隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展以及人們生活水平的顯著提高，汽車消費(fèi)每年都在快速增長，汽車保有量迅速增加，汽車安全問題則被普遍的關(guān)注，相應(yīng)的交通事故也急劇上升。大量交通事故數(shù)據(jù)表明， 80％以上的車禍?zhǔn)怯捎隈{駛員操作失誤引起的，65％的車輛相撞是追尾事故，其余的屬于側(cè)面或者正面相撞。過對汽車事故的調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)大約一半以上的事故是首尾相撞，這就是說有效的汽車防撞系統(tǒng)能夠?qū)Υ蠹s65%的事故發(fā)生起到阻止作用。同樣在高端汽車領(lǐng)域，人們越來越渴望高科技帶來的安全與便捷，結(jié)合信號處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車自主智能巡航、輔助泊車、汽車防撞雷達(dá)等各種系統(tǒng)已經(jīng)改變了人們對傳統(tǒng)汽車電子的認(rèn)識。毫米波雷達(dá)在汽車電子的典型應(yīng)用有毫米波防撞雷達(dá)、自適應(yīng)巡航、盲區(qū)檢測、輔助變道等功能。

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背景

隨著AI 的蓬勃發(fā)展，汽車的智能化程度在不斷提高，對于駕駛的安全性和舒適性也不斷提高；毫米波雷達(dá)因其探測精度高，硬件體積小，不受天氣環(huán)境的影響等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用。越來越多的車輛采用一個或者多個毫米波雷達(dá)來輔助駕駛員的駕駛操作，以提高駕駛的舒適性和安全性，避免交通事故的發(fā)生。 毫米波雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)自動駕駛多種功能，ADAS采用的傳感器主要有攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光、超聲波、紅外等。毫米波雷達(dá)傳輸距離遠(yuǎn)，在傳輸窗口內(nèi)大氣衰減和損耗低，穿透性強(qiáng)，可以滿足車輛對全天氣候的適應(yīng)性的要求，并且毫米波本身的特性，決定了毫米波雷達(dá)傳感器器件尺寸小、重量輕等特性。很好的彌補(bǔ)了攝像頭、激光、超聲波、紅外等其他傳感器，在車載應(yīng)用中所不具備的使用場景。把毫米波雷達(dá)安裝在汽車上，可以測量從雷達(dá)到被測物體之間的距離、角度和相對速度等。利用毫米波雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)巡航控制（ACC）、前向防撞報(bào)警（FCW）、盲點(diǎn)檢測（BSD）、輔助停車、輔助變道等高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）功能。比較常見的汽車毫米波雷達(dá)工作頻率在77GHz附近。 毫米波雷達(dá)市場空間廣闊，由于各國汽車安全標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，導(dǎo)致主動安全技術(shù)高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）近年來呈快速發(fā)展趨勢。汽車毫米波雷達(dá)因?yàn)槟軌蛉旌蚬ぷ鳎殉蔀槠囯娮?a target="_blank">廠商公認(rèn)的主流選擇，擁有巨大的市場需求。2014年全球汽車毫米波雷達(dá)市場出貨量在1900萬個，據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)預(yù)測，預(yù)計(jì)到2020年全球汽車毫米波雷達(dá)將近7000萬個，2015-2020年的年均復(fù)合增速約為24%。

02

汽車毫米波雷達(dá)的工作原理

汽車防撞雷達(dá)主要有超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等類型。不同雷達(dá)類型的工作原理不一樣，其性能和特點(diǎn)也各有優(yōu)缺點(diǎn)，不同的雷達(dá)可以用于實(shí)現(xiàn)不同的功能。

超聲波雷達(dá)是利用傳感器內(nèi)的超聲波產(chǎn)生器發(fā)出40kHz的超聲波，然后探測經(jīng)過障礙物反射回來的超聲波，根據(jù)超聲波反射接收的時間差來計(jì)算汽車與障礙物的距離。超聲波雷達(dá)成本低，但探測的距離只有幾米，用于泊車系統(tǒng)，而且受天氣的影響。

激光雷達(dá)是根據(jù)激光遇到障礙物后的折返時間，計(jì)算目標(biāo)與自己的相對距離。激光光束可以準(zhǔn)確測量視場中物體輪廓邊沿與設(shè)備間的相對距離，這些輪廓信息組成所謂的點(diǎn)云并繪制出3D環(huán)境地圖，精度可達(dá)到厘米級別，從而提高測量精度。激光雷達(dá)具有分辨率高、精度高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢，主要用于無人駕駛系統(tǒng)，但是激光雷達(dá)受天氣的影響，在大雪、大霧時功能受到限制，并且價(jià)格昂貴。

毫米波雷達(dá)是ADAS系統(tǒng)的主要傳感器，毫米波雷達(dá)頻率范圍30GHz-300GHz，波長從1mm-10mm，毫米波雷達(dá)測距可達(dá)200多米，可以對目標(biāo)進(jìn)行有無檢測、測距、測速以及方位測量。它具有良好的角度分辨能力，可以檢測較小的物體。同時，毫米波雷達(dá)有極強(qiáng)的穿透率，能夠穿過光照、降雨、揚(yáng)塵、大霧等來準(zhǔn)確探測物體，可全天候工作。 從上面的對比可以看出，相比激光雷達(dá)，毫米波雷達(dá)仍有著強(qiáng)大的優(yōu)勢。激光的波長遠(yuǎn)小于毫米波?(nm?vs?mm)，所以霧霾可能導(dǎo)致激光雷達(dá)失效。同樣的原因，毫米波雷達(dá)的探測距離可以輕松超過200米，而激光雷達(dá)一般不超過150米，所以對于高速公路跟車場景，毫米波雷達(dá)能夠做的更好。相比于其他類型的雷達(dá)，毫米波雷達(dá)穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，具有全天候（大雨天除外）全天時的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是無法識別物體顏色；視場角較小，需要多個雷達(dá)組合使用；行人的反射波較弱，難以識別。雖然激光雷達(dá)號稱無人車的眼睛，近幾年也受到了前所未有的追捧，但目前階段，ADAS及自動駕駛方案選擇的主流仍然是毫米波雷達(dá)。在無人駕駛時代尚未到來之前，汽車ADAS駕駛員輔助駕駛系統(tǒng)，毫米波雷達(dá)將是近幾年車載雷達(dá)的主流。隨著毫米波雷達(dá)器件成本近幾年大幅降低，也使得它在汽車領(lǐng)域迅速應(yīng)用起來。 汽車?yán)走_(dá)作為駕駛員輔助系統(tǒng)的核心傳感器(檢測距離、速度)；遠(yuǎn)距離雷達(dá)（LRR）是用來實(shí)現(xiàn)自動巡航（ACC），中距離雷達(dá)（MRR）用來實(shí)現(xiàn)側(cè)向來車報(bào)警和車道變道輔助，近距離雷達(dá)（SRR）則是用來實(shí)現(xiàn)停車輔助、障礙和行人檢測。 77GHz汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)屬于目前國內(nèi)外各大汽車公司研究和設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)，相比于激光車載雷達(dá)、紅外線車載雷達(dá)以及其他低頻段的毫米波車載雷達(dá)而言，77GHz汽車?yán)走_(dá)可利用的頻譜范圍寬、信息容量大、分辨率高、多普勒頻移大、測速靈敏度高、抗干擾能力及穿透等離子體的能力強(qiáng)，并且容易實(shí)現(xiàn)天線的窄波束和高增益等。 車載毫米波雷達(dá)按照不同的分類方式有著不同的劃分方法。根據(jù)安裝工作頻率、探測距離、主要功能等三種劃分方式。

1）按照雷達(dá)的工作頻率劃分；可以主要分為兩類：24GHz雷達(dá)和77GHz 雷達(dá)，由于24GHz 雷達(dá)在帶寬和使用范圍上的受限，以及 77GHz 雷達(dá)的高帶寬，高精度，體積小等優(yōu)勢，越來越多的國家將77GHz的頻段劃分給車載毫米波雷達(dá)使用，所以未來77GHz雷達(dá)會取代24GHz雷達(dá)。76GHz?81GHz相比于24GHz，物體分辨準(zhǔn)確度提高2-4倍，測速和測距精確度提高3?5倍，能檢測行人和自行車；且設(shè)備體積更小，更便于在車輛上安裝和部署；該頻段是全球裝配永久認(rèn)可的權(quán)威頻段，因此更適用于全球車輛平臺。采用MIMO（多輸入多輸出）陣列掃描技術(shù)的79GH成像雷達(dá)還可以獲得目標(biāo)的高度信息，從而實(shí)現(xiàn)真正意義的毫米波成像，79GHz成像雷達(dá)將成為未來車用的主流，與攝像頭、激光雷達(dá)結(jié)合實(shí)現(xiàn)多傳感器融合。在未來智能駕駛的發(fā)展過程中，將是一個重要的感知手段，多種功能的雷達(dá)與多種傳感器的技術(shù)融合，是實(shí)現(xiàn)無人駕駛的必經(jīng)之路。

2）按照雷達(dá)的探測距離劃分：可分為長距雷達(dá)（LRR），中距雷達(dá)（MRR），短距雷達(dá)（SRR）；分別應(yīng)用在不同的場景實(shí)現(xiàn)不同的功能，也可以組合使用，或配合 ADAS 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多傳感器的融合。

3）按照雷達(dá)功能劃分可以區(qū)分不同應(yīng)用的雷達(dá)：主要的常用功能雷達(dá)包括：BSD（Blind Spot Detection-盲點(diǎn)偵測系統(tǒng)），AEB（Autonomous Emergency Braking-自動緊急制動系統(tǒng)），F(xiàn)CW（Forward Collison Warning-前向碰撞警告系統(tǒng)），ACC（Adaptive Cruise Control-自適應(yīng)巡航系統(tǒng)）。 汽車毫米波雷達(dá)的工作原理 毫米波是指波長在1mm?10mm的電磁波，其帶寬大、分辨率高、天線部件尺寸小，能適應(yīng)惡劣環(huán)境。毫米波雷達(dá)中目前使用最廣泛的是調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）的特殊毫米波技術(shù)。具體指，雷達(dá)連續(xù)發(fā)射FMCW調(diào)頻信號，以測量距離，角度以及速度，不同于周期性發(fā)射短脈沖的傳統(tǒng)脈沖雷達(dá)系統(tǒng)，車用毫米波雷達(dá)，通常采用結(jié)構(gòu)簡單成本較低，適合近距離探測。雷達(dá)天線向外發(fā)出一系列連續(xù)調(diào)頻毫米波，頻率隨時間按調(diào)制電壓的規(guī)律變化，一般是連續(xù)的三角波，也可以是鋸齒波。 毫米波雷達(dá)通過微帶陣列天線向外發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波（FMCW），經(jīng)目標(biāo)反射后接收到的回波與發(fā)射波存在一個時間差，利用該時間差可計(jì)算出目標(biāo)距離。通過信號處理器分析發(fā)射與反射信號的頻率差異，基于多普勒原理，可以精確測量目標(biāo)相對于雷達(dá)的運(yùn)動速度，進(jìn)一步通過多目標(biāo)檢測與跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)分離與跟蹤。進(jìn)而結(jié)合車身動態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。經(jīng)合理決策后，以聲、光及觸覺等多種方式警告駕駛員，或及時對汽車做出主動干預(yù)，減少事故發(fā)生幾率。工作原理圖見圖1。

圖1：汽車?yán)走_(dá)工作原理框圖

1）雷達(dá)測距測速原理

毫米波雷達(dá)通過天線向外發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波（FMCW），無線電波經(jīng)過傳播到達(dá)目標(biāo)，然后返回接收天線，接收到目標(biāo)的反射信號，與本振進(jìn)行混頻出中頻信號，通過對中頻信號處理，從而獲得目標(biāo)距離和速度信息。對于調(diào)頻連續(xù)波FMCW雷達(dá)，其發(fā)射波的頻率是不斷變化的，但頻率的變化率是一定的，因此雷達(dá)主要通過對發(fā)射信號和反射回波信號做互相關(guān)，反射波與發(fā)射波形狀相同，存在一個時間差△t，還包括一個多普勒頻移。發(fā)射信號與反射信號在某一時刻的頻差即為混頻輸出的中頻頻率fb。相對運(yùn)動物體反射信號由于多普勒效應(yīng)產(chǎn)生頻移。在三角波的上升沿與下降沿輸出的中頻頻率分別為fb+、fb-。 雷達(dá)發(fā)射信號與反射回波信號見圖2。延時?t與差拍頻率成線性關(guān)系，所以通過計(jì)算拍頻率可以計(jì)算回波延時，進(jìn)而計(jì)算出目標(biāo)的距離，具體公式如下： R=c?t/2=(c*(f_(b-)+f_(b+) ))/(4K_r ) （1） 式（1）中，R為目標(biāo)距離，c光速，K_r是調(diào)頻斜率，f_(b-)和f_(b+)分別為三角波的上升沿與下降沿輸出的中頻頻率。 根據(jù)多普勒原理，求出相對目標(biāo)的相對速度： V=c/(4f_0 ) (f_(b-)-f_(b+) )=?/4 (f_(b-)-f_(b+) ) （2） 式（2）中，V為目標(biāo)相對運(yùn)動速度，?為波長，f_(b-)和f_(b+)分別為三角波的上升沿與下降沿輸出的中頻頻率。 通過上面的公式得到目標(biāo)車輛的距離R與相對運(yùn)動速度V。不管目標(biāo)是相對靜止還是相對運(yùn)動，只需要求出三角波調(diào)制在上升過程和下降過程的中頻頻率，就可以得到目標(biāo)的距離和速度信息。

圖2：發(fā)射信號、運(yùn)動目標(biāo)與靜止目標(biāo)的反射回波信號

2）雷達(dá)目標(biāo)識別 毫米波雷達(dá)的目標(biāo)識別基本原理是：利用雷達(dá)回波中的幅度、相位、頻譜和極化等目標(biāo)特征信息，通過數(shù)學(xué)上的各種多維空間變換來估算目標(biāo)的大小、形狀等物理特性參數(shù)， 最后根據(jù)大量訓(xùn)練樣本所確定的鑒別函數(shù)，在分類器中進(jìn)行識別判決，內(nèi)容包括目標(biāo)識別預(yù)處理、特征信號提取、特征空間變換、模式分類器及樣本學(xué)習(xí)等模塊。其中特征信號提取是指毫米波雷達(dá)采集提取其發(fā)射的電磁波與目標(biāo)相互作用產(chǎn)生的各種信息，包括：RCS（雷達(dá)散射截面積）以及其他特征參數(shù)。

3）雷達(dá)目標(biāo)跟蹤 目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)有目標(biāo)信息預(yù)處理、目標(biāo)跟蹤處理、目標(biāo)濾波處理等模塊組成。其中目標(biāo)信息預(yù)處理主要包括目標(biāo)回波的處理、目標(biāo)檢測、點(diǎn)跡凝聚、參數(shù)計(jì)算等。目標(biāo)跟蹤處理及濾波主要包括目標(biāo)預(yù)測、目標(biāo)相關(guān)、目標(biāo)濾波等。

責(zé)任編輯：PSY

原文標(biāo)題：汽車毫米波雷達(dá)

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