毫米波雷達測量原理

科技改變生活，但安全永遠(yuǎn)第一

汽車作為人們最重要的交通工具，沒有什么比它更能影響著人們的日常出行和生活方式。自1886年世界上第一輛三輪汽車誕生以來，人們就懷揣著無人駕駛的夢想，一直致力于發(fā)展和革新汽車技術(shù)?，F(xiàn)在我們已經(jīng)欣喜看到一些無人駕駛的概念車型面世，可就在去年3月，Uber自動駕駛汽車撞死行人一事給如火如荼的無人駕駛發(fā)展前景蒙上了一層陰影，也讓人們意識到科技給人們帶來方便和快捷的同時，必須牢記“安全永遠(yuǎn)第一”！

圖1 世界上第一輛三輪汽車和Smart無人駕駛概念車

雖然真正的無人駕駛汽車還需等待時日，作為主動防護汽車駕駛安全的高級駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistance Systems，簡稱ADAS）正在逐漸成熟和普及。ADAS主要利用安裝在車上的各式各樣傳感器收集數(shù)據(jù)，在行駛過程中隨時感知周圍的環(huán)境，收集數(shù)據(jù)，進行靜態(tài)、動態(tài)物體的識別、偵測與追蹤，并結(jié)合導(dǎo)航儀地圖數(shù)據(jù)，進行系統(tǒng)的運算與分析，從而預(yù)先讓駕駛者察覺到可能發(fā)生的危險，有效增加汽車駕駛的舒適性和安全性。目前感知環(huán)境的ADAS傳感器有攝像頭、超聲波傳感器和毫米波雷達等。當(dāng)然，自動駕駛汽車還需要車載激光雷達。

一直以來，激光雷達因能對周圍環(huán)境實現(xiàn)3D感知而備受自動駕駛主流者的“寵愛”。不過無論是激光雷達還是攝像頭、超聲波傳感器，都容易受惡劣天氣環(huán)境影響導(dǎo)致性能降低甚至失效（惡劣天氣環(huán)境往往是事故高發(fā)的主要原因），因而都存在“致命”缺陷！這種時候，毫米波雷達憑借其可穿透塵霧、雨雪、不受惡劣天氣影響的絕對優(yōu)勢，且唯一能夠“全天候全天時”工作的超強能力，成為了汽車ADAS不可或缺的核心傳感器之一！

下面，我們和毫米波雷達來一次“親密接觸”，了解一下它的概念和工作原理。

01毫米波雷達——全天候全天時工作

毫米波雷達，顧名思義，就是工作在毫米波頻段的雷達。毫米波（Millimeter-Wave，縮寫：MMW），是指長度在1~10mm的電磁波，對應(yīng)的頻率范圍為30~300GHz。如圖2，毫米波位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長范圍，所以毫米波兼有這兩種波譜的優(yōu)點，同時也有自己獨特的性質(zhì)。毫米波的理論和技術(shù)分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發(fā)展。

圖2 電磁波譜

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，但在傳播過程的損耗也越大，傳輸距離越短；相對地，頻率越低，波長越長，繞射能力越強，傳輸距離越遠(yuǎn)。所以與微波相比，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。

02大氣窗口和毫米波雷達的頻段劃分

通常大氣層中水汽、氧氣會對電磁波有吸收作用，目前絕大多數(shù)毫米波應(yīng)用研究集中在幾個“大氣窗口”頻率和三個“衰減峰”頻率上。所謂的“大氣窗口”是指電磁波通過大氣層較少被反射、吸收和散射的那些透射率高的波段。如圖3，我們可以看到毫米波傳播受到衰減較小的“大氣窗口”主要集中在35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、220GHz頻段附近。而在60GHz、120GHz、180GHz頻段附近衰減出現(xiàn)極大值，即“衰減峰”。一般說來，“大氣窗口”頻段比較適用于點對點通信，已被低空空地導(dǎo)彈和地基雷達所采用，而“衰減峰”頻段被多路分集的隱蔽網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)優(yōu)先選用，用以滿足網(wǎng)絡(luò)安全系數(shù)的要求。

圖3 毫米波不同頻段大氣衰減趨勢圖

目前，各大國的車載雷達頻段主要集中在在24GHz、60GHz和77GHz這3個頻段，如表1展示了主要國家車載雷達頻率劃分情況。其中，24GHz的波長是1.25cm（雖然24GHz的波長是1.25cm，但是目前業(yè)界也依然將其稱之為毫米波），60GHz是5mm，77GHz的波長則更短，只有3.9mm。正如前面所說，頻率越高波長越短，分辨率、精準(zhǔn)度就越高。所以，精度更高的77GHz雷達正努力成為汽車領(lǐng)域主流傳感器。

表1 主要國家車載雷達頻率劃分情況

03毫米波雷達的產(chǎn)業(yè)布局

美國、歐洲和日本在車載雷達技術(shù)研究方面處于領(lǐng)先地位?，F(xiàn)在越來越多的公司和供應(yīng)商投入到汽車?yán)走_系統(tǒng)研制、器件開發(fā)和算法研究當(dāng)中。從毫米波雷達的產(chǎn)業(yè)布局來看，系統(tǒng)目前是被海外的巨頭控制著，例如大陸（Continental）、博世（Bosch）、海拉（Hella）、德爾福（Delphi）、奧托立夫（Autoliv）等，核心元器件也主要被英飛凌（Infineon）、德州儀器（TI）、意法半導(dǎo)體（ST）、亞德諾半導(dǎo)體（ADI）等壟斷。相比于國外企業(yè)，車載毫米波雷達在國內(nèi)仍屬于起步階段。在24GHz雷達方面，國內(nèi)少數(shù)企業(yè)研發(fā)已有成果，市場化產(chǎn)品即將問世；但在77GHz毫米波雷達方面仍屬于初級階段，國內(nèi)只有極少數(shù)企業(yè)能做到77GHz雷達的樣機階段，產(chǎn)業(yè)化進程仍待突破。不過，近些年國內(nèi)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)廠商逐漸增長，比如行易道科技、華域汽車、隼眼科技、智波科技、興玄物聯(lián)、豪米波技術(shù)、意行半導(dǎo)體、清能華波、矽杰微電子、加特蘭微電子等，并實現(xiàn)了部分核心技術(shù)的突破，相信打破國外企業(yè)壟斷的局面指日可待！

圖4 全球毫米波雷達產(chǎn)業(yè)鏈全景圖

04毫米波雷達的測距與測速原理

雷達，是英文RADAR的音譯，源于Radio Detection and Ranging的縮寫，意思為“無線電探測和測距”，即用無線電的方法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定它們的空間位置，這也揭示了雷達最重要任務(wù)就是檢測與目標(biāo)物體的距離、速度和方向。

毫米波雷達測距原理很簡單，就是把無線電波（毫米波）發(fā)出去，然后接收回波，根據(jù)收發(fā)的時間差測得目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)和相對距離。根據(jù)電磁波的傳播速度，可以確定目標(biāo)的距離公式為：s=ct/2，其中s為目標(biāo)距離，t為電磁波從雷達發(fā)射出去到接收到目標(biāo)回波的時間，c為光速。

毫米波雷達測速是基于多普勒效應(yīng)（Doppler Effect）原理。所謂多普勒效應(yīng)就是，當(dāng)聲音、光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度v運動時，觀測者所收到的振動頻率與振動源所發(fā)出的頻率有不同。因為這一現(xiàn)象是奧地利科學(xué)家多普勒最早發(fā)現(xiàn)的，所以稱之為多普勒效應(yīng)。也就是說，當(dāng)發(fā)射的電磁波和被探測目標(biāo)有相對移動，回波的頻率會和發(fā)射波的頻率不同。當(dāng)目標(biāo)向雷達天線靠近時，反射信號頻率將高于發(fā)射信號頻率；反之，當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離天線而去時，反射信號頻率將低于發(fā)射信號頻率，如圖5。由多普勒效應(yīng)所形成的頻率變化叫做多普勒頻移，它與相對速度v成正比，與振動的頻率成反比。如此，通過檢測這個頻率差，可以測得目標(biāo)相對于雷達的移動速度，也就是目標(biāo)與雷達的相對速度。根據(jù)發(fā)射脈沖和接收的時間差，可以測出目標(biāo)的距離。

圖5 多普勒效應(yīng)

05

對于車輛安全來說，最主要的判斷依據(jù)就是兩車之間的相對距離和相對速度信息，特別車輛在高速行駛中，如果兩車的距離過近，是容易導(dǎo)致追尾事故。憑借出色的測距測速能力，毫米波雷達被廣泛地應(yīng)用在自適應(yīng)巡航控制（ACC）、前向防撞報警（FCW）、盲點檢測（BSD）、輔助停車（PA）、輔助變道（LCA）等汽車ADAS中。

通常，為了滿足不同距離范圍的探測需要，一輛汽車上會安裝多顆短程、中程和長程毫米波雷達。其中24GHz雷達系統(tǒng)主要實現(xiàn)近距離探測（SRR），77GHz雷達系統(tǒng)主要實現(xiàn)中遠(yuǎn)距離的探測（LRR）。不同的毫米波雷達“各司其職”，在車輛前方、車身和后方發(fā)揮不同的作用。

圖6 毫米波雷達在汽車ADAS中的主要應(yīng)用

06毫米波雷達的其它應(yīng)用

毫米波雷達除了汽車ADAS應(yīng)用，還在無人機、安防、智能交通、工業(yè)以及軍用領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的作用。

? 無人機：主要應(yīng)用體現(xiàn)在定高和避障兩個方面。

? 安防：主要應(yīng)用在一些重要的區(qū)域的安全警戒。

? 智能交通：主要應(yīng)用于車輛檢測、交通量調(diào)查、交通事件檢測、交通誘導(dǎo)、超速監(jiān)測、電子卡口、電子警察和紅綠燈控制等。

? 工業(yè)：主要應(yīng)用于工業(yè)液位計、挖掘機、重型推土機、高壓電線塔附近安全施工、生產(chǎn)安全監(jiān)測等。

? 軍用：主要應(yīng)用于雷達探測、導(dǎo)彈制導(dǎo)、衛(wèi)星遙感、電子對抗等。

07智能毫米波雷達開發(fā)

毫米波雷達作為汽車ADAS的最核心傳感器之一，目前最大的“缺陷”就是因分辨率不高，無法辨識行人和對周圍障礙物進行精準(zhǔn)的建模，而高分辨率智能雷達傳感器對于實現(xiàn)高級自動駕駛至關(guān)重要。所以有些毫米波雷達企業(yè)正著力于開發(fā)雷達的成像技術(shù)。

為了給雷達“開眼”，各家企業(yè)各顯神通，采用不同的技術(shù)進行了大膽的創(chuàng)新，其中表現(xiàn)比較突出的有：麥得威國際（Metawave）新一代成像雷達產(chǎn)品WARLORD和Arbe Robotics公司Ultres系統(tǒng)。前者采用了新型的超材料天線，能發(fā)射可操控的高度定向的電磁波束，同時在雷達產(chǎn)品中嵌入了AI引擎，以實現(xiàn)對物體的發(fā)現(xiàn)、識別、跟蹤和分類；而后者的雷達方案是基于數(shù)學(xué)算法的合成孔徑雷達（SAR）成像技術(shù)，所謂SAR成像技術(shù)是指利用大帶寬發(fā)射信號實現(xiàn)距離向高分辨率、利用相對運動等效長合成陣列實現(xiàn)方位向高分辨率的雷達成像技術(shù)）。雖然這些成像技術(shù)目前還有一些待改善的地方，不過都已經(jīng)取得不錯的突破性進展，相信在不久的L4級和L5級自動駕駛汽車上發(fā)揮重要作用。

圖7 智能雷達實現(xiàn)成像

結(jié)語

雖然無人駕駛汽車大范圍上路還很遙遠(yuǎn)，除了技術(shù)和成本的因素，還有相關(guān)的法律和倫理問題尚待解決。但是，ADAS作為自動駕駛的“初級形式”，已經(jīng)可以讓我們在特定環(huán)境內(nèi)體驗到未來無人駕駛汽車的樂趣！各種不同類型、不同層次的自動駕駛技術(shù)將呈現(xiàn)共同發(fā)展，各自覆蓋不同市場需求和不同商業(yè)模式的情形。

毫米波雷達、攝像頭、激光雷達等傳感器各有優(yōu)劣勢，為了保證安全永遠(yuǎn)第一，多傳感器融合是大勢所趨，這也為更高階的自動駕駛方案的實現(xiàn)提供了必要的技術(shù)儲備。隨著創(chuàng)新的智能3D成像雷達的技術(shù)不斷完善，甚至可以奢望毫米波雷達可部分取代昂貴的激光雷達?？傊?，無論是現(xiàn)階段的ADAS，還是更高階的自動駕駛，甚至是終極的無人駕駛，毫米波雷達作為唯一能夠全天候全天時工作的傳感器都將是不可或缺的環(huán)境感知傳感器，為我們的出行安全“保駕護航”！