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自动驾驶之毫米波雷达

2020-05-14 00:16:53·  来源：汽车学堂Automooc  
　
毫米波雷达全天候全天时工作的超强能力，可穿透尘雾、雨雪、不受恶劣天气影响，且价格低廉，成为了汽车ADAS不可或缺的核心传感器之一。1.全天候工作的能力毫米波
毫米波雷达“全天候全天时”工作的超强能力，可穿透尘雾、雨雪、不受恶劣天气影响，且价格低廉，成为了汽车ADAS不可或缺的核心传感器之一。
 
1.全天候工作的能力
毫米波（Millimeter-Wave，缩写：MMW），是指长度在1~10mm、频率在10GHz~200GHz的电磁波，由于其波长在毫米量级，因此处于该频率范围的电磁波也被工程师们称为毫米波。
根据波的传播理论，频率越高，波长越短，分辨率越高，穿透能力越强，但在传播过程的损耗也越大，传输距离越短；相对地，频率越低，波长越长，绕射能力越强，传输距离越远。
所以与微波相比，毫米波的分辨率高、指向性好、抗干扰能力强和探测性能好。与红外相比，毫米波的大气衰减小、对烟雾灰尘具有更好的穿透性、受天气影响小。这些特质决定了毫米波雷达具有全天时全天候的工作能力。
为了推进自动驾驶技术的发展，同时要解决摄像机测距、测速不够精确的问题。工程师们选择了性价比更高的毫米波雷达作为测距和测速的传感器。毫米波雷达不仅拥有成本适中的有点，而且能够完美处理激光雷达所处理不了的沙尘天气。
2.毫米波雷达的检测原理
 
毫米波雷达的工作路径
毫米波雷达测距原理很简单，就是把无线电波（毫米波）发出去，然后接收回波，根据收发的时间差测得目标的位置数据和相对距离。根据电磁波的传播速度，可以确定目标的距离公式为：s=ct/2，其中s为目标距离，t为电磁波从雷达发射出去到接收到目标回波的时间，c为光速。
毫米波雷达测速是基于多普勒效应（Doppler Effect）原理。所谓多普勒效应就是，当声音、光和无线电波等振动源与观测者以相对速度v运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有不同。因为这一现象是奥地利科学家多普勒最早发现的，所以称之为多普勒效应。
也就是说，当发射的电磁波和被探测目标有相对移动，回波的频率会和发射波的频率不同。当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射信号频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射信号频率。由多普勒效应所形成的频率变化叫做多普勒频移，它与相对速度v成正比，与振动的频率成反比。如此，通过检测这个频率差，可以测得目标相对于雷达的移动速度，也就是目标与雷达的相对速度。根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。
3.毫米波雷达的分类
应用在自动驾驶领域的毫米波雷达主要有3个频段，分别是24GHz，77GHz和79GHz。不同频段的毫米波雷达有着不同的性能和成本。
 
短距离雷达：24GHz频段
如上图所示被标注了橙色框的Corner radar和Rear radar，就是频段在24GHz左右的雷达。
处在该频段上的雷达的检测距离有限，因此常用于检测近处的障碍物（车辆）。图中的这4个角雷达，能够实现的ADAS功能有盲点检测、变道辅助等；在自动驾驶系统中常用于感知车辆近处的障碍物，为换道决策提供感知信息。
长距离雷达：77GHz频段
如上图所示，被标注为绿色框的Long-range radar，即为频段在77GHz左右的雷达。性能良好的77GHz雷达的最大检测距离可以达到160米以上，因此常被安装在前保险杠上，正对汽车的行驶方向。如下图右下角的棕色区域，为特斯拉AutoPilot 2.0中所配备的长距离毫米波雷达，及其感知范围。
长距离雷达能够用于实现紧急制动、高速公路跟车等ADAS功能；同时也能满足自动驾驶领域，对障碍物距离、速度和角度的测量需求。
长距离雷达：79GHz频段
该频段的传感器能够实现的功能和77GHz一样，也是用于长距离的测量。
根据公式：光速 = 波长 × 频率，频率更高的毫米波雷达，其波长越短。波长越短，意味着分辨率越高；而分辨率越高，意味着在距离、速度、角度上的测量精度更高。因此79GHz的毫米波雷达必然是未来的发展趋势。
毫米波雷达相比于激光有更强的穿透性，能够轻松地穿透保险杠上的塑料，因此常被安装在汽车的保险杠内。这也是为什么很多具备ACC（自适应巡航）的车上明明有毫米波雷达，却很难从外观上发现它们的原因。
 
4.在无人驾驶中的应用
毫米波雷达应用在无人驾驶领域，有三大挑战。
挑战1：数据稳定性差
乱且不稳定的数据，是工程师面临的大挑战。数据的不稳定性对后续的软件算法提出了较高的要求。
挑战2：对金属敏感
由于毫米波雷达发出的电磁波对金属极为敏感，在实际测试过程中会发现近处路面上突然出现的钉子、远距离外的金属广告牌都会被认为是障碍物。一旦车辆高速行驶，被这些突然跳出的障碍物干扰时，会导致刹车不断，导致汽车的舒适性下降。
挑战3：高度信息缺失
毫米波雷达的数据只能提供距离和角度信息，不能像激光雷达那样提供高度信息。没有高度信息的障碍物点会给技术开发带来很多挑战。
5.产业
由于自动驾驶技术尚在研发初期，对于成本把控较严，所以毫米波雷达产业暂时迎来了飞速的发展。近两年，随着ADAS市场渗透率的不断提高，毫米波雷达已成为汽车的标配。
 
在毫米波雷达生态链主要有四个环节，分别是芯片、模块、方案商及整机厂商。在目前的整机市场方面，涌现出了一批批优秀企业，通过实现77GHZ毫米波雷达的量产，与国内整车厂展开合作，占据了市场的极大部分份额。
 
芯片（MMIC）
毫米波雷达的核心芯片来自国外厂商，几乎被他们垄断。从毫米波雷达芯片国内外企业的市场占有率来看，目前国际市场主要被恩智浦（NXP）、英飞凌、德州仪器（TI）等芯片设计公司占据。
代表厂商：得捷电子、富士通、飞思卡尔、英飞凌、安森美、恩智浦、意法半导体、瑞萨电子
 
雷达天线高频PCB板材
 
毫米波雷达天线的主流方案是微带阵列，简单说将高频PCB板集成在普通的PCB基板上实现天线的功能，需要在较小的集成空间中保持天线足够的信号强度。
目前雷达天线高频PCB板由沪电股份、Rogers(罗杰斯)、Isola、Schweizer（施瓦茨，目前沪电股份持有公司19.74%股权）等少数公司掌握。
美国、欧洲和日本在车载雷达技术和研究方面处于领先地位。
 
从竞争格局来看，全球毫米波雷达市场被博世（Bosch）、大陆集团（Continental）、天合汽车集团（TRW）、法雷奥（Valeo）、海拉（Hella）、德尔福（Delphi）、电装（Denso）、奥托立夫（Autoliv）、富士通（Fujitsu）等厂商垄断，77GHz毫米波雷达，只有博世、大陆、德尔福、电装、TRW、富士通天、Hitachi等公司掌握。
中国第一批做毫米波雷达的创业企业，大多都成立在2014-2016这几年，团队往往是科研背景、军工背景、或供应商跳槽创业背景。比如海归派：森思泰克、杭州智波。科研院所派：行易道、南京隼眼、苏州安智、苏州豪米波。实业转型派：深圳安智杰、深圳承泰、湖南纳雷。还有依莱达、德赛西威、木牛、雷博泰克、深圳卓颖。
 
 
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