自動(dòng)駕駛系統(tǒng)入門（三） - 毫米波雷達(dá)

1、毫米波雷達(dá)基礎(chǔ)解析

1.1 什么是毫米波雷達(dá)

1）工作在毫米波波段（millimeter wave ）探測的雷達(dá)。工作頻段一般為30GHz ~ 300 GHz， 波長 1~10mm，介于微波和厘米波之間，兼具有微波雷達(dá)和光電雷達(dá)的一些優(yōu)點(diǎn)；

2）毫米波雷達(dá)相比厘米波雷達(dá)具有體積小、易集成和空間分辨率高的特點(diǎn)。

3）車載毫米波雷達(dá)的工作頻率為一般為 24GHz 和77GHz ；

1.2 毫米波雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)

硬件核心：MMIC芯片和天線PCB板，以FMCW車載雷達(dá)系統(tǒng)為例，主要包括：天線、收發(fā)模塊、信號處理模塊；

1）前端單片微波集成電路（MMIC） （ 供應(yīng)商：英飛凌、飛思卡爾 、廈門意行和南京米勒；）它包括多種功能電路，如低噪聲放大器（LNA）、功率放大器、混頻器、甚至收發(fā)系統(tǒng)等功能；

特點(diǎn)：電路損耗小、噪聲低、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、功率大、附加效率高、抗電磁輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)；

2）雷達(dá)天線高頻PCB板：毫米波雷達(dá)天線的主流方案是微帶陣列，即將高頻PCB板集成在普通的PCB基板上實(shí)現(xiàn)天線的功能，需要在較小的集成空間中保持天線足夠的信號強(qiáng)度。

1.3 毫米波雷達(dá)基本工作原理

1）利用高頻電路產(chǎn)生特定調(diào)制頻率（FMCW）的電磁波，并通過天線發(fā)送電磁波和接收從目標(biāo)反射回來的電磁波，通過發(fā)送和接收電磁波的參數(shù)來計(jì)算目標(biāo)的各個(gè)參數(shù)。

2）可以同時(shí)對多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行測距、測速以及方位測量；測速是根據(jù)多普勒效應(yīng)，而方位測量（包括水平角度和垂直角度）是通過天線的陣列方式來實(shí)現(xiàn)的。

毫米波雷達(dá)基本工作原理示意圖

1.4 毫米波雷達(dá)的工作體制

1）工作體制 ：根據(jù)輻射電磁波方式不同，毫米波雷達(dá)主要有脈沖體制以及連續(xù)波體制兩種工作體制。其中連續(xù)波又可以分為FSK（頻移鍵控）、PSK（相移鍵控）、CW（恒頻連續(xù)波）、FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）等方式。

毫米波雷達(dá)不同工作體制

2）FMCW調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的不同調(diào)制形式：

a、正弦波調(diào)制 b、鋸齒式波調(diào)制 c、三角波調(diào)制

不同調(diào)頻方式的雷達(dá)硬件構(gòu)成基本相同，只有小部分電路模塊、電路參數(shù)與信號處理算法有所區(qū)別；對于單個(gè)靜止物體的測量，鋸齒波調(diào)制方式即可滿足；對于運(yùn)動(dòng)物體，多采用三角波調(diào)制方式；

1.5 毫米波雷達(dá)測距、側(cè)速、測方位角原理簡介

測距：（TOF）通過給目標(biāo)連續(xù)發(fā)送毫米波信號，然后用傳感器接收從物體返回的毫米波，通過探測毫米波的飛行（往返）時(shí)間來得到目標(biāo)物距離。

測速：根據(jù)多普勒效應(yīng)，通過計(jì)算返回接收天線的雷達(dá)波的頻率變化就可以得到目標(biāo)相對于雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度，簡單地說就是相對速度正比于頻率變化量。

測方位角：通過并列的接收天線收到同一目標(biāo)反射的雷達(dá)波的相位差計(jì)算得到目標(biāo)的方位角；

2、 4D毫米波雷達(dá)解析

2.1 什么是3D雷達(dá)：

1）其信號天線只在二維方向上排布，因此其對目標(biāo)的探測只有二維水平坐標(biāo)（x,y)，沒有高度信息(z)；再加上通過多普勒效應(yīng)探測到的物體速度信息。輸出量即為：X / Y/ V

2）目前量產(chǎn)應(yīng)用的車載毫米波雷達(dá)均為3D雷達(dá)；

2.2 4D雷達(dá)：（供應(yīng)商：美國傲酷）

1）水平與垂直方向上，都布置了天線，因此能夠額外實(shí)現(xiàn)對物體高度的探測，謂之4D；輸出量：輸出X、Y、Z坐標(biāo)和速度矢量；

2）可以檢測不同高度，不同水平面上的運(yùn)動(dòng)物體

2.3 4D雷達(dá)研發(fā)難點(diǎn)及遇到的問題：

1）在有體積要求的毫米波雷達(dá)上，垂直與水平方向天線緊密排布會(huì)相互產(chǎn)生嚴(yán)重的信號干擾，這需要長期的經(jīng)驗(yàn)積累開發(fā)的算法予以解決；

2）雷達(dá)信號接收量大大增加，對模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的性能要求將會(huì)增加；

3）信號處理算法的可靠性、實(shí)時(shí)性需要保證，傳統(tǒng)的毫米波雷達(dá)ECU可能無法勝任大規(guī)模點(diǎn)云的處理。

4）數(shù)據(jù)存儲需求將會(huì)加大，需要額外添置存儲單元。

3、24GHz和77GHz毫米波雷達(dá)對比分析

3.1 24GHz頻段

1）24.0GHz到24.25GHz的頻段是窄帶(NB)，帶寬為250MHz，常用于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)方面。其中，24GHz頻帶還包括一個(gè)帶寬為5GHz的超寬帶(UWB)。

24GHz 毫米波雷達(dá)應(yīng)用頻段示意圖

2）在短程雷達(dá)中，24GHz頻段的NB和UWB雷達(dá)已經(jīng)應(yīng)用于傳統(tǒng)的汽車傳感器上。通常NB雷達(dá)可以完成盲點(diǎn)檢測等簡單應(yīng)用，但在大多數(shù)情況下包括超短距離的情況下，由于高頻分辨率的需求，需要使用UWB雷達(dá)。

3）但是由于歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(ETSI)和聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)制定的頻譜規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)，UWB頻段將很快被逐步淘汰。2022年1月1日以后，UWB頻段將無法在歐洲和美國使用，只有窄帶ISM頻段可以長期使用。

3.2 77GHz頻段

1）其中76-77GHz頻段可用于遠(yuǎn)程車載雷達(dá)，并且該頻段有等效同性各向輻射功率(EIRP)的優(yōu)勢，可用于前端遠(yuǎn)程雷達(dá)，例如自適應(yīng)巡航控制。

77GHz 毫米波雷達(dá)應(yīng)用頻段示意圖

2）77-81GHz短程雷達(dá)(SRR)頻段是新加入的頻段；這個(gè)頻段最近在全球監(jiān)管和行業(yè)采用情況方面都獲得了顯著的吸引力。

3）該頻段可提供高達(dá)4 GHz的寬掃描帶寬，非常適合需要高范圍分辨率(HRR)的應(yīng)用。

3.3 車載24GHz與77GHz毫米波雷達(dá)性能對比：

1）頻率不同，24GHz毫米波雷達(dá)的波長大于10cm，嚴(yán)格來講屬于厘米波雷達(dá)；

2）相比于24GHz，77GHz同時(shí)滿足高傳輸功率和寬工作帶寬，同時(shí)滿足這兩點(diǎn)使其可以同時(shí)做到長距離探測和高距離分辨率；

3）相比于24GHz，77GHz在物體分辨率、測速和測距精確度具有顯著優(yōu)勢；

4）相比于24GHz，77GHz雷達(dá)體積更小，其波長不到24GHz的三分之一，所以收發(fā)天線面積大幅減小，整個(gè)雷達(dá)尺寸有效下降；

4、毫米波雷達(dá)速度分辨率、距離分辨率、角精度、距離精度解讀

4.1 距離分辨率：（用于兩個(gè)或者兩個(gè)以上目標(biāo)）

在雷達(dá)圖像中，當(dāng)兩個(gè)目標(biāo)位于同一方位角時(shí)，但與雷達(dá)的距離不同時(shí)，二者被雷達(dá)區(qū)分出來的最小距離則是距離分辨率。雷達(dá)的距離分辨率是由脈沖的寬度決定的，也就是說，可以通過減小脈沖寬度以達(dá)到期望的距離分辨率，這需要較大的帶寬。

4.2 距離精度：（用于描述雷達(dá)對單個(gè)目標(biāo)距離參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確度）

測距精度，它是由回波信號的信噪比SNR決定的。

4.3 角分辨率：（雷達(dá)的方位角分辨率一般指水平角分辨率（azimuth resolution））

雷達(dá)在角度上區(qū)分鄰近目標(biāo)的能力，通常以最小可分辨的角度來度量。雷達(dá)的角度分辨率取決于雷達(dá)的工作波長λ和天線口徑尺寸L，約為λ/(2L)。

例如：方位角分辨率為1.6°的意思就是，當(dāng)兩個(gè)物體在空間上需要至少相距1.6°，才能被雷達(dá)在水平角度上區(qū)分開來。若兩個(gè)物體相距小于1.6°，那么在角度方向上，兩物體會(huì)重合；

4.4 角精度：（用于描述雷達(dá)對單個(gè)目標(biāo)方位角估計(jì)的準(zhǔn)確度?)

具體解析待以后補(bǔ)充。

5、毫米波雷達(dá)目標(biāo)特性解讀

5.1 目標(biāo)探測能力具有獨(dú)特優(yōu)勢：

a、縱向目標(biāo)探測距離與速度探測能力強(qiáng)；

b、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離感知與探測；

c、對于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)目標(biāo)均能作出高精度測量；

5.2 當(dāng)前毫米波雷達(dá)目標(biāo)探測劣勢：

1）無法成像，無法進(jìn)行圖像顏色識別；

2）對橫向目標(biāo)敏感度低，例如：對橫穿車輛檢測效果不佳；

3）行人反射波較弱，對行人分辨率不高，探測距離近；

4）對高處物體以及小物體檢測效果不佳；

5.3 相比于攝像頭和激光雷達(dá)，毫米波雷達(dá)的優(yōu)勢：

1）全天候、全天時(shí)工作特性 - 不論晝夜，不受天氣狀況限制，即使雨雪天都能正常工作；

2）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，不良天氣環(huán)境下仍能正常工作 - 穿透能力強(qiáng)，雨、霧、灰塵等對毫米波雷達(dá)干擾較小；

3）測速，測距能力強(qiáng)；