超强科普之自动驾驶车载毫米波雷达

文章来源： JCBSD匠承发布时间：2020-04-06

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由于毫米波雷达相比厘米波雷达具有体积小、易集成和空间分辨率高的特点。早期被应用于军事领域，随着雷达技术的发展与进步，毫米波雷达传感器开始应用于汽车电子、无人机、智能交通等多个领域。车载毫米波雷达工作的频段为24GHz和77GHz，少数国家（如日本）采用60GHz频段。

毫米波雷达发展进程

车载毫米波雷达的研究始于20世纪60年代，研究主要在以德、美、日等发达国家内展开。早期车载毫米波雷达发展缓慢，21世纪后随着汽车市场需求增长开始进入蓬勃发展期。

在毫米波雷达的发展进程中，有一个绕不开的问题就是车载毫米波雷达频段划分。为避免与其他设备频段冲突，车载雷达需要分配专属频段，各国频段划分略有不同。2015年日内瓦世界无线电通信大会将77.5-78.0GHz频段划分给无线电定位业务，以支持短距离高分辨率车载雷达的发展，从而使76-81GHz都可用于车载雷达，为全球车载毫米波雷达的频率统一指明了方向。

随着谷歌、百度的自动驾驶汽车上路，许多人也对自动驾驶技术充满期待。不过目前大部分汽车还处在ADAS（高级驾驶辅助系统）应用普及的阶段，在这个阶段中毫米波雷达就起到了很大的作用。

国际自动机工程师学会将智能驾驶的等级分为五个等级，目前我们正处于ADAS阶段。ADAS（Advanced Driver AssistantSystem）的普及是未来无人驾驶实现的先行条件，是提高汽车主动安全性能的技术基础。

ADAS系统分为环境感知、计算分析、控制执行三大模块。其中传感器在环境感知模块中具有重要的作用，多种传感器融合应用是未来必然趋势，毫米波雷达将率先成为ADAS系统主力传感器。那么，毫米波雷达是什么？

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毫米波雷达是什么

通常将波长为1～10毫米的电磁波称毫米波（millimeter wave ），它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，具有以下四个特点：

•极宽的带宽：通常认为毫米波频率范围为26.5～300GHz，带宽高达273.5GHz。超过从直流到微波全部带宽的10倍。即使考虑大气吸收，在大气中传播时只能使用四个主要窗口，但这四个窗口的总带宽也可达135GHz，为微波以下各波段带宽之和的5 倍。这在频率资源紧张的今天无疑极具吸引力。

•波束窄：在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一个 12cm的天线，在9.4GHz时波束宽度为18度，而94GHz时波速宽度仅1.8度。因此可以分辨相距更近的小目标或者更为清晰地观察目标的细节。

•与激光相比：毫米波的传播受气候的影响要小得多，可以认为具有全天候特性。

•和微波相比：毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系统更容易小型化。

车载毫米波雷达的原理

根据辐射电磁波方式不同，毫米波雷达主要有脉冲体制以及连续波体制两种工作体制。

调频连续波雷达系统工作原理：

车载毫米波雷达通过天线向外发射毫米波，接收目标反射信号，经后方处理后快速准确地获取汽车车身周围的物理环境信息（如汽车与其他物体之间的相对距离、相对速度、角度、运动方向等），然后根据所探知的物体信息进行目标追踪和识别分类，进而结合车身动态信息进行数据融合，最终通过中央处理单元（ECU）进行智能处理。经合理决策后，以声、光及触觉等多种方式告知或警告驾驶员，或及时对汽车做出主动干预，从而保证驾驶过程的安全性和舒适性，减少事故发生几率。

分类

根据毫米波雷达的有效范围，可以将车载毫米波雷达分为长距离雷达（LRR）和中距离雷达（MRR）以及短距离雷达（SRR）。

短距毫米波雷达的功能

结构

MMIC芯片和天线PCB板是毫米波雷达的硬件核心，以FMCW汽车雷达系统为例，主要包括天线、收发模块、信号处理模。

1）前端单片微波集成电路（MMIC）：它包括多种功能电路，如低噪声放大器（LNA）、功率放大器、混频器、甚至收发系统等功能。具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高、抗电磁辐射能力强等特点。

毫米波雷达的关键部件前端单片微波集成电路（MMIC）技术由在国外半导体公司掌控，而高频的MMIC只掌握在英飞凌、飞思卡尔等极少数国外芯片厂商手中。国内的MMIC仍处于起步状态。

2）雷达天线高频PCB板：毫米波雷达天线的主流方案是微带阵列，简单说将高频PCB板集成在普通的PCB基板上实现天线的功能，需要在较小的集成空间中保持天线足够的信号强度。77Ghz雷达更高规格的高频PCB板，77GHz雷达的大范围运用将带来相应高频PCB板的巨大需求。

相比于第2代LRR需要用几个砷化镓芯片生成、放大并检测77GHz微波，Bosch第3代LRR极大简化了雷达天线PCB板，仅使用1或2个英飞凌硅锗芯片。Bosch各代LRR雷达拆解图和RF模组演进：

车载雷达前端MMIC芯片和结构图：

应用

毫米波雷达的优点是角分辨率高、频带宽因而有利于采用脉冲压缩技术、多普勒颇移大和系统的体积小。缺点是由于大气吸收较大，当需要大作用距离时所需的发射功率及天线增益都比微波系统高。根据毫米波雷达的特性，目前有以下的一些典型的应用实例。

汽车防撞雷达因其作用距离不需要很远，故发射机的输出功率不需要很高，但要求有很高的距离分辨率（达到米级），同时要能测速，且雷达的体积要尽可能小。所以采用以固态振荡器作为发射机的毫米波脉冲多普勒雷达。采用脉冲压缩技术将脉宽压缩到纳秒级，大大提高了距离分辨率。利用毫米波多普勒颇移大的特点得到精确的速度值。

毫米波雷达目前主要应用于中高端车型，随着大众对汽车主动安全性能的认可度增加，ADAS相关产品将逐渐向低端车型普及。

完全实现ADAS各项功能一般需要“1长+4中短”5个毫米波雷达。目前全新奥迪A4采用5个毫米波雷达（1长+4短），奔驰的S级采用7个毫米波雷达（1长+6短）。

以自动跟车型（Stop & Go）ACC功能为例，一般需要3个毫米波雷达。车正中间一个77GHz的LRR，探测距离在150-250米之间，角度为10度左右；车两侧各一个24GHz的MRR，角度都为30度，探测距离在50-70米之间。

AEB是最有实际意义的ADAS功能，未来会成为中高档汽车的标配，需要1个77GHz LRR。

空间目标识别雷达

它们的特点是使用大型天线以得到成像所需的角分辨率和足够高的天线增益，使用大功率发射机以保证作用距离。例如一部工作于35GHz的空间目标识别雷达其天线直径达36m。用行波管提供10kw的发射功率，可以拍摄远在16，000km处的卫星的照片。一部工作于94GHz的空间目标识别雷达的天线直径为13.5m。当用回波管提供20kw的发射功率时，可以对14400km远处的目标进行高分辨率摄像。

直升飞机防控雷达

现代直升飞机的空难事故中，飞机与高压架空电缆相撞造成的事故占了相当高的比率。因此直升飞机防控雷达必须能发现线径较细的高压架空电缆，需要采用分辨率较高的短波长雷达，实际多用3mm雷达。

精密跟踪雷达

实际的精密跟踪雷达多是双频系统，即一部雷达可同时工作于微波频段（作用距离远而跟踪精度较差）和毫米波频段（跟踪精度高而作用距离较短），两者互补取得较好的效果。例如美国海军研制的双频精密跟踪雷达即有一部9GHz、300kw的发射机和一部35GHz、13kw的发射机及相应的接收系统，共用2.4m抛物面天线，已成功地跟踪了距水面30m高的目标，作用距离可达27km。双额还带来了一个附加的好处：毫米波频率可作为隐蔽频率使用，提高雷达的抗干扰能力。

技术发展趋势

长期来看，最终车载毫米波雷达将会统一于77GHz频段（76-81GHz），该频段带宽更大、功率水平更高、探测距离更远；相比于24GHz，物体分辨准确度提高2-4倍，测速和测距精确度提高3-5倍，能检测行人和自行车；且设备体积更小，更便于在车辆上安装和部署。

77GHz频率范围是全球装配永久认可的权威频段，因此更适用于全球车辆平台。其中76-77GHz主要用于长距离毫米波雷达，77-81GHz主要用于中短距离毫米波雷达。

未来79GHz频段（77-81GHz）中短距离毫米波雷达会成为中距离MRR的主流，且有望全面替代24GHz短距离雷达，取代周期取决于各国工业水平、市场趋势及政策力度。

国外

射频前端集成电路

MMIC技术基本完全由国外半导体公司掌控，而高频集成电路技术更是仅掌握在英飞凌、 NXP/飞思卡尔、意法ST等少数厂商手中。

高频PCB板：Schweizer公司在雷达高频PCB生产技术上优势明显，尤其是77GHz更高规格 PCB板；Rogers、Isola等公司可生产供雷达高频PCB使用的层压板材。

国内

MMIC集成电路：由于人才、技术、设备、资金等问题，国内 MMIC产业总体仍处于起步状态。由于国外长期技术封锁，77GHz技术2015 年才向国内民用和学术界开放，MMIC研制过程进展缓慢。

高频PCB板：国内高频PCB板厂商暂无技术储备，只能根据图纸代加工，元器件仍需国外进口。沪电股份是大陆和博世的板材供应商，目前已就24GHz和77GHz高频雷达用PCB产品与国际顶尖厂商Schweizer开展合作，24GHz高频雷达

市场

目前毫米波雷达技术主要由大陆、博世、电装、奥托立夫、Denso、德尔福等传统零部件巨头所垄断，特别是77GHz毫米波雷达，只有博世、大陆、德尔福、电装、TRW、富士通天、Hitachi等公司掌握。2015年，博世及大陆汽车雷达市场占有率均为22%，并列全球第一。

2015年全球车载毫米波雷达市场份额

据市场研究机构Plunkeet Research预测，预计到2020年全球汽车毫米波雷达将近7000万个，2015年-2020的复合增速约为24%。中国汽车市场占全球30%左右，2015年汽车保有量已达到1.7亿，年增量2500万辆以上。消费结构升级，中产阶级需求增加，ADAS车型销量看涨，带动国内毫米波雷达前后装市场需求爆发式增长。

根据国内产业机构调查，国内2014年汽车毫米波雷达销量约为120万颗，2015年约为180万颗。主要应用为盲点检测和后方车辆提醒的中短距雷达（24Ghz），每车需要两颗。

2015年中国汽车销售量为2459.8万辆，如果2015-2020年我国的乘用车复合增速为4%，到 2020年乘用车全年销量将近约为3000万辆。到2020年，如果中国汽车销售量中有15%装配汽车毫米波雷达的话，按每辆车装配2 个，预计2020年的毫米波雷达需求量近900万个，未来五年复合增速约为50%。

目前中国市场中高端汽车装配的毫米波雷达传感器全部依赖进口，市场被美、日、德企业垄断，价格昂贵，自主可控迫在眉睫。国内自主车载毫米波雷达产品总体仍处于研制阶段。因研发成本及难度较低，目前国内厂商研发方向主要集中于24GHz雷达产品。预计2016-2020年，自主品牌车载毫米波雷达传感器可逐步实现批量装车应用。用PCB板有望在今年四季度形成批量生产能力。

汽车安全法规和评级规定助力ADAS快速发展与渗透，带动车载毫米波雷达旺盛需求。各国ADAS安全法规进程：美、日、欧逐步完善安全评级体系，中国有望2020年将ADAS列入安全法规。