安裝。國內(nèi)外重點毫米波雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈如圖3.8所示：

圖3.8 世界雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈（圖片來源：itbank）

從長遠(yuǎn)來看，車載毫米波雷達(dá)最終將統(tǒng)一在77 GHz頻段（76-81 GHz），該頻段意味著更大的帶寬、更高的功率水平和更長的檢測范圍。與24GHz相比，物體分辨率精度提高了2-4倍，速度和距離測量精度提高了3-5倍，這意味著可以檢測到行人和自行車。此外，設(shè)備的體積更小，這使得它更容易在車輛上安裝和部署。77 GHz頻率范圍是全球永久認(rèn)可的頻段，因此更適合全球車載平臺，在此范圍內(nèi)，76-77 GHz主要用于遠(yuǎn)程毫米波雷達(dá)，77-81 GHz主要用于中短程毫米波雷達(dá)。未來，79 GHz（77-81 GHz）中短程毫米波雷達(dá)將成為中程MRR的主流，并有望取代24 GHz短程雷達(dá)，時間取決于每個國家的工業(yè)發(fā)展、市場趨勢和政策。

3.4MIMO雷達(dá)虛擬陣列和2D成像

MIMO（多輸入多輸出）最初是控制系統(tǒng)中的一個概念，這意味著系統(tǒng)具有多個輸入和多個輸出，如果將移動通信系統(tǒng)的傳輸信道視為一個系統(tǒng)，則發(fā)送的信號可以看作是移動信道（system）的輸入信號，接收的信號可以看作是移動信道的輸出信號。MIMO雷達(dá)的基本含義是：雷達(dá)利用多個發(fā)射天線同時發(fā)射正交信號照射目標(biāo)，利用多個接收天線接收目標(biāo)回波信號，然后對其進(jìn)行綜合處理，提取目標(biāo)的空間位置和運動狀態(tài)。

MIMO 雷達(dá)虛擬陣列的典型應(yīng)用是二維雷達(dá)成像，二維雷達(dá)成像的距離分辨率主要取決于雷達(dá)信號的帶寬，方位分辨率主要取決于天線的波束寬度。為了提高成像的距離分辨率，一種相對簡單的方法是增加雷達(dá)信號的帶寬；為了提高雷達(dá)信號的方位分辨率，不可避免地要增加天線或陣列的孔徑，這在實踐中是困難的，并且受到許多因素的限制。目前廣泛使用的解決方案是：利用合成孔徑技術(shù)在不增加天線物理尺寸的情況下獲得大孔徑陣列。與合成孔徑的思想不同，MIMO雷達(dá)利用多個發(fā)射器和多個接收器的天線結(jié)構(gòu)，形成虛擬的大孔徑陣列，以獲得高方位角分辨率，這種虛擬陣列的形成是實時的，可以避免傳統(tǒng)ISAR成像中的運動補償問題，故MIMO雷達(dá)在成像應(yīng)用中具有其獨特的優(yōu)勢。

恩智浦(NXP)于2018年1月11日推出典型的級聯(lián)設(shè)計MR3003和S32R274雷達(dá)，MR3003是一款毫米波雷達(dá)收發(fā)器，具有三個發(fā)射器和四個接收器。NXP的最低級聯(lián)設(shè)計是級聯(lián)四個MR3003，包括12個發(fā)射機和16個接收機。以S32R274為處理器，它可以級聯(lián)多達(dá)20個MR3003，形成一個驚人的60發(fā)射器和80接收器毫米波雷達(dá)，這足以用于成像，級聯(lián)實際上類似于MIMO系統(tǒng)。

一對發(fā)射陣元和接收陣元可以模擬一個發(fā)射-接收陣元，對于具有m個發(fā)射器和n個接收器的MIMO雷達(dá)，有m*n對發(fā)射陣元和接收陣元，這意味著可以模擬m*n發(fā)送-接收陣元，m*n通常比n大得多，這導(dǎo)致了陣列孔徑的擴大。德州儀器 （TI） 可以使用四個帶有三個發(fā)射器和四個接收器的 AWR1243 雷達(dá)，組成 192 個虛擬通道（天線或陣列），如圖 3.9所示。

圖3.9四個TIAWR1243雷達(dá)(3T4R)

圖 3.10 顯示了德州儀器的四個 AWR1243 級聯(lián)雷達(dá)的參數(shù),遠(yuǎn)程分辨率大大提高,在40m處可以實現(xiàn)1°的方位角分辨率，即4.5 cm的分辨率和9 cm左右的物體分辨率。

圖3.10四個AWR1243級聯(lián)雷達(dá)參數(shù)

使用45°FOV的百萬像素相機，方位角分辨率在40m處僅為約20像素，無法區(qū)分行人和騎自行車的人。MIMO具有非常寬的視場，像德州儀器那樣的四級聯(lián)雷達(dá)的視場高達(dá)192°（攝像機的80°視場被認(rèn)為是廣角），因此在邊緣可能存在廣角畸變。

圖3.11顯示了德州儀器測試的多級聯(lián)雷達(dá)（MIMO）的FFT輸出圖?？梢钥闯?，通道越多，分辨率越高。

圖3.11德州儀器多級聯(lián)雷達(dá)FFT結(jié)果

4、超聲波雷達(dá)

當(dāng)激光雷達(dá)安裝在車頂時，在車底形成一個無法測量的圓形區(qū)域，這也是激光雷達(dá)的盲區(qū)。用于自適應(yīng)巡航控制的毫米波雷達(dá)用于遠(yuǎn)距離測量，但短距離測量精度不夠，自動泊車的精度必須達(dá)到厘米級，這是激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)無法達(dá)到的，因此，可以使用擅長近距離測量的超聲波雷達(dá)。倒車?yán)走_(dá)通常是超聲波雷達(dá)，安裝在后輪附近，谷歌的原型無人駕駛汽車在后輪附近配備了超聲波雷達(dá)，用于近距離測量，主要用于自動泊車。

5、自動駕駛汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)配置示例

5.1通用巡航自動駕駛汽車

GM Cruise自動駕駛汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的配置如圖5.1所示，具有5個激光雷達(dá)和21毫米波雷達(dá)，還有16個攝像頭。這五個激光雷達(dá)是Velodyne VLP16 16線激光雷達(dá)，2018年1月初，Velodyne將VLP16的價格從7999美元下調(diào)至3999美元。在21個毫米波雷達(dá)中，12個79 GHz雷達(dá)由日本阿爾卑斯山公司提供，兩個前向和兩個后向遠(yuǎn)程雷達(dá)可能由德國公司提供，型號為ARS408。博世公司提供了五個高分辨率（通用汽車稱為鉸接式）毫米波雷達(dá)，它們主要安裝在汽車的兩側(cè)和前部，帶寬是傳統(tǒng)77GHz雷達(dá)的8倍，因此分辨率可達(dá)4cm。

12個79 GHz毫米波雷達(dá)以級聯(lián)模式工作，足以生成清晰的360°環(huán)視全景圖像，同時跟蹤數(shù)千個目標(biāo)。12個79 GHz毫米波雷達(dá)構(gòu)成一個冗余系統(tǒng)，毫米波雷達(dá)處理復(fù)雜環(huán)境的能力最強，最適合冗余系統(tǒng)，在激光雷達(dá)和攝像頭故障的情況下，它們?nèi)匀豢梢源_保車輛的安全駕駛和停放。

5.2谷歌自動駕駛汽車

谷歌無人駕駛汽車是谷歌X實驗室目前正在開發(fā)的全自動駕駛汽車，它不需要駕駛員啟動、行駛或停止，目前正在測試中，已經(jīng)行駛了480，000公里。谷歌已經(jīng)使用了七輛汽車進(jìn)行測試，其中包括六輛豐田普銳斯和一輛奧迪TT。他們在加利福尼亞州的幾條道路上進(jìn)行了測試，包括舊金山灣區(qū)的倫巴底街。這些車輛使用攝像頭和雷達(dá)來感知道路環(huán)境和交通狀況，并使用詳細(xì)的地圖進(jìn)行導(dǎo)航，實際測試場景如圖 5.2 所示。

谷歌自動駕駛汽車傳感器系統(tǒng)的配置如圖5.3所示，它配備了四個毫米波雷達(dá)（三個在前，一個在后，如圖5.4所示）和一個屋頂3D激光雷達(dá)（Velodyne HDL-64E）。毫米波雷達(dá)用于計算其他汽車與自動駕駛汽車之間的相對速度，并預(yù)測速度變化，HDL-64E雷達(dá)在旋轉(zhuǎn)時連續(xù)發(fā)射64線激光束，最大射程為120 m，并接收反射光束，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差，計算物體與汽車之間的距離，并繪制汽車周圍的實時三維地形圖，綜合檢測數(shù)據(jù)后，還可以判斷物體的形狀、大小和一般運動軌跡，這是行動決策的基礎(chǔ)之一。HDL-3E 每秒可以為谷歌自動駕駛汽車的處理器提供 64 萬組數(shù)據(jù)，這意味著提供的信息幾乎是實時的，HDL-1E眼中的世界如圖5.5所示。

除了雷達(dá)系統(tǒng)，谷歌自動駕駛汽車還配備了車道保持視覺系統(tǒng)、紅外攝像頭、立體視覺、GPS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、車輪編碼器等。

5.3Waymo自動駕駛汽車

自2017年10月中旬以來，谷歌的Waymo自動駕駛汽車在亞利桑那州開始了公開路試。測試場景和傳感器配置如圖5.6所示。

Waymo自動駕駛汽車的傳感器配置如下：

激光雷達(dá)系統(tǒng)：包括三種激光雷達(dá)：可提供360°全景視野的短距離激光雷達(dá)、高清中距離激光雷達(dá)和可穿透近三個足球場的新一代遠(yuǎn)程激光雷達(dá)，該系統(tǒng)支持日夜正常工作。

毫米波雷達(dá)系統(tǒng)：使用多個波長（24G和77G）來檢測物體和運動，雷達(dá)波可以繞過雨滴等物體，不受雨天、雪天、霧天和夜間影響。Waymo的雷達(dá)系統(tǒng)具有360°全景視野，因此可以測量車輛前方、后方和兩側(cè)道路參與者的速度。

視覺（攝像頭）系統(tǒng)：視覺系統(tǒng)包括設(shè)計成像人類一樣看周圍世界的攝像頭，但它具有360°同步視野，而人類駕駛員只能看到120°的視野。由于高清視覺系統(tǒng)可以檢測顏色，因此可以幫助系統(tǒng)識別交通信號燈、施工區(qū)域、校車和救護(hù)車的頻閃燈。Waymo的視覺系統(tǒng)由許多高清攝像頭組成，旨在在白天和弱光條件下看到遠(yuǎn)處的物體。

其他的傳感器：Waymo還有許多其他傳感器，包括一個音頻檢測系統(tǒng)，可以聽到警車和救護(hù)車的警笛聲。

依靠傳感器和軟件的配合，Waymo可以感知周圍的世界，它可以識別車輛、行人、自行車、障礙物，還可以區(qū)分交通信號燈、臨時停車標(biāo)志等的顏色。Waymo自動駕駛汽車看到的世界如圖5.7所示。