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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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