毫米波雷達(dá)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(mèng)想，一直致力于發(fā)展和革新汽車技術(shù)。現(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(dòng)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(shí)到科技給人們帶來方便和快捷的同時(shí)，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(shí)日，作為主動(dòng)防護(hù)汽車駕駛安全的高級(jí)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(shí)感知周圍的環(huán)境，收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)物體的識(shí)別、偵測與追蹤，并結(jié)合導(dǎo)航儀地圖數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)算與分析，從而預(yù)先讓駕駛者察覺到可能發(fā)生的危險(xiǎn)，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(dá)等。當(dāng)然，自動(dòng)駕駛汽車還需要車載激光雷達(dá)。

一直以來，激光雷達(dá)因能對(duì)周圍環(huán)境實(shí)現(xiàn)3D感知而備受自動(dòng)駕駛主流者的“寵愛”。不過無論是激光雷達(dá)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(shí)候，毫米波雷達(dá)憑借其可穿透塵霧、雨雪、不受惡劣天氣影響的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，且唯一能夠“全天候全天時(shí)”工作的超強(qiáng)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(dá)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(dá)——全天候全天時(shí)工作

毫米波雷達(dá)，顧名思義，就是工作在毫米波頻段的雷達(dá)。毫米波（Millimeter-Wave，縮寫：MMW），是指長度在1~10mm的電磁波，對(duì)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(diǎn)，同時(shí)也有自己獨(dú)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(qiáng)，但在傳播過程的損耗也越大，傳輸距離越短；相對(duì)地，頻率越低，波長越長，繞射能力越強(qiáng)，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(qiáng)和探測性能好。與紅外相比，毫米波的大氣衰減小、對(duì)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(dá)具有全天時(shí)全天候的工作能力。

02大氣窗口和毫米波雷達(dá)的頻段劃分

通常大氣層中水汽、氧氣會(huì)對(duì)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(gè)“大氣窗口”頻率和三個(gè)“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(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，已被低空空地導(dǎo)彈和地基雷達(dá)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(shì)圖

目前，各大國的車載雷達(dá)頻段主要集中在在24GHz、60GHz和77GHz這3個(gè)頻段，如表1展示了主要國家車載雷達(dá)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(dá)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(dá)頻率劃分情況

03毫米波雷達(dá)的產(chǎn)業(yè)布局

美國、歐洲和日本在車載雷達(dá)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_(dá)系統(tǒng)研制、器件開發(fā)和算法研究當(dāng)中。從毫米波雷達(dá)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(dá)在國內(nèi)仍屬于起步階段。在24GHz雷達(dá)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(dá)方面仍屬于初級(jí)階段，國內(nèi)只有極少數(shù)企業(yè)能做到77GHz雷達(dá)的樣機(jī)階段，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)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(shí)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(dá)產(chǎn)業(yè)鏈全景圖

04毫米波雷達(dá)的測距與測速原理

雷達(dá)，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(dá)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(dá)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(shí)間差測得目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)和相對(duì)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(dá)發(fā)射出去到接收到目標(biāo)回波的時(shí)間，c為光速。

毫米波雷達(dá)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(dòng)源與觀測者以相對(duì)速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測者所收到的振動(dòng)頻率與振動(dòng)源所發(fā)出的頻率有不同。因?yàn)檫@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(duì)移動(dòng)，回波的頻率會(huì)和發(fā)射波的頻率不同。當(dāng)目標(biāo)向雷達(dá)天線靠近時(shí)，反射信號(hào)頻率將高于發(fā)射信號(hào)頻率；反之，當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離天線而去時(shí)，反射信號(hào)頻率將低于發(fā)射信號(hào)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(duì)速度v成正比，與振動(dòng)的頻率成反比。如此，通過檢測這個(gè)頻率差，可以測得目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的移動(dòng)速度，也就是目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)速度。根據(jù)發(fā)射脈沖和接收的時(shí)間差，可以測出目標(biāo)的距離。

圖5 多普勒效應(yīng)

05

對(duì)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(duì)距離和相對(duì)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(dá)被廣泛地應(yīng)用在自適應(yīng)巡航控制（ACC）、前向防撞報(bào)警（FCW）、盲點(diǎn)檢測（BSD）、輔助停車（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(huì)安裝多顆短程、中程和長程毫米波雷達(dá)。其中24GHz雷達(dá)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)近距離探測（SRR），77GHz雷達(dá)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離的探測（LRR）。不同的毫米波雷達(dá)“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(dá)在汽車ADAS中的主要應(yīng)用

06毫米波雷達(dá)的其它應(yīng)用

毫米波雷達(dá)除了汽車ADAS應(yīng)用，還在無人機(jī)、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(jī)：主要應(yīng)用體現(xiàn)在定高和避障兩個(gè)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(jì)、挖掘機(jī)、重型推土機(jī)、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(dá)探測、導(dǎo)彈制導(dǎo)、衛(wèi)星遙感、電子對(duì)抗等。

07智能毫米波雷達(dá)開發(fā)

毫米波雷達(dá)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(shí)行人和對(duì)周圍障礙物進(jìn)行精準(zhǔn)的建模，而高分辨率智能雷達(dá)傳感器對(duì)于實(shí)現(xiàn)高級(jí)自動(dòng)駕駛至關(guān)重要。所以有些毫米波雷達(dá)企業(yè)正著力于開發(fā)雷達(dá)的成像技術(shù)。

為了給雷達(dá)“開眼”，各家企業(yè)各顯神通，采用不同的技術(shù)進(jìn)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(dá)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(shí)在雷達(dá)產(chǎn)品中嵌入了AI引擎，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、跟蹤和分類；而后者的雷達(dá)方案是基于數(shù)學(xué)算法的合成孔徑雷達(dá)（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(hào)實(shí)現(xiàn)距離向高分辨率、利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)等效長合成陣列實(shí)現(xiàn)方位向高分辨率的雷達(dá)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(cuò)的突破性進(jìn)展，相信在不久的L4級(jí)和L5級(jí)自動(dòng)駕駛汽車上發(fā)揮重要作用。

圖7 智能雷達(dá)實(shí)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(dòng)駕駛的“初級(jí)形式”，已經(jīng)可以讓我們?cè)谔囟ōh(huán)境內(nèi)體驗(yàn)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(dòng)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(dá)、攝像頭、激光雷達(dá)等傳感器各有優(yōu)劣勢(shì)，為了保證安全永遠(yuǎn)第一，多傳感器融合是大勢(shì)所趨，這也為更高階的自動(dòng)駕駛方案的實(shí)現(xiàn)提供了必要的技術(shù)儲(chǔ)備。隨著創(chuàng)新的智能3D成像雷達(dá)的技術(shù)不斷完善，甚至可以奢望毫米波雷達(dá)可部分取代昂貴的激光雷達(dá)?？傊?，無論是現(xiàn)階段的ADAS，還是更高階的自動(dòng)駕駛，甚至是終極的無人駕駛，毫米波雷達(dá)作為唯一能夠全天候全天時(shí)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(hù)航”！