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浅析自动驾驶之毫米波雷达的工作原理与发展前景

2022-01-22 00:38:11·  来源:全球智能汽车供应链  
 
随着自动驾驶的浪潮越来越大,各个智能传感器也随之成了这股浪潮中的独一无二的宠儿,然而在众多车载传感器之中,资本仿佛就只记住了摄像头和激光雷达,其他车载
随着自动驾驶的浪潮越来越大,各个智能传感器也随之成了这股浪潮中的独一无二的宠儿,然而在众多车载传感器之中,资本仿佛就只记住了摄像头和激光雷达,其他车载传感器仿佛成了失宠的“废柴”。
01 毫米波雷达工作原理
在这些“废柴”中,毫米波雷达绝对是一个随时可以逆袭翻身的黑马王子,毫米雷达翻身的基础条件就是,它拥有在全天候工作的良好性能,完全不会受到不良天气和夜晚等环境的干扰,而像激光雷达就会受到雨雪雾霾等天气环境的影响;此外,毫米波雷达的测距在200米左右都可以轻松胜任,虽然存在分辨率较低,成像难度也较高,无法识别图形等缺陷,但随着技术的进步,诸多缺点不然会不断被完善。
因此目前的毫米被雷达因为技术相对成熟,成本也比较低,并且在不良的天气下表现良好,因此将成为感知设备中重要的一环,但由于其分辨率较低,因此不能作为激光雷达的替代产品,而是作为激光雷达的重要补充设备。
毫米波雷达的工作原理是通过发出和接收实质性的电磁波,毫米波的频段比较特殊,高于无线电,低于可见光和红外线,频率范围在10GHz~200GHz 之间,属于微波的范畴,波长在1mm~1cm 之间,毫米波的这个频段和波长范围及特性适合车载雷达的应用,如侧向警示、倒车警示等。
毫米波雷达对方位的探测,原理就是使用较窄的波束,因为目标出现在大范围波束中无法精确判断方位,手段就是利用毫米波雷达波长短的特性,大量使用阵列天线来构成窄波束,车载雷达在3~5°,有效提高了方位精度。
毫米波雷达通过发射电磁波并通过检测回波来探测目标的有无、距离、速度和方位。由于毫米波雷达发射出去的电磁波是一个锥状的波束,造成了本身的优缺点,优点,可靠,因为反射面大,缺点,就是分辨力不高。
毫米波目前主要按频率分为24GHz、77GHz、79GHz三类,24GHz为短波雷达,感测距离从0.15公尺至约30公尺左右,主要作为停车辅助(Parking Assist) ;77GHz感测距离从1公尺至约100公尺左右,主要作为盲点探测 (Blind Spot Detection) ;79GHz感测范围可到250公尺,因此运用在主动巡航系统(AdaptiveCruise Control)与汽车前向碰撞报警系统(ForwardCollision Warning System),让车主有足够的时间来煞车或闪避。
近年来毫米波雷达也开始应用在车内的驾驶侦测与车机操作,运用60GHz频率的雷达在侦测驾驶者的手势用于控制车机接口、侦测乘客数量与种类来提供安全性的辅助 。而77GHz频率的雷达是不被开放在车内使用。
车载毫米波雷达主要是由天线、收发模块、信号处理模块、以及报警模块四个部分,其中的射频收发前端就是毫米波雷达的核心部件,国内外的相关企业对此都有很深的研究,并且取得了很大的进展,例如波导结构前端,微带结构前端以及前端的单片集成等前端结构已经被研发成功。一个典型的射频前端主要包括天线、线性VCO、放大器、平衡混频器部分。前端混频输出的中频信号经过中频放大送至后级数据处理部分。数据处理部分的基本目标是消除不必要信号(如杂波)和干扰信号,并对经过中频放大的混频信号进行处理,从信号频谱中提取目标距离和速度等信息。
02 毫米波雷达在自动驾驶中的应用
自动驾驶的底层支撑基本可以分为,传感器、高精地图和计算平台这三个部分,毫米波雷达便是自动驾驶感知层中的主流传感器,其实车载毫米波雷达在20世纪60年代就开始了,最先在德国、美国、日本等发达国家内开始研究的,一直到了本世纪才随着汽车市场的迅速扩长,毫米波雷达才开始了自己的上车之路。
在毫米波雷达的发展进程中,适中有一个难以绕开的问题,那就是车载毫米波雷达的频段划分,因为要避免车载毫米雷达与其他设备频段的冲突,因此需要为车载毫米波雷达划分专属的频段,在2015年日内瓦世界无线电通信大会将77.5-78.0GHz频段划分给无线电定位业务之前,各国频段的划分都不一样,此次大会之后,其中76-81GHz都属于车载雷达,就此才为全球车载毫米波雷达的频率统一指明了方向。
随着谷歌、百度的自动驾驶汽车上路,许多人也对自动驾驶技术充满期待。不过目前大部分汽车还处在ADAS(高级驾驶辅助系统)应用普及的阶段,在这个阶段中毫米波雷达就起到了很大的作用。
国际自动机工程师学会将智能驾驶的等级分为五个等级,目前我们正处于ADAS阶段。ADAS(Advanced Driver AssistantSystem)的普及是未来无人驾驶实现的先行条件,是提高汽车主动安全性能的技术基础。
03 车载毫米波雷达的市场前景
随着自动驾驶的发展步伐越来越快,毫米波雷达的市场也越来越大,目前毫米波雷达技术主要是由博世、大陆、电装、奥托立夫、以及德尔福等传统零部件巨头所垄断,此方面的尖端技术和厂商基本都集中在国外。
于此同时,由于国外对我国的技术封锁以及人才短缺、元器件进口依赖等,对于毫米波雷达尤其是 77GHz 毫米波雷达的技术难度大。但由于毫米波雷达市场空间大、潜力足,所以国内近期涌现出多家相关公司,有望逐步取得技术和市场上的突破。
其中 24GHz 已取得快速进展。目前,芜湖森思泰克,湖南纳雷、亚太股份的杭州智波等企业已推出多款产品化的 77 GHz 、24 GHz 毫米波雷达,华域汽车、南京隼眼等企业也在进行相关的产品研发。除此之外,厦门意行半导体的 24 GHz 毫米波雷达芯片 SG24T1 作为首枚国产毫米波雷达芯片已于 2016 年已量产。
在国内外毫米波雷达技术参数对比中,国内产品在精度、距离等方面差距仍然明显,随着毫米波雷达国产化的不断推进,预计在未来的两到五年,国产 24 GHz 毫米波雷达会有长足的发展,并凭借成本等优势抢占国内市场,技术相对困难的 77 GHz 毫米波雷达国产化也会快速推进,并在三到十年内逐渐取代 24 GHz 毫米波雷达。
文章来源:
1.《自动驾驶汽车传感器技术解析——毫米波雷达》-阿里巴巴测试开发(Ares shi)
2.《自动驾驶毫米波雷达发展及原理漫谈》-百度高级研发工程师(李科男)
3.《毫米波雷达在无人驾驶领域的应用》-浩数投资视点(小阳)
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