詳細了解毫米波雷達概念以及原理和產業(yè)研究

毫米波雷達作為唯一可以“全天候全天時”工作的傳感器，是實現汽車ADAS以及自動駕駛不可或缺的核心傳感器之一！下面詳細了解一下：

●●●毫米波雷達概念以及原理：

雷達(Radar，radio detecting and ranging)，無線電探測和測距。雷達的基本任務是發(fā)射電磁波對目標進行照射并接收其回波，由此獲得目標至電磁波發(fā)射點的探測感興趣的距離、方向、速度等狀態(tài)參數。按輻射種類可分為:脈沖雷達和連續(xù)波雷達（FMCW）。

毫米波雷達，顧名思義，就是工作在毫米波頻段的雷達。毫米波（Millimeter-Wave，縮寫：MMW），是指長度在1~10mm的電磁波，對應的頻率范圍為30~300GHz。如下圖，毫米波位于微波與遠紅外波相交疊的波長范圍，所以毫米波兼有這兩種波譜的優(yōu)點，同時也有自己獨特的性質。毫米波的理論和技術分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發(fā)展。

根據波的傳播理論，頻率越高，波長越短，分辨率越高，穿透能力越強，但在傳播過程的損耗也越大，傳輸距離越短；相對地，頻率越低，波長越長，繞射能力越強，傳輸距離越遠。所以與微波相比，毫米波的分辨率高、指向性好、抗干擾能力強和探測性能好。與紅外相比，毫米波的大氣衰減小、對煙霧灰塵具有更好的穿透性、受天氣影響小。這些特質決定了毫米波雷達具有全天時全天候的工作能力。

●●●毫米波雷達檢測原理：

毫米波雷達最重要的任務就是用無線電的方法發(fā)現目標并檢測與目標物體的距離、速度和方向。

毫米波雷達測距原理很簡單，就是把無線電波（毫米波）發(fā)出去，然后接收回波，根據收發(fā)的時間差測得目標的位置數據和相對距離。根據電磁波的傳播速度，可以確定目標的距離公式為：s=ct/2，其中s為目標距離，t為電磁波從雷達發(fā)射出去到接收到目標回波的時間，c為光速。毫米波雷達測速是基于多普勒效應（Doppler Effect）原理。所謂多普勒效應就是，當聲音、光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度v運動時，觀測者所收到的振動頻率與振動源所發(fā)出的頻率有不同。因為這一現象是奧地利科學家多普勒最早發(fā)現的，所以稱之為多普勒效應。也就是說，當發(fā)射的電磁波和被探測目標有相對移動，回波的頻率會和發(fā)射波的頻率不同。當目標向雷達天線靠近時，反射信號頻率將高于發(fā)射信號頻率；反之，當目標遠離天線而去時，反射信號頻率將低于發(fā)射信號頻率，如下圖。由多普勒效應所形成的頻率變化叫做多普勒頻移，它與相對速度v成正比，與振動的頻率成反比。如此，通過檢測這個頻率差，可以測得目標相對于雷達的移動速度，也就是目標與雷達的相對速度。根據發(fā)射脈沖和接收的時間差，可以測出目標的距離。

●●●毫米波雷達的產業(yè)研究：

2017年中國毫米波雷達市場規(guī)模約為13.4億元，到2021年預計能達到96.7億元，2016-2021年均增長率約為70.6%。

2017年以來，激光雷達獲得資本市場追捧。但從當前的市場來看，毫米波雷達才是增長最快的市場，2018年1-5月，中國乘用車車載毫米波雷達的前裝市場裝車量為140.6萬顆，同比大增112.7%。

從下圖的三大傳感器對比來看，目前毫米波雷達的綜合表現強于激光雷達。

毫米波雷達市場繼續(xù)細分下去，24GHz毫米波雷達目前仍是出貨量最大的類型。早期24GHz毫米波雷達主要用于中短距探測，77GHz毫米波雷達主要用于長距探測，隨著技術進步與成本下降，加上性能優(yōu)勢，77GHz雷達有逐漸替代24GHz雷達的趨勢，2017年用于LCA/RCTA的77GHz雷達出貨量顯著上升。

從總量上看，一方面目前側邊SRR 24GHz仍是主流，前視LRR部分主機廠如奔馳、PSA也使用24GHz雷達，短期內24GHz雷達增長依然可觀；另一方面全球主流供應商如博世和大陸的下一代產品主要采用76-77GHz頻段，預計到2020年左右，77GHz雷達市場規(guī)模將實現反超。

毫米波雷達市場仍是博世、大陸、海拉等傳統(tǒng)TIER1掌控市場主要份額。國內毫米波雷達廠商從后裝市場起步，然后通過國內車企，逐步進入前裝市場。

木牛科技在后裝市場已經獲得數萬臺訂單。森思泰克24Ghz側后向雷達已經拿到自主品牌長豐獵豹的前裝訂單，到2019年預計有十余款新上市車型搭載森思泰克的毫米波雷達。

激光雷達成為國內外自動駕駛領域的創(chuàng)新熱點，傳統(tǒng)汽車巨頭和初創(chuàng)企業(yè)都在該領域加大投入，投資并購頻繁。技術方面，機械式多線激光雷達已經大量應用于無人駕駛原型車，但固態(tài)激光雷達更符合汽車量產需求，代表了未來發(fā)展方向。

目前，激光雷達仍存在技術路線不確定、價格高、難以滿足車規(guī)級要求等問題。同時，下一代高精度成像毫米波雷達也在走向成熟，未來將與激光雷達形成一定競爭。

不過，激光雷達的技術進步神速，激光雷達廠商的信心越來越足。Quanergy聯合創(chuàng)始人兼CEO Louay Eldada年初表示，2018年Quanergy將利用合作伙伴 Sensata 在江蘇常州的工廠生產激光雷達，預計初期年產能為1000萬臺，后期隨著市場需求的提升，該工廠產能有望逐步擴充至數億臺。

除了Quanery，速騰聚創(chuàng)、北科天繪、鐳神智能、禾賽科技等國內激光雷達廠商也建立了自己的工廠，并在不斷擴充產能。激光雷達市場預計在2021年啟動大規(guī)模增長。

毫米波雷達、激光雷達和攝像頭在尺寸、價格、適應場景、成像、測距、定位、物體識別等方面各有優(yōu)劣，無論哪種單一傳感器都無法獨立支撐起未來自動駕駛汽車對外部環(huán)境感知的要求。雷達和攝像頭的融合可以獲得更為精確的環(huán)境數據、提升冗余，最大限度確保ADAS和自動駕駛系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

●●●毫米波雷達在ADAS中的應用：

對于車輛安全來說，最主要的判斷依據就是兩車之間的相對距離和相對速度信息，特別車輛在高速行駛中，如果兩車的距離過近，是容易導致追尾事故。憑借出色的測距測速能力，毫米波雷達被廣泛地應用在自適應巡航控制（ACC）、前向防撞報警（FCW）、盲點檢測（BSD）、輔助停車（PA）、輔助變道（LCA）等汽車ADAS中。

通常，為了滿足不同距離范圍的探測需要，一輛汽車上會安裝多顆短程、中程和長程毫米波雷達。其中24GHz雷達系統(tǒng)主要實現近距離探測（SRR，60米以下），77GHz雷達系統(tǒng)主要實現中、長距離的探測（MRR,100米左右；LRR，200米以上）。不同的毫米波雷達“各司其職”，在車輛前方、車身和后方發(fā)揮不同的作用。

根據波的傳播理論，頻率越高，波長越短，分辨率越高，探測距離越遠，但探測角度（水平視場）會變小。所以77GHz毫米波雷達較24GHz可以實現更遠的探測距離，精度更高，不過隨著頻率的增加相應的芯片的設計和制造難度也變大，77GHz毫米波雷達成本更高。通常探測角度和探測距離是矛盾的。如圖1，顯示了大陸集團77GHz ARS 310型毫米波雷達在短、中、長程不同探測距離和探測角度的比較。所以雖然說77GHz功能上可以取代24GHz，是未來主流，但從性價比的角度來看，目前短程雷達還主要由24GHz承擔。

上圖為大陸集團ARS 310型的短程、中程、長程雷達檢測范圍。想要完全實現ADAS各項功能，全方位覆蓋汽車周圍環(huán)境的感測，兼顧性能和成本，一輛汽車上會安裝多顆短程、中程和長程毫米波雷達。不同的毫米波雷達“各司其職”，在車輛前方、車身和后方發(fā)揮不同的作用。目前主要的標配：1-2顆77GHz MRR/LRR+4顆24GHz SRR。24GHz SRR雖然探測距離相對較短，但優(yōu)勢在于探測角度較大，成本相對較低，可以配置多顆實現車身近距離全方位覆蓋。MRR/LRR功能相當，LRR的優(yōu)勢在于它的可探測距離比較遠，適用速度能達到250km/h，但在絕大部分有限速的國家，使用成本相對更低且適用速度在160km/h內的中距雷達來實現自適應巡航（ACC）功能更劃算。

例如，奔馳S級就采用6顆毫米波雷達（1長+1中+4短），如上圖，分別分布在前向雙模長程毫米波雷達1顆，后向中遠程毫米波雷達1顆，前/后保險杠左右短程雷達共4顆?！岸坛?中程+長程”毫米波雷達三者結合一起共同完成自適應巡航（ACC）、自動緊急制動（AEB）、前方/后方碰撞預警（FCW/BCW）、變道輔助（LCA）、盲點檢測（BSD）、倒車輔助（BPA）、泊車輔助（PA）等多種ADAS功能。其中ACC、AEB、FCW、LCA作為汽車ADAS中最主要的防撞預警功能，是如何實現的？下面將詳細介紹。自適應巡航（ACC）自適應巡航（Adaptive Cruise Control，ACC），是一種可以依據設定的車速或者距離跟隨前方車輛行駛，或根據前車速度主動控制本車行駛速度，最終將車輛與前車保持在安全距離的駕駛輔助功能，該功能最大的優(yōu)點是可以有效的解放駕駛者的雙腳，提高駕駛的舒適性。

ACC的實現原理：在車輛行駛過程中，安裝在車輛前部的毫米波雷達傳感器持續(xù)掃描車輛前方道路，同時輪速傳感器采集車速信號。當與前車之間的距離過小時，ACC系統(tǒng)可以通過與制動防抱死系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)協(xié)調動作，使車輪適當制動，并使發(fā)動機的輸出功率下降，以使車輛與前方車輛始終保持安全距離。ACC系統(tǒng)在控制車輛制動時，通常會將制動減速限制在不影響舒適度的程度，當需要更大的減速時，ACC系統(tǒng)會發(fā)出聲、光預警信號通知駕駛者主動采取制動操作。自動緊急制動（AEB）自動緊急制動（Autonomous Emergency Braking，AEB），是一種汽車主動安全輔助功能。AEB系統(tǒng)利用毫米波雷達測出與前車或者障礙物的距離，然后利用數據分析模塊將測出的距離與警報距離、安全距離進行比較，小于警報距離時就進行警報提示，而小于安全距離時即使在駕駛員沒有來得及踩制動踏板的情況下，AEB系統(tǒng)也會啟動，使汽車自動制動，從而確保駕駛安全。

據研究表明，90%的交通事故是由于駕駛者的注意力不集中而引起的，AEB技術能在現實世界中減少38%的追尾碰撞，且無論是在城市道路（限速60km/h）或郊區(qū)道路行駛的情況下，效果都顯著。所以，歐洲新車安全評鑒協(xié)會（Euro NCAP）在2014年率先將AEB系統(tǒng)納入整體安全評級中，而我國也在2018年將AEB加入了NCAP評分體系。前方防撞預警功能（FCW）前方防撞預警（Forward Collision Warning，FCW），通過毫米波雷達和前置攝像頭不斷監(jiān)測前方的車輛，判斷本車與前車之間的距離、方位及相對速度，探測到前方潛在的碰撞危險，當駕駛員沒有采取制動措施時，儀表會顯示報警信息并伴隨聲音報警，警告駕駛員務必采取應對措施。當判斷到事故即將發(fā)生時，系統(tǒng)會讓剎車自動介入工作，從而避免事故發(fā)生或降低事故可能造成的風險。

AEB通過傳感器探測前方的車輛、行人等障礙物，如果發(fā)現距離過近且存在碰撞風險時，進行自動制動。FCW則可以理解為進行自動制動之前的預警功能。其實，FCW和AEB系統(tǒng)是相輔相成的關系，目的都是在行車時避免或減少碰撞事故的發(fā)生。變道輔助（LCA）變道輔助（lane change assist，LCA），是通過毫米波雷達、攝像頭等傳感器，對車輛相鄰兩側車道及后方進行探測，獲取車輛側方及后方物體的運動信息，并結合當前車輛的狀態(tài)進行判斷，最終以聲、光等方式提醒駕駛員，讓駕駛員掌握最佳變道時機，防止變道引發(fā)的交通事故，同時對后方碰撞也有比較好的預防作用。變道輔助系統(tǒng)包括“盲點檢測（BSD）”、“變道預警（LCA）”、“后碰預警（RCW）”3個功能?？梢杂行У胤乐棺兊?、轉彎、后方追尾等交通事故的發(fā)生，極大提升汽車變道操作的安全性能。

其中，BSD根據其判斷的移動物體所處的相對位置及與本車的相對速度，當處于本車的盲區(qū)范圍內，及時提醒駕駛員注意變道出現的風險。LCA檢測目標車輛在相鄰的區(qū)域以較大的相對速度靠近本車，在兩車時距小于一定范圍內時，通過聲、光等方式提醒駕駛員。RCW檢測到同一車道后方有快速接近的移動物體，并有碰撞風險時，及時通過聲、光等方式，預警駕駛員系好安全帶等方式減小碰撞帶來的傷害。多種傳感器融合其實在這些駕駛輔助功能實現的過程中，我們不難發(fā)現雖然毫米波雷達起到了最核心的物體探測、測距和測速的作用，但是整個過程還需要其它傳感器的輔助，比如激光雷達、攝像頭、超聲波雷達、慣性傳感器等。隨著越來越多汽車廠商開始將不同的傳感器整合到汽車ADAS中，業(yè)界普遍認為“傳感器融合（sensor fusion）”是高度自動化駕駛安全性的關鍵。在環(huán)境感知中，每一種傳感器都有獨特的優(yōu)勢和弱點。例如，毫米波雷達不受天氣影響可全天候全天時工作，但分辨率不高，不能區(qū)分人和物；而攝像頭有更高的分辨率，能夠感知顏色，但受強光影響較大；激光雷達則能夠提供三維尺度感知信息，對環(huán)境的重構能力強，但受天氣影響大。傳感器各有優(yōu)劣，難以互相替代，未來要實現自動駕駛，是一定需要多種傳感器相互配合共同構成汽車的感知系統(tǒng)。如圖7，隨著自動駕駛從L2級朝L5級自動駕駛發(fā)展，集成在汽車上傳感器數量和種類不斷增加，只有這樣才能夠保證信息獲取充分且有冗余，才能達到OEM主機廠所需的安全標準。

軟件是多種傳感器融合的核心之一。算法是多傳感器融合通往更高級自動駕駛技術的“攔路虎”，因為多種傳感器的使用會使需要處理的信息量大增，這其中甚至有相互矛盾的信息，如何保證系統(tǒng)快速地處理數據，過濾無用、錯誤信息，從而保證系統(tǒng)最終做出及時正確的決策十分關鍵。目前多種傳感器融合的理論方法有貝葉斯準則法、卡爾曼濾波法、D-S證據理論法、模糊集理論法、人工神經網絡法等。因此，在使用多種傳感器的情況下，要想保證安全性，就必須對傳感器進行信息融合。多傳感器融合可顯著提高系統(tǒng)的冗余度和容錯性，從而保證決策的快速性和正確性，是現階段ADAS走向高級自動駕駛并最終實現無人駕駛的必然趨勢。

●●●毫米波雷達其它應用以及發(fā)展趨勢：

毫米波雷達除了汽車ADAS應用，還在無人機、安防、智能交通、工業(yè)以及軍用領域發(fā)揮著非常重要的作用。? 無人機：主要應用體現在定高和避障兩個方面。? 安防：主要應用在一些重要的區(qū)域的安全警戒。? 智能交通：主要應用于車輛檢測、交通量調查、交通事件檢測、交通誘導、超速監(jiān)測、電子卡口、電子警察和紅綠燈控制等。? 工業(yè)：主要應用于工業(yè)液位計、挖掘機、重型推土機、高壓電線塔附近安全施工、生產安全監(jiān)測等。? 軍用：主要應用于雷達探測、導彈制導、衛(wèi)星遙感、電子對抗等。

綜上分析，毫米波雷達技術的發(fā)展趨勢是朝著體積更小、功耗更低、集成度更高和多項技術共存融合（性價比更高）方向發(fā)展。從頻段上，由于77GHz比24GHz具有更小的波長，可進一步縮減天線尺寸，更便于安裝部署。同時77GHz頻段帶寬更大、探測距離更遠、精度更高，正逐漸成為主流。不過24GHz在短程BSD/LCA等應用成本優(yōu)勢明顯，將長期與77GHz互補共存。在前端收發(fā)組件，高集成化的MMIC成為了主流，在工藝上先是SiGe替代了GaAs，當前正慢慢朝CMOS方向發(fā)展。由于GaAs、SiGe和CMOS各有優(yōu)缺點，在超高速、超高頻領域，CMOS目前還是比不上GaAs，市場上同時對于幾種工藝都有需求。對于汽車應用來說，不僅要考慮毫米波雷達前端的集成，與其它傳感器的融合，還要考量與主處理器的“合作”，到底是集成還是分立，還是需靈活折中？從產品趨勢來看，一種是傳感器本身的融合或高度集成，如將毫米波雷達前端與攝像頭等其它傳感器集成；另一種是單芯片系統(tǒng)方案，即“多傳感器+主處理器+數字信號處理器”，未來的爭奪戰(zhàn)也將圍繞這兩方面展開，當然性價比是前提。在市場需求層面，既需要有雷達前端集成芯片，亦需要單芯片系統(tǒng)方案，以滿足客戶的差異化需求。總之，上述技術發(fā)展最終結果是要實現“更小巧、更便宜、更智能”的毫米波雷達，為ADAS、自動駕駛和終極的無人駕駛服務！