ADAS系統(tǒng)無人駕駛的眼睛--毫米波雷達

ADAS系統(tǒng)無人駕駛的眼睛--毫米波雷達

汽車已經(jīng)進入無人駕駛探索階段，可以主動防護汽車駕駛安全的高級駕駛輔助系統(tǒng)(以下簡稱：ADAS)技術(shù)也正在逐步的完善。

ADAS簡單來說就是讓汽車有感知系統(tǒng)，可感受環(huán)境的變化并隨時做出響應(yīng)。如何完成這種感知呢？

這就需要ADAS利用車上的各種傳感器來收集汽車在行駛時周圍的環(huán)境狀態(tài)，比如靜態(tài)、動態(tài)物體的識別等，收集之后再進行系統(tǒng)的運算和分析，讓駕駛者可以準(zhǔn)確的預(yù)判即將發(fā)生的危險，從而保證駕駛安全。

ADAS傳感器種類很多，有攝像頭、超聲波傳感器、激光雷達、毫米波雷達等。前面3種均很容易受惡劣天氣(雨霧等)的影響而導(dǎo)致性能降低，甚至失效，或多或少都存在“致命”的缺陷！

但是毫米波雷達就不一樣，它憑借可穿透塵霧、雨雪，不受惡劣天氣影響等優(yōu)點，且能夠“24小時全天時”工作，成為了汽車ADAS不可或缺的核心傳感器之一。

1：什么是毫米波？它和其他波的區(qū)別？

1)工作在毫米波波段(millimeter wave )探測的雷達。工作頻段一般為30GHz ~ 300 GHz， 波長 1~10mm，介于微波和厘米波之間，兼具有微波雷達和光電雷達的一些優(yōu)點；

2)毫米波雷達具有體積小、易集成和空間分辨率高的特點。

3)車載毫米波雷達的工作頻率為一般為 24GHz 和77GHz ；



根據(jù)波的傳播理論，頻率越高，波長越短，分辨率越高，穿透能力越強，所以與其他微波相比，毫米波的分辨率高、指向性好、抗干擾能力強和探測性能好。與紅外相比，毫米波的大氣衰減小、對煙霧灰塵具有更好的穿透性、受天氣影響小。這些特質(zhì)決定了毫米波雷達具有全天時、全天候的工作能力。 車載毫米波雷達主要集中在24GHz和77GHz這2個頻段： 24GHz 雷達主要實現(xiàn)近程和中程探測，可用于汽車盲點監(jiān)測、車道偏離預(yù)警、泊車輔助等功能。24GHz雷達是最早劃分出來民用的，很長時間內(nèi)汽車上都用這個。但是現(xiàn)在歐美對24GHz使用帶寬有所限制，并且24GHz雷達的天線體積因為波長的原因相對較大。

77GHz 雷達可以實現(xiàn)遠程探測，可用于自動緊急制動、自適應(yīng)巡航、前向碰撞預(yù)警等主動安全領(lǐng)域的功能。77GHz雷達也可以實現(xiàn)短距和中短距離的汽車應(yīng)用。77GHz的波長是3.9mm，是真正意義上的毫米波，正逐步取代24GHz，成為汽車領(lǐng)域主流的傳感器。

 
2：毫米波雷達的基本結(jié)構(gòu)

硬件核心：MMIC芯片和天線PCB板，以FMCW車載雷達系統(tǒng)為例，主要包括：天線、收發(fā)模塊、信號處理模塊；

1)前端單片微波集成電路(MMIC) ( 供應(yīng)商：英飛凌、飛思卡爾 、廈門意行和南京米勒；)它包括多種功能電路，如低噪聲放大器(LNA)、功率放大器、混頻器、甚至收發(fā)系統(tǒng)等功能；

特點：電路損耗小、噪聲低、頻帶寬、動態(tài)范圍大、功率大、附加效率高、抗電磁輻射能力強等特點；

2)雷達天線高頻PCB板：毫米波雷達天線的主流方案是微帶陣列，即將高頻PCB板集成在普通的PCB基板上實現(xiàn)天線的功能，需要在較小的集成空間中保持天線足夠的信號強度。

 3：毫米波雷達基本工作原理

1)利用高頻電路產(chǎn)生特定調(diào)制頻率(FMCW)的電磁波，并通過天線發(fā)送電磁波和接收從目標(biāo)反射回來的電磁波，通過發(fā)送和接收電磁波的參數(shù)來計算目標(biāo)的各個參數(shù)。

2)可以同時對多個目標(biāo)進行測距、測速以及方位測量；測速是根據(jù)多普勒效應(yīng)，而方位測量(包括水平角度和垂直角度)是通過天線的陣列方式來實現(xiàn)的。

                     毫米波雷達基本工作原理示意圖

4：毫米波雷達的工作體制

1)工作體制 ：根據(jù)輻射電磁波方式不同，毫米波雷達主要有脈沖體制以及連續(xù)波體制兩種工作體制。其中連續(xù)波又可以分為FSK(頻移鍵控)、PSK(相移鍵控)、CW(恒頻連續(xù)波)、FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)等方式。


毫米波雷達不同工作體制
2)FMCW調(diào)頻連續(xù)波雷達的不同調(diào)制形式：

a、正弦波調(diào)制 b、鋸齒式波調(diào)制 c、三角波調(diào)制

不同調(diào)頻方式的雷達硬件構(gòu)成基本相同，只有小部分電路模塊、電路參數(shù)與信號處理算法有所區(qū)別；對于單個靜止物體的測量，鋸齒波調(diào)制方式即可滿足；對于運動物體，多采用三角波調(diào)制方式；

5：毫米波雷達測距、側(cè)速、測方位角原理簡介

測距：(TOF)通過給目標(biāo)連續(xù)發(fā)送毫米波信號，然后用傳感器接收從物體返回的毫米波，通過探測毫米波的飛行(往返)時間來得到目標(biāo)物距離。

測速：根據(jù)多普勒效應(yīng)，通過計算返回接收天線的雷達波的頻率變化就可以得到目標(biāo)相對于雷達的運動速度，簡單地說就是相對速度正比于頻率變化量。

測方位角：通過并列的接收天線收到同一目標(biāo)反射的雷達波的相位差計算得到目標(biāo)的方位角；

6：毫米波雷達在自動駕駛功能上的應(yīng)用

自動駕駛采用的傳感器主要有攝像頭、毫米波雷達、激光、超聲波、紅外等。毫米波雷達傳輸距離遠，在傳輸窗口內(nèi)大氣衰減和損耗低，穿透性強，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，決定了毫米波雷達傳感器器件尺寸小、重量輕等特性。很好的彌補了攝像頭、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。

把毫米波雷達安裝在汽車上，可以測量從雷達到被測物體之間的距離、角度和相對速度等。利用毫米波雷達可以實現(xiàn)自適應(yīng)巡航控制(AdaptiveCruiseControl)，前向防撞報警(ForwardCollisionWarning)，盲點檢測(BlindSpotDetection)，輔助停車(Parkingaid)，輔助變道(Lanechangeassistant)，自主巡航控制(ACC)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工作頻率在24GHz和77GH附近。24GHz雷達系統(tǒng)主要實現(xiàn)近距離探測(SRR)，而77GHz系統(tǒng)主要實現(xiàn)遠距離的探測(LRR)。

目前，毫米波雷達主要為24GHz和77GHz。24GHz的雷達測量距離較短(5～30m)，主要應(yīng)用于汽車后方;77GHz的雷達測量距離較長(30～70m)，主要應(yīng)用于汽車前方和兩側(cè)。毫米波雷達主要包括雷達射頻前端、信號處理系統(tǒng)、后端算法三部分。在現(xiàn)有的產(chǎn)品中，雷達后端算法的專利授權(quán)費用約占成本的50%，射頻前端約占成本的40%，信號處理系統(tǒng)約占成本的10%。

1、射頻前端：射頻前端通過****和接收毫米波，得到中頻信號，從中提取距離、速度等信息。因此，射頻前端直接決定了雷達系統(tǒng)的性能。當(dāng)前毫米波雷達射頻前端主要為平面集成電路，有混合微波集成電路(HMIC)和單片微波集成電路(MMIC)兩種形式。其中，MMIC形式的射頻前端成本低，成品率高，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。在生產(chǎn)工藝上，一般采用的是外延MESFET、HEMT和HBT等器件工藝。其中，GaAs基的HEMT工藝最為成熟，具有優(yōu)秀的噪聲性能。

2、信號處理系統(tǒng)：信號處理系統(tǒng)也是雷達重要的組成部分，通過嵌入不同的信號處理算法，提取從射頻前端采集得到的中頻信號，獲得特定類型的目標(biāo)信息。信號處理系統(tǒng)一般以DSP為核心，實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法，滿足雷達的實時性需求。

3、后端算法：后端算法占整個毫米波雷達成本的比例最高。針對毫米波雷達，國內(nèi)研究人員從頻域、時域、時頻分析多個角度提出了大量的算法，離線實驗的精度也較高。但是，國內(nèi)的雷達產(chǎn)品主要采用基于頻域的快速傅里葉變換及其改進算法進行分析，測量精度和適用范圍有一定局限性而國外算法受專利嚴(yán)格保護，價格非常昂貴。

7：毫米波雷達發(fā)展進程

車載毫米波雷達的研究始于20世紀(jì)60年代，研究主要在以德、美、日等發(fā)達國家內(nèi)展開。早期車載毫米波雷達發(fā)展緩慢，21世紀(jì)后隨著汽車市場需求增長開始進入蓬勃發(fā)展期。在毫米波雷達的發(fā)展進程中，有一個繞不開的問題就是車載毫米波雷達頻段劃分。為避免與其他設(shè)備頻段沖突，車載雷達需要分配專屬頻段，各國頻段劃分略有不同。2015年日內(nèi)瓦世界無線電通信大會將77.5-78.0GHz頻段劃分給無線電定位業(yè)務(wù)，以支持短距離高分辨率車載雷達的發(fā)展，從而使76-81GHz都可用于車載雷達，為全球車載毫米波雷達的頻率統(tǒng)一指明了方向。隨著谷歌、百度的自動駕駛汽車上路，許多人也對自動駕駛技術(shù)充滿期待。不過目前大部分汽車還處在ADAS(高級駕駛輔助系統(tǒng))應(yīng)用普及的階段，在這個階段中毫米波雷達就起到了很大的作用。 國際自動機工程師學(xué)會將智能駕駛的等級分為五個等級，目前我們正處于ADAS階段。ADAS(Advanced Driver AssistantSystem)的普及是未來無人駕駛實現(xiàn)的先行條件，是提高汽車主動安全性能的技術(shù)基礎(chǔ)。ADAS系統(tǒng)分為環(huán)境感知、計算分析、控制執(zhí)行三大模塊。其中傳感器在環(huán)境感知模塊中具有重要的作用，多種傳感器融合應(yīng)用是未來必然趨勢，毫米波雷達將率先成為ADAS系統(tǒng)主力傳感器，接下來看看毫米波產(chǎn)業(yè)鏈全景圖。
8：全球毫米波雷達產(chǎn)業(yè)鏈全景圖