車載毫米波雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及在自動(dòng)駕駛里的應(yīng)用

狄新輝

摘要：隨著全球智能駕駛進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化與商業(yè)化的準(zhǔn)備期，車載毫米波雷達(dá)憑借其優(yōu)異性能已成為不可或缺的環(huán)境感知傳感器并在硬件技術(shù)和應(yīng)用算法上得到迅猛發(fā)展，尤其是在預(yù)防交通事故方面起著至關(guān)重要的作用。在汽車輔助駕駛和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，毫米波雷達(dá)是重要的一環(huán)，它可以在惡劣的天氣和復(fù)雜的路況下有比較好的跟蹤效果。本文以毫米波雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)為切入點(diǎn)對(duì)車載毫米波雷達(dá)的系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，分別討論了長(zhǎng)距、中距和短距車載毫米波雷達(dá)的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用，以及對(duì)下一代毫米波雷達(dá)做了技術(shù)展望。

關(guān)鍵詞：車載毫米波雷達(dá);自動(dòng)駕駛

1引言

毫米波雷達(dá)指工作在毫米波波段的雷達(dá)，是測(cè)量被測(cè)物體相對(duì)距離、相對(duì)速度、方位的高精度傳感器，早期被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，毫米波雷達(dá)傳感器開始應(yīng)用于汽車電子、無人機(jī)、智能交通等多個(gè)領(lǐng)域。

毫米波雷達(dá)作為汽車主動(dòng)安全領(lǐng)域關(guān)鍵傳感器部件，可有效穿透霧、煙、灰塵，實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候工作負(fù)荷要求。目前汽車輔助駕駛系統(tǒng)安裝毫米波雷達(dá)近年來快速增加，主要產(chǎn)品有車載自適應(yīng)巡航裝置（ACC）、自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB），前端碰撞預(yù)警系統(tǒng)（FCW）、輔助變道系統(tǒng)（LCA）、自動(dòng)跟車系統(tǒng)（S&G）、車尾端盲區(qū)探測(cè)裝置（BSD）、側(cè)向探測(cè)系統(tǒng)（CTA）等車載應(yīng)用毫米雷達(dá)。車載雷達(dá)通過對(duì)目標(biāo)大小、速度（相對(duì)）、距離、角度、數(shù)量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算、分析、顯示、預(yù)警、自動(dòng)控制等操作。隨著汽車市場(chǎng)的日益開拓，車載毫米波雷達(dá)技術(shù)測(cè)量精度更高，數(shù)據(jù)處理時(shí)間更短，探測(cè)目標(biāo)更密集且搜索預(yù)警半徑更大，安全可靠性更高端。而且隨著技術(shù)不斷成熟，車載毫米波雷達(dá)生產(chǎn)成本更加低廉，將能夠滿足無人駕駛雷達(dá)系統(tǒng)需求。

2車載毫米波雷達(dá)的現(xiàn)實(shí)意義

隨著ADAS市場(chǎng)滲透率加速提升，車載毫米波雷達(dá)一些關(guān)鍵部件需求量逐年遞增。[1]車載毫米波雷達(dá)分配的頻段各有不同，但主要集中在 24GHz 和 77GHz，少數(shù)國家（如日本）采用 60GHz 頻段。由于 77G 相對(duì)于 24G 的諸多優(yōu)勢(shì)，未來全球車載毫米波雷達(dá)的頻段會(huì)趨同于 77GHz 頻段（76-81GHz）而目前我國車載雷達(dá)核心配件市場(chǎng)多依賴進(jìn)口，國內(nèi)自主車載毫米波雷達(dá)產(chǎn)品以 24GHz、77GHz為主。據(jù)世界專業(yè)預(yù)測(cè)機(jī)構(gòu)分析，明年我國ADAS市場(chǎng)30%滲透率進(jìn)行估算，每套ADAS配備4個(gè)短距和1個(gè)長(zhǎng)距毫米波雷達(dá)計(jì)算，則整個(gè)車載毫米波雷達(dá)市場(chǎng)需求總量會(huì)達(dá)7200萬個(gè)，中國汽車毫米波雷達(dá)行業(yè)的產(chǎn)值會(huì)達(dá)到400 億元人民幣，目前，中國已經(jīng)成為全球最大的汽車消費(fèi)市場(chǎng)。毫米波雷達(dá)作為車輛自動(dòng)駕駛的重要傳感器之一需要投入更多的技術(shù)力量去突破現(xiàn)有的雷達(dá)性能，一方面研究硬件設(shè)計(jì)努力降低成本，另一方面要提升雷達(dá)自身的性能限制，提高其角度分辨率，采用更多的收發(fā)通道設(shè)計(jì)和更復(fù)雜的陣列天線，再配合更加高級(jí)的信號(hào)處理算法。

總之毫米波雷達(dá)對(duì)于未來自動(dòng)駕駛有著非常重要的意思，它在技術(shù)上還有很多的路要走，從單片微波集成電路的設(shè)計(jì)，到微波天線陣列的設(shè)計(jì)，再到雷達(dá)信號(hào)處理等等技術(shù)都需要進(jìn)步。同時(shí)隨著雷達(dá)性能的進(jìn)一步完善，也期待毫米波雷達(dá)在駕駛應(yīng)用領(lǐng)域有更好貢獻(xiàn)。

3車載毫米波雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

3.1 毫米波雷達(dá)系統(tǒng)工作原理

車載毫米波雷達(dá)原理在于內(nèi)置雷達(dá)信號(hào)接收模塊和發(fā)射模塊，通過內(nèi)置天線向外發(fā)射調(diào)頻電磁波信號(hào)，信號(hào)遇到目標(biāo)后反射回波，雷達(dá)系統(tǒng)接收模塊及時(shí)接收反射回波后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行三維數(shù)字傅里葉處理、解析，從而獲得高精度的周圍環(huán)境目標(biāo)物體間的相對(duì)速度、相對(duì)距離、角度、運(yùn)動(dòng)方向等物理環(huán)境信息，系統(tǒng)對(duì)這些信息進(jìn)行識(shí)別、分類以及實(shí)施目標(biāo)追蹤、安全控制等，然后輸出目標(biāo)的狀態(tài)信息和分類信息，這些信息再與車輛控制信息進(jìn)行匹配和融合處理，最后為車輛行駛做決策，同時(shí)通過語音、燈光等方式對(duì)駕駛員進(jìn)行提醒、警告，或者自主進(jìn)行安全操作干預(yù)，從而提高了駕駛的安全性，避免事故發(fā)生。

3.2 車載毫米波雷達(dá)硬件及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車載毫米波雷達(dá)硬件要有5大部分組成：1.雷達(dá)信號(hào)處理控制器2.單片微波集成電路（MMIC）3.系統(tǒng)供電電源4.內(nèi)部和外部通訊接口（CAN，CSI ，SPI ETH等等）5.雷達(dá)天線陣列。

3.3車載毫米波雷達(dá)的工作方式

車載毫米波雷達(dá)有不同的工作方式，根據(jù)輻射電磁波方式不同，主要分為有脈沖調(diào)制以及連續(xù)波調(diào)制兩種：

3.4車載毫米波雷達(dá)的類型及應(yīng)用

車載毫米波雷達(dá)可以增強(qiáng)駕駛員的安全性和便利性。它能精確檢測(cè)出車輛前后左右不同目標(biāo)物體的相對(duì)距離和相對(duì)速度，并一定程度將物體分類，可以實(shí)現(xiàn)提高駕駛員在光學(xué)能見度差時(shí)感知物體的能力，或在停車以及變換車道時(shí)檢測(cè)隱藏在盲點(diǎn)的物體，根據(jù)不同的應(yīng)用條件，毫米波雷達(dá)有著不同的類型，它們檢測(cè)目標(biāo)狀態(tài)的功能也各自有同。

短距毫米波雷達(dá)

短距毫米波雷達(dá)是當(dāng)前和未來汽車主動(dòng)安全舒適功能的重要技術(shù)。目前流行的技術(shù)是采用77GHz的超寬帶方法，它能提供實(shí)時(shí)的高的距離分辨率，同時(shí)角和速度的分辨率也有顯著的改善，對(duì)于時(shí)間關(guān)鍵的安全功能尤為重要。短距毫米波雷達(dá)主要作為角雷達(dá)使用，其分別部署在車輛的四個(gè)角上，這樣可以全方位360度的為車輛提供周圍目標(biāo)的狀態(tài)信息，從而可以使車輛可以完成不同的駕駛輔助功能。

中距毫米波雷達(dá)

中距毫米波雷達(dá)目前設(shè)計(jì)的趨勢(shì)是和短距毫米波雷達(dá)合并功能，采用遠(yuǎn)近兩種掃描模式，既可以支持短距雷達(dá)的角度優(yōu)勢(shì)又可以支持中距雷達(dá)的距優(yōu)勢(shì)，兩者在很多應(yīng)用上已經(jīng)接近一致，只要成本和性能滿足未來的需求，那么中距和短距雷達(dá)可以設(shè)計(jì)成同一類，以后就只有短距雷達(dá)和長(zhǎng)距雷達(dá)兩種了

長(zhǎng)距毫米波雷達(dá)

長(zhǎng)短距毫米波雷達(dá)是當(dāng)今車輛中使用最為廣泛的雷達(dá)類型，其系統(tǒng)可以探測(cè)超過200米以外的目標(biāo)，它可以提供出目標(biāo)狀態(tài)和類別給車輛做駕駛策略，因?yàn)槠涮綔y(cè)距離足夠遠(yuǎn)，所以可以提前計(jì)算出碰撞時(shí)間，給司機(jī)和和車輛足夠的響應(yīng)時(shí)間。

3.5毫米波雷達(dá)技術(shù)展望

傳統(tǒng)的車載毫米波雷達(dá)是自動(dòng)駕駛的主要傳感器，全天候的運(yùn)行條件，保證了其重要的角色，主要的弱勢(shì)是其有限的角分辨率性能，這對(duì)未來自動(dòng)駕駛的需求形成了挑戰(zhàn)。[2]那么提升車載毫米波雷達(dá)的角分辨率就成了熱門研究，這類雷達(dá)通常稱作4D雷達(dá)。它最重要的一個(gè)設(shè)計(jì)理念就是用多個(gè)單片微波集成電路級(jí)聯(lián)達(dá)到更多的收發(fā)通道，再配合大量的矩陣天線設(shè)計(jì)，從而可以有更多的雷達(dá)接收數(shù)據(jù)，配合更強(qiáng)大的雷達(dá)處理器就可以提高角度分辨率，得到更好的目標(biāo)跟蹤和目標(biāo)識(shí)別。隨著自動(dòng)駕駛的等級(jí)越來越高，車載毫米波雷達(dá)也在像成像雷達(dá)邁進(jìn)，成像雷達(dá)可以提供大量的雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而可以像攝像頭那樣采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來做目標(biāo)識(shí)別和目標(biāo)跟蹤。這不僅僅需要好的算法，同時(shí)也需要有更高算力的雷達(dá)處理芯片以及高集成度的微波芯片來共同實(shí)現(xiàn)打造未來的高科技成像雷達(dá)。

4 車載波雷達(dá)在自動(dòng)駕駛里的應(yīng)用

a）中距和短距雷達(dá) 作為主要的預(yù)警功能雷達(dá)，可以檢測(cè)車輛的前后左右是否有目標(biāo)物體出現(xiàn)或者高速移動(dòng)，通過計(jì)算和目標(biāo)物體間的距離，再配合相對(duì)車速來判斷是否需給駕駛者告警信號(hào)或者讓系統(tǒng)采取相應(yīng)的安全措施

b） 前置長(zhǎng)距雷達(dá)+前置攝像頭 融合前置的攝像頭和雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)非常豐富的輔助駕駛功能，其中最重要的就是緊急制動(dòng)，這個(gè)是非常重要的安全駕駛輔助功能，它可以在在緊急情況下避免發(fā)生碰撞或者可以減輕碰撞后果。這個(gè)配置是目前輔助駕駛車輛最為流行和最為經(jīng)典的。

c） 惡略天氣支持 毫米波雷達(dá)幾乎可以不受天氣的影響，對(duì)于大霧大雨天的行駛有著非常大的安全保障，它可以幫助駕駛者在視覺受限的條件下安全駕駛，可以探測(cè)到潛在發(fā)生危險(xiǎn)的目標(biāo)物體，并提前給出告警。

d） 光線條件不足 毫米波雷達(dá)工作不受光線條件的影響，可以在高眩光和微光下探測(cè)目標(biāo)物體并分類，保證在緊急條件下的安全。

e）360度雷達(dá) 通過融合多個(gè)安裝位置的車載雷達(dá)來完成全車360度無死角的目標(biāo)跟蹤，給出全車周圍的目標(biāo)狀態(tài)，比如可以給出可行駛區(qū)域，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)障礙物信息等等，有了這些信息可以大幅提升自動(dòng)駕駛車輛的安全性和可靠性。

d） 復(fù)雜場(chǎng)景駕駛 雷達(dá)在的高可靠性是自動(dòng)駕駛安全的保證，特別是在復(fù)雜場(chǎng)景里的應(yīng)用需要更多的毫米波雷達(dá)，比如前后長(zhǎng)距雷達(dá)，360度中短距環(huán)視雷達(dá)，左右側(cè)向雷達(dá)

結(jié)語：通過對(duì)車載毫米波雷達(dá)的系統(tǒng)技術(shù)分析可以說明車載微波雷達(dá)對(duì)自動(dòng)駕駛的重要性，同時(shí)也可以得出在未來發(fā)展前景是巨大的，不僅僅是商業(yè)前途，而且也是技術(shù)前景。整個(gè)毫米波雷達(dá)技術(shù)涉及到非常多的領(lǐng)域，從上而下推動(dòng)了多個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。上游推動(dòng)了輔助駕駛和自動(dòng)駕駛產(chǎn)業(yè)落地，下游推動(dòng)了微波集成電路，雷達(dá)處理器，以及先進(jìn)的雷達(dá)信號(hào)處理方法，為了進(jìn)一步推動(dòng)車載雷達(dá)技術(shù)的前進(jìn)，特別需要有更多的人加入到車載毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的研究上來為了更好的汽車行駛安全，以及給駕乘人員提供了更加舒適的操控體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢若愚。車載ADAS傳感器毫米波雷達(dá)解析[J]。汽車實(shí)用技術(shù)。2020，（04）：pp26-29

[2]于淵，鄭銀香，趙成林，魏子平，陶藝文，李斌。車載毫米波雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)與定位技術(shù)研究[J]。移動(dòng)通信。2019，43（11）：pp21-27