毫米波雷達(dá)的應(yīng)用技術(shù)或是開啟無人駕駛的脊梁骨

在智能駕駛傳感器領(lǐng)域，和激光雷達(dá)（LiDAR）相比，毫米波雷達(dá)（Millimeter-Wave Radar）更接地氣，在技術(shù)上已非常成熟，而且其市場(chǎng)出貨量相當(dāng)可觀，以中國(guó)市場(chǎng)為例，2015年車載毫米波雷達(dá)銷量為180萬顆，大概平均每12臺(tái)車搭載1顆毫米波雷達(dá)。此外，毫米波雷達(dá)在歐洲的普及率非常高。

一、毫米波頻段的劃分

毫米波實(shí)質(zhì)上就是電磁波。毫米波的頻段比較特殊，其頻率高于無線電，低于可見光和紅外線，頻率大致范圍是10GHz—200GHz。毫米波介于微波（Micro waves）和THz（1000GHz）之間，可以說是微波的一個(gè)子集。

在這個(gè)頻段，毫米波相關(guān)的特性使其非常適合應(yīng)用于車載領(lǐng)域。目前，比較常見的車載領(lǐng)域的毫米波雷達(dá)頻段有三類。

其一是24—24.25GHz這個(gè)頻段，目前大量應(yīng)用于汽車的盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)、變道輔助。雷達(dá)安裝在車輛的后保險(xiǎn)杠內(nèi)，用于監(jiān)測(cè)車輛后方兩側(cè)的車道是否有車、可否進(jìn)行變道。這個(gè)頻段也有其缺點(diǎn)，首先是頻率比較低，另外就是帶寬（Bandwidth）比較窄，只有250MHz。

另一個(gè)頻段就是77GHz，這個(gè)頻段的頻率比較高，國(guó)際上允許的帶寬高達(dá)800MHz。據(jù)袁帥介紹，這個(gè)頻段的雷達(dá)性能要好于24GHz的雷達(dá)，所以主要用來裝配在車輛的前保險(xiǎn)杠上，探測(cè)與前車的距離以及前車的速度，實(shí)現(xiàn)的主要是緊急制動(dòng)、自動(dòng)跟車等主動(dòng)安全領(lǐng)域的功能。

第三類應(yīng)用頻段就是79GHz—81GHz，這個(gè)頻段最大的特點(diǎn)就是其帶寬非常寬，要比77GHz的高出3倍以上，這也使其具備非常高的分辨率（雷鋒網(wǎng)新智駕注：后文會(huì)對(duì)“分辨率”有詳細(xì)闡釋），可以達(dá)到5cm。這個(gè)分辨率在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域非常有價(jià)值，因?yàn)樽詣?dòng)駕駛汽車要區(qū)分行人等諸多精細(xì)物體，對(duì)帶寬的要求很高。袁帥表示，這個(gè)頻段在未來的自動(dòng)駕駛領(lǐng)域會(huì)有很廣泛的應(yīng)用。

而在波長(zhǎng)方面，24GHz毫米波的波長(zhǎng)是1.25cm，而77GHz毫米波的波長(zhǎng)大概是4mm，毫米波的波長(zhǎng)要比光波的波長(zhǎng)長(zhǎng)1000倍以上，所以它對(duì)物體的穿透能力更強(qiáng)。

舉個(gè)例子，我們通常看到的灰塵的直徑大概在1um—100um之間，自然界的雨點(diǎn)的直徑在0.5mm—4mm的范圍內(nèi)。所以波長(zhǎng)與它們相等或者更長(zhǎng)的電磁波可以輕易穿透這些障礙物，毫米波便擁有這樣的能力。

這種可靠性是其他任何傳感器難以達(dá)成的，所以在ADAS這樣一個(gè)對(duì)安全性、可靠性要求比較高的領(lǐng)域，毫米波雷達(dá)擁有很難撼動(dòng)的地位。

二、毫米波雷達(dá)在車載領(lǐng)域的發(fā)展史

實(shí)際上，在上世紀(jì)60年代的美國(guó)，毫米波雷達(dá)便開始在車載領(lǐng)域應(yīng)用，但是當(dāng)時(shí)的工藝水平較低，應(yīng)用的是單天線，前端只能一收一發(fā)，其頻率只有10GHz。而且，在袁帥的描述中，這種雷達(dá)裝置配備在車輛的前方并不美觀，“基本上就像是兩個(gè)盤子在那放著?！?/p>

之后，為了縮小其體積，業(yè)內(nèi)專家不斷將頻率往上提，來到30GHz、50GHz。雷達(dá)頻率越高、天線尺寸就越小，意味著同樣尺寸的雷達(dá)，其天線波束的集中度更高。

到了90年代，就發(fā)展出了60GHz、77GHz和94GHz的毫米波雷達(dá)。60GHz頻段后來主要用來通信，94GHz主要是軍用頻段，而工業(yè)上則選擇了77GHz作為主流的毫米波雷達(dá)的頻段。

在歷史上，也有比較典型的毫米波雷達(dá)應(yīng)用。1992年，美國(guó)交通部門在灰狗公交車上安裝了1500套毫米波雷達(dá)，到1993年取得了立竿見影的效果：交通事故發(fā)生率下降了25%。不過最后因?yàn)樾Ч茫瑩p壞了一些既得利益者的利益，所以在1994年被全部拆除。

時(shí)至今日，全球主要有四大毫米波雷達(dá)供應(yīng)商（雷鋒網(wǎng)新智駕注：當(dāng)然它們的業(yè)務(wù)也不僅限于毫米波雷達(dá)），簡(jiǎn)稱為ABCD，即Autoliv、Bosch、Continental和Delphi。

Autoliv以24GHz盲點(diǎn)、變道輔助雷達(dá)為主，主要客戶是戴姆勒奔馳——其車輛基本標(biāo)配了變道輔助，Autoliv的毫米波雷達(dá)出貨量很大。

Bosch的毫米波雷達(dá)主要以77GHz為主，覆蓋的面比較廣，有長(zhǎng)距（LRR）、中距（MRR）以及用于車后方的盲點(diǎn)雷達(dá)。Bosch的方案集成度非常高，輸出的是對(duì)汽車的控制信號(hào)，其定制性很強(qiáng)，通常是與大型車企合作一個(gè)車型，共同推進(jìn)項(xiàng)目。

Continental在毫米波雷達(dá)產(chǎn)品方面既有24GHz，也有77GHz，性能做得還不錯(cuò)，戴姆勒的77GHz毫米波雷達(dá)主要由Continental供應(yīng)。

Delphi則是美國(guó)老牌企業(yè)，以77GHz毫米波雷達(dá)為主，采用較為傳統(tǒng)的硬件方案，成本比較高，性能不俗。

三、毫米波雷達(dá)對(duì)距離、速度和角度的探測(cè)

需要明確的一點(diǎn)是，毫米波雷達(dá)在測(cè)量目標(biāo)的距離、速度和角度上展現(xiàn)的性能和其他傳感器還是略有區(qū)別的。視覺傳感器得到的是二維信息，沒有深度信息，而毫米波雷達(dá)則是具備深度信息的，可以提供目標(biāo)的距離;激光雷達(dá)對(duì)于速度并不敏感，而毫米波雷達(dá)則對(duì)速度非常敏感，可以直接獲得目標(biāo)的速度，因?yàn)楹撩撞ɡ走_(dá)會(huì)有很明顯的多普勒效應(yīng)，通過檢測(cè)其多普勒頻移可將目標(biāo)的速度提取出來。

毫米波雷達(dá)最基本的探測(cè)技術(shù)是使用FMCW連續(xù)線性調(diào)頻波去探測(cè)前方物體的距離，毫米波雷達(dá)發(fā)射的是連續(xù)波，在后端處理上要比激光雷達(dá)的運(yùn)算量大。

其原理在于：

振蕩器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻率隨時(shí)間逐漸增加的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)遇到障礙物之后，會(huì)反彈回來，其時(shí)延是2倍距離/光速。返回來的波形和發(fā)出的波形之間有個(gè)頻率差，這個(gè)頻率差和時(shí)延是呈線性關(guān)系的：物體越遠(yuǎn)，返回的波收到的時(shí)間就越晚，那么它跟入射波的頻率差值就越大。

將這兩個(gè)頻率做一個(gè)減法，就可以得到二者頻率的差頻（差拍頻率），通過判斷差拍頻率的高低就可以判斷障礙物的距離。

此外，為了探測(cè)目標(biāo)的速度，也有更為高級(jí)的調(diào)頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，主要以多普勒頻移原理為基礎(chǔ)。

角度的探測(cè)是通過多個(gè)接收天線接收到信號(hào)的時(shí)延來實(shí)現(xiàn)。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，假設(shè)有2根天線，接收從某個(gè)方向發(fā)出的電磁波，這個(gè)電磁波到達(dá)2根天線的時(shí)間是有差值的，或者說是相位差，通過這個(gè)相位差可以評(píng)估信號(hào)的角度。

這里要引入一個(gè)非常重要的概念——毫米波雷達(dá)的分辨率。其定義是“雷達(dá)可以區(qū)分的兩個(gè)物體的最近的距離”，比如，兩個(gè)物體靠得很近，那么雷達(dá)可能會(huì)將其列為一個(gè)物體，如果分得開一些，雷達(dá)會(huì)看到兩個(gè)物體。那么究竟離多遠(yuǎn)雷達(dá)能區(qū)分兩個(gè)物體間的距離，這個(gè)就叫做雷達(dá)的分辨率。

分辨率的計(jì)算公式也很簡(jiǎn)單，就是光速/2倍的雷達(dá)帶寬，所以對(duì)于24GHz和77GHz來說，可以直接算出其分辨率。前者是0.6m，后者則約為20cm。而3GHz帶寬的毫米波雷達(dá)的分辨率可以做到5cm，非常適合自動(dòng)駕駛的應(yīng)用。

此外，在關(guān)鍵性的天線技術(shù)方面，毫米波雷達(dá)有兩種，一種是基于透鏡，另一種是用PCB印刷。基于透鏡的天線開發(fā)靈活度較小，因?yàn)樽詈髸?huì)聚焦到一個(gè)很小的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域不大容易安排靈活的設(shè)計(jì)。

四、未來

總體來說，毫米波雷達(dá)成本下降的速度還是比較快的，因?yàn)樗枪杌?a href="http://ttokpm.com/v/tag/137/" target="_blank">芯片，沒有特別昂貴和復(fù)雜的工藝。而激光雷達(dá)則在光的收發(fā)器和組裝工藝要求高，成本比較難降下來。

激光雷達(dá)目前還有一個(gè)非常重要的技術(shù)是固態(tài)激光雷達(dá)，它實(shí)際上與傳統(tǒng)雷達(dá)、毫米波雷達(dá)是一脈相承的，固態(tài)激光雷達(dá)實(shí)質(zhì)上就是調(diào)整每個(gè)發(fā)射和接收單元的相位，毫米波雷達(dá)也是同樣的原理，只不過毫米波雷達(dá)是對(duì)電磁波進(jìn)行操作，器件的實(shí)現(xiàn)難度要比對(duì)光的頻段上進(jìn)行相位的改變的難度低很多。

而對(duì)于毫米波雷達(dá)的市場(chǎng)前景。一輛車上會(huì)搭載3-8顆毫米波雷達(dá)，目前奔馳的高端車上也已經(jīng)安裝了7顆。未來10年，車載毫米波雷達(dá)的市場(chǎng)規(guī)模將不容小覷。

從政策上來講，各個(gè)國(guó)家都在推進(jìn)汽車的AEB功能，其中日本和北美已經(jīng)在推行，中國(guó)也將在2018年推行到商用車領(lǐng)域。

毫米波雷達(dá)在ADAS領(lǐng)域是很難被取代的傳感器，雖然有一些缺點(diǎn)，但是是唯一的全天候工作的傳感器。其測(cè)速、測(cè)距的精度要遠(yuǎn)高于視覺，與激光雷達(dá)相比，其測(cè)速精度會(huì)高一些。穿透力會(huì)更好。但是整體來講，這并不沖突，因?yàn)槲磥頃?huì)走向融合的趨勢(shì)，特別是針對(duì)無人駕駛，毋庸置疑三大傳感器會(huì)相互融合。