PCB資訊 - 毫米波雷達成自動駕駛不可或缺的感測器

在智慧駕駛感測器領域，和雷射雷達相比，毫米波雷達更接地氣，在技術上已非常成熟，而且其市場出貨量相當可觀，以中國市場為例，2015年車載毫米波雷達銷量為180萬顆，大概平均每12台車搭載1顆毫米波雷達。此外，毫米波雷達在歐洲的普及率非常高。

以下我們將從毫米波雷達的頻段、發展史、基本原理、關鍵技術以及市場預期幾個方面來詳細瞭解車載毫米波雷達技術和智慧駕駛應用。

一、毫米波頻段的劃分

毫米波實質上就是電磁波。毫米波的頻段比較特殊，其頻率高於無線電，低於可見光和紅外線，頻率大致範圍是10GHz—200GHz。毫米波介於微波和THz（1000GHz）之間，可以說是微波的一個子集。

在這個頻段，毫米波相關的特性使其非常適合應用於車載領域。目前，比較常見的車載領域的毫米波雷達頻段有三類。

其一是24GHz這個頻段，目前大量應用於汽車的盲點監測、變道輔助。雷達安裝在車輛的後保險杠內，用於監測車輛後方兩側的車道是否有車、可否進行變道。

另一個頻段就是77G線路板，這個頻段的頻率比較高，國際上允許的頻寬高達800MHz。據袁帥介紹，這個頻段的雷達性能要好於24GHz的雷達，所以主要用來裝配在車輛的前保險杠上，探測與前車的距離以及前車的速度，實現的主要是緊急制動、自動跟車等主動安全領域的功能。

第三類應用頻段就是79GHz—81GHz，這個頻段最大的特點就是其頻寬非常寬，要比77G線路板的高出3倍以上，這也使其具備非常高的解析度，可以達到5cm。這個解析度在自動駕駛領域非常有價值，因為自動駕駛汽車要區分行人等諸多精細物體，對頻寬的要求很高。

而在波長方面，24GHz毫米波的波長是1.25cm，而77GHz毫米波的波長大概是4mm，毫米波的波長要比光波的波長長1000倍以上，所以它對物體的穿透能力更強。

舉個例子，我們通常看到的灰塵的直徑大概在1um—100um之間，自然界的雨點的直徑在0.5mm—4mm的範圍內。所以波長與它們相等或者更長的電磁波可以輕易穿透這些障礙物，毫米波便擁有這樣的能力。

這種可靠性是其他任何感測器難以達成的，所以在ADAS這樣一個對安全性、可靠性要求比較高的領域，毫米波雷達擁有很難撼動的地位。

毫米波雷達電路板

二、毫米波雷達在車載領域的發展史

實際上，在上世紀60年代的美國，毫米波雷達便開始在車載領域應用，但是當時的工藝水準較低，應用的是單天線，前端只能一收一發，其頻率只有10GHz。

之後，為了縮小其體積，業內專家不斷將頻率往上提，來到30GHz、50GHz。雷達頻率越高、天線尺寸就越小，意味著同樣尺寸的雷達，其天線波束的集中度更高。

到了90年代，就發展出了60GHz、77G線路板和94GHz的毫米波雷達。60GHz頻段後來主要用來通信，94GHz主要是軍用頻段，而工業上則選擇了77GHz作為主流的毫米波雷達的頻段。

在歷史上，也有比較典型的毫米波雷達應用。1992年，美國交通部門在灰狗公車上安裝了1500套毫米波雷達，到1993年取得了立竿見影的效果：交通事故發生率下降了25%。不過最後因為效果太好，損壞了一些既得利益者的利益，所以在1994年被全部拆除。

三、毫米波雷達對距離、速度和角度的探測

需要明確的一點是，毫米波雷達在測量目標的距離、速度和角度上展現的性能和其他感測器還是略有區別的。視覺感測器得到的是二維資訊，沒有深度資訊，而毫米波雷達則是具備深度資訊的，可以提供目標的距離；雷射雷達對於速度並不敏感，而毫米波雷達則對速度非常敏感，可以直接獲得目標的速度，因為毫米波雷達會有很明顯的多普勒效應，通過檢測其多普勒頻移可將目標的速度提取出來。

毫米波雷達最基本的探測技術是使用FMCW連續線性調頻波去探測前方物體的距離，毫米波雷達發射的是連續波，在後端處理上要比雷射雷達的運算量大。

其原理在於：

振盪器會產生一個頻率隨時間逐漸增加的信號，這個信號遇到障礙物之後，會反彈回來，其時延是2倍距離/光速。返回來的波形和發出的波形之間有個頻率差，這個頻率差和時延是呈線性關係的：物體越遠，返回的波收到的時間就越晚，那麼它跟入射波的頻率差值就越大。

將這兩個頻率做一個減法，就可以得到二者頻率的差頻（差拍頻率），通過判斷差拍頻率的高低就可以判斷障礙物的距離。

在此基礎上衍生了很多更高級的調製方式

毫米波雷達的性能 

此外，為了探測目標的速度，也有更為高級的調頻技術來實現，主要以多普勒頻移原理為基礎。

角度的探測是通過多個接收天線接收到信號的時延來實現。舉個簡單的例子，假設有2根天線，接收從某個方向發出的電磁波，這個電磁波到達2根天線的時間是有差值的，或者說是相位差，通過這個相位差可以評估信號的角度。

這裡要引入一個非常重要的概念——毫米波雷達的解析度。其定義是“雷達可以區分的兩個物體的最近的距離”，比如，兩個物體靠得很近，那麼雷達可能會將其列為一個物體，如果分得開一些，雷達會看到兩個物體。那麼究竟離多遠雷達能區分兩個物體間的距離，這個就叫做雷達的解析度。

解析度的計算公式也很簡單，就是光速/2倍的雷達頻寬，所以對於24GHz和77G線路板來說，可以直接算出其解析度。前者是0.6m，後者則約為20cm。而3GHz頻寬的毫米波雷達的解析度可以做到5cm，非常適合自動駕駛的應用。

毫米波雷達比較

總體來說，毫米波雷達成本下降的速度還是比較快的，因為它是矽基的晶片，沒有特別昂貴和複雜的工藝。而雷射雷達則在光的收發器和組裝工藝要求高，成本比較難降下來。

雷射雷達目前還有一個非常重要的技術是固態雷射雷達，它實際上與傳統雷達、毫米波雷達是一脈相承的，固態雷射雷達實質上就是調整每個發射和接收單元的相位，毫米波雷達也是同樣的原理，只不過毫米波雷達是對電磁波進行操作，器件的實現難度要比對光的頻段上進行相位的改變的難度低很多。

而對於毫米波雷達的市場前景。一輛車上會搭載3-8顆毫米波雷達，目前賓士的高端車上也已經安裝了7顆。未來10年，車載毫米波雷達的市場規模將不容小覷。

從政策上來講，各個國家都在推進汽車的AEB功能，其中日本和北美已經在推行，中國也將在2018年推行到商用車領域。

毫米波雷達在ADAS領域是很難被取代的感測器，雖然有一些缺點，但是是唯一的全天候工作的感測器。其測速、測距的精度要遠高於視覺，與雷射雷達相比，其測速精度會高一些。穿透力會更好。但是整體來講，這並不衝突，因為未來會走向融合的趨勢，特別是針對無人駕駛，毋庸置疑三大感測器會相互融合。