錢若愚

摘 要：ADAS-汽車駕駛輔助系統(tǒng)正在當(dāng)前的汽車市場中迅速普及。車載雷達(dá)作為ADAS系統(tǒng)的重要組成，其技術(shù)發(fā)展直接影響著汽車智能化進(jìn)程。毫米波雷達(dá)因為其波長的物理特性不受惡劣的環(huán)境影響，同時相比激光雷達(dá)又有較大的價格優(yōu)勢，已經(jīng)成為當(dāng)前廠家的首選。與24 GHz傳感器相比，77 GHz傳感器的分辨率和精度更高，體積小，正逐漸成為當(dāng)前汽車領(lǐng)域的主流傳感器。同國外雷達(dá)傳感器供應(yīng)商相比，國內(nèi)車載毫米波雷達(dá)仍屬于起步階段，國內(nèi)企業(yè)要在市場上與外企競爭并占有一席之地還有很長的路要走。

關(guān)鍵詞：ADAS駕駛輔助;毫米波雷達(dá);傳感器

中圖分類號：TP212.6 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）04-26-04

Analysis of Vehicle ADAS Sensor Millimeter Wave Radar^*

Qian Ruoyu

（?Suzhou Construction Higher Vocational Technical School， Jiangsu Suzhou 215104?）

Abstract：ADAS is widely used in automobile market. Because of the physical characteristics of its wavelength， millimeter wave radar sensor can adapt to the rainstorm， fog， night driving and other harsh environment. At the same time， compared with laser radar， it has a greater price advantage， and has become the first choice of current manufacturers. Compared with 24 GHz sensor， 77 GHz sensor has higher speed resolution and accuracy， smaller volume， and is gradually becoming the mainstream sensor in the automotive field. Compared with foreign radar sensor suppliers， domestic vehicle borne millimeter wave radar is still in its infancy. Domestic enterprises have a long way to go to compete with foreign enterprises and occupy a place in the market.

Keywords： ADAS driving aid; Millimeter wave radar;Sensor

CLC NO.：TP212.6?Document Code： B?Article ID： 1671-7988（2020）04-26-04

前言

當(dāng)今汽車領(lǐng)域伴隨著科技的高速發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個嶄新的時代。主要方向集中在新能源領(lǐng)域和智能化領(lǐng)域。對于智能化汽車，很多人最直接想到的就是無人車。根據(jù)SAE美國汽車工程師學(xué)會最新的標(biāo)準(zhǔn)定義，汽車無人駕駛技術(shù)屬于ADAS（Advanced Driver Assistance Systems高級駕駛輔助技術(shù)）的高級階段。ADAS系統(tǒng)是由安裝在車輛上的各種傳感器來測量汽車行駛中周圍的環(huán)境信息，該信息傳遞給電腦進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)物體的辨識與偵測。電腦結(jié)合高精度地圖、GPS、車聯(lián)網(wǎng)等信息分析運算后，對車輛行駛施加自動控制，替代駕駛者操作。

無論是低級別的駕駛輔助功能，還是高級別的自動駕駛功能，利用傳感器來采集行駛中的各種道路、行人、障礙物等信息都是必不可少的。常見的車載ADAS傳感器有以下幾種：超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和圖像傳感器（攝像頭）。毫米波雷達(dá)傳感器因為其波長的物理特性，可以適應(yīng)暴雨，大霧，夜間行車等較為惡劣的環(huán)境，同時相比激光雷達(dá)又有較大的價格優(yōu)勢，已經(jīng)成為當(dāng)前廠家的首選。

1 毫米波雷達(dá)的概念及其特性

雷達(dá)，是指利用電磁波來探測目標(biāo)的一種電子設(shè)備?；具^程是：對目標(biāo)發(fā)射電磁波，目標(biāo)受到照射后反彈，雷達(dá)接收其回波。由此獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點的距離、距離變化率、方位、高度等信息。

電磁波是交變電磁場，在自由空間傳播滿足公式：

c=λf（1）

其中c：波速（光速常量單位m/s）f：頻率（HZ）λ：波長（m）

雷達(dá)功能的基本特性由其頻率和波長決定。高頻率短波長的雷達(dá)，其分辨率高，穿透能力強(qiáng)，傳輸距離短;低頻長波的雷達(dá)，其繞射能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，但是分辨率較差。根據(jù)波長的不同，對電磁波進(jìn)行排列即得到電磁波譜。

所以毫米波雷達(dá)指的是工作在30～300GHz頻域（波長為1～10mm）的雷達(dá)。由其波長決定了毫米波雷達(dá)的特性：

（1）灰塵的特征尺寸為1um—100um，雨點的特征尺寸為0.5-4mm毫米波雷達(dá)的波長均大于它們的尺寸，可以輕易穿透灰塵和雨水，在惡劣氣候下仍然具備較強(qiáng)工作能力。

（2）毫米波雷達(dá)，頻率高、波長短，能以較小的天線尺寸發(fā)射窄波束的電磁波信號。不受物體表面形狀、顏色和大氣流的影響，其探測穩(wěn)定性高。

（3）基于目前毫米波雷達(dá)制造工藝，其集成度高，元器件體積，尺寸，重量較小，價格適中，適合作為小平臺感知傳感器使用。

2 毫米波雷達(dá)頻段劃分及產(chǎn)業(yè)布局

如上表所述，國際上目前車用毫米波雷達(dá)的頻率主要是24GHz和77GHz。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。前面已經(jīng)概括，速度分辨率和精度與射頻（RF）頻率成反比。因此，頻率越高，分辨率和精度就越好。與24 GHz傳感器相比，77 GHz傳感器可將速度分辨率和精度提高3倍。另外高頻率的主要優(yōu)勢之一就是傳感器尺寸可以制作更小。對于相同的天線視場和增益，77GHz天線陣列的尺寸可以在X和Y維度上減小約3倍。對于車用傳感器而言，尺寸的縮減非常有助于后備箱，保險杠等部位的元件安裝。因此， 77GHz毫米波雷達(dá)正逐漸成為當(dāng)前汽車領(lǐng)域的主流傳感器。

目前毫米波雷達(dá)的技術(shù)主要由國外企業(yè)所壟斷。大陸、博世、電裝、奧托立夫、德爾福等汽車零部件供應(yīng)巨頭在毫米波雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域擁有絕對的話語權(quán)。同國外雷達(dá)傳感器供應(yīng)商相比，國內(nèi)車載毫米波雷達(dá)仍屬于起步階段。北京行易道、沈陽承泰科技、南京隼眼科技等國內(nèi)科創(chuàng)企業(yè)已有24GHz毫米波雷達(dá)產(chǎn)品問世，在77GHz毫米波雷達(dá)方面部分樣機(jī)進(jìn)入產(chǎn)品化測試階段。市場研究機(jī)構(gòu)預(yù)測到2020年，ADAS駕駛輔助將在中端車輛上普及，毫米波雷達(dá)市場需求將會達(dá)到一個新的高度。國內(nèi)企業(yè)要在市場上與外企競爭并占有一席之地還有很長的路要走。

3 毫米波雷達(dá)工作的基本原理

毫米波雷達(dá)是基于普勒效應(yīng)來測速原理：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。

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（如圖1）。當(dāng)目標(biāo)向雷達(dá)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。

由圖中可得頻率差：

（2）

△f為相對靜止目標(biāo)的中頻頻率，f_d為相對運動目標(biāo)的多普勒頻移

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。由多普勒效應(yīng)可得：

（3）

f₀為發(fā)射波的中心頻率，v為目標(biāo)和雷達(dá)的徑向相對速度。將上述公式合并求解即可得到相對速度v。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。

如圖2所示，方位角α_AZ由毫米波雷達(dá)陣列天線R_X1和R_X2之間的幾何距離d，以及兩根毫米波雷達(dá)天線所收到反射回波的相位差b，然后通過三角函數(shù)計算得到方位角α_AZ的值。

（4）

4 毫米波雷達(dá)的應(yīng)用

以Level 3級別的自動駕駛量產(chǎn)車奧迪A8為例，圖3中橙色框的Corner radar和Rear radar，就是頻段在24GHz的雷達(dá)。由于其檢測距離有限，因此常用于檢測近處的障礙物（車輛）。圖中的這4個角雷達(dá)，能夠?qū)崿F(xiàn)的ADAS功能有盲點檢測、變道輔助等;在自動駕駛系統(tǒng)中常用于感知車輛近處的障礙物，為換道決策提供感知信息。

綠色框的Long-range radar，即為頻段在77GHz左右的雷達(dá)。性能良好的77GHz雷達(dá)的最大檢測距離可以達(dá)到160米以上，因此常被安裝在前保險杠上，正對汽車的行駛方向。?長距離雷達(dá)能夠用于實現(xiàn)緊急制動、高速公路跟車等ADAS功能;同時也能滿足自動駕駛領(lǐng)域，對障礙物距離、速度和角度的測量需求。

毫米波雷達(dá)有其不可替代的優(yōu)勢，也有一定的不足之處。以德國大陸公司ARS408毫米波雷達(dá)為例，其數(shù)據(jù)只能提供距離和角度信息，不能像激光雷達(dá)那樣提供高度信息。由于毫米波雷達(dá)發(fā)出的電磁波對金屬極為敏感，在實際測試過程中會發(fā)現(xiàn)近處路面上突然出現(xiàn)的釘子、窖井蓋，遠(yuǎn)距離外的金屬廣告牌都會被認(rèn)為是障礙物，同時缺乏高度信息，導(dǎo)致雷達(dá)數(shù)據(jù)無法判斷該障礙物可以越過如窖井蓋，或者從下方穿過如廣告牌。所以要驗證雷達(dá)檢測的某些障礙物是否實際存在，需要使用攝像頭或激光雷達(dá)等能準(zhǔn)確識別目標(biāo)類型和測量目標(biāo)高度的傳感器來進(jìn)行融合驗證。由于激光雷達(dá)目前成本過高，目前將毫米波雷達(dá)與攝像頭進(jìn)行融合的方案是各大廠商的主流選擇，例如特斯拉、奔馳S級等。

車輛ADAS毫米波雷達(dá)性能可以從以下幾個方面來概括：

（1）目標(biāo)距離、速度、方位角的測量精度和分辨率。特別是對于行人，毫米波對金屬敏感，對水不敏感，所以提高雷達(dá)的分辨率對準(zhǔn)確識別行人意義重大。

（2）檢測范圍，雷達(dá)最遠(yuǎn)檢測距離對應(yīng)于預(yù)防車輛高速時正面碰撞;短距離波束的角度范圍對應(yīng)于近處的交叉碰撞預(yù)防。

（3）成熟穩(wěn)定的雷達(dá)信號處理和目標(biāo)跟蹤算法，特別是對行人、靜止目標(biāo)和橫穿目標(biāo)的檢測能力。

5 毫米波雷達(dá)發(fā)展前景

當(dāng)前車輛ADAS系統(tǒng)正處在高速發(fā)展階段，各主機(jī)廠努力將高端車系向level 4突破的同時，也在將低級別ADAS系統(tǒng)普及到中端車系上來。以AEB為例特斯拉、奔馳、奧迪、沃爾沃、寶馬豐田各車系裝車率均超過了50%。國內(nèi)的毫米波雷達(dá)市場，伴隨著C-NCAP的五星評定、交通部對營運車輛的1094文的實施，將進(jìn)入快速增長的階段。預(yù)計2020年左右，如果市場滲透率能超過15%，市場空間是30-50億的級別。如果裝配率再提高，市場空間將更大。

目前，國產(chǎn)77GHz毫米波雷達(dá)不管是企業(yè)體量、技術(shù)水平、競價優(yōu)勢還是市場成熟度等方面都不夠成熟。主機(jī)廠真正量裝搭載國產(chǎn)77GHz毫米波雷達(dá)還需要一些時間。

6 毫米波雷達(dá)測試

以大陸ARS-408，77GHZ長距離毫米波雷達(dá)為例。如圖4連接雷達(dá)硬件。

給雷達(dá)通12V直流工作電壓，然后將雷達(dá)CAN通訊端口轉(zhuǎn)接為USB連至電腦，利用調(diào)試軟解打開。將雷達(dá)固定至車輛保險杠高度，然后我們在校園內(nèi)進(jìn)行了車輛動態(tài)檢測試驗（圖5）。

ARS-408毫米波雷達(dá)處理反射信號后以clusters和objects的形式在軟件中顯示。Clusters反映了目標(biāo)的位置，速度和信號強(qiáng)度等信息，并在每個檢測周期加以更新。objects反映了目標(biāo)的歷史軌跡和維度，由跟蹤的clusters組成。圖中軟件顯示的IDxx為對應(yīng)的每個檢測到的物體，根據(jù)原始的點云圖，大陸公司應(yīng)用聚類和跟蹤算法輸出目標(biāo)軌跡。白色的ID對應(yīng)靜態(tài)檢測目標(biāo)，右圖中白色豐田車輛以25km/h時速向前運行，雷達(dá)以綠色I(xiàn)D標(biāo)定檢測物，實際測試中該ID對應(yīng)車輛的運行，向屏幕上方勻速移動。試驗可以得出，ARS-408毫米波雷達(dá)可以根據(jù)檢測目標(biāo)的信號強(qiáng)度、速度、持續(xù)時間、散射截面積等信息來判斷目標(biāo)類別及存在的可能性。由此可見，大陸公司在77GHZ長距離毫米波雷達(dá)

的研究中已經(jīng)有了相對穩(wěn)定成熟的跟蹤算法，這也為國內(nèi)毫米波雷達(dá)企業(yè)提供了算法研究的方向。

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