毫米波雷達(dá)在自動(dòng)駕駛汽車中的作用及應(yīng)用分析

一直以來(lái)，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(ài)”。不過(guò)無(wú)論是激光雷達(dá)還是攝像頭、超聲波傳感器，都容易受到惡劣天氣環(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！這眾時(shí)候，毫米波雷達(dá)憑借可穿透塵霧、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)”工作的超能力，成為汽車ADAS不可或缺的核心傳感器之一。

現(xiàn)在大家購(gòu)買汽車基本上，都要有以下的輔助駕駛功能，

1. ACC（自適應(yīng)巡航）

2. BSD&LCA（盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)和變道輔助）

3. AEB（自動(dòng)緊急制動(dòng)，通常配合攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)融合）

而基本上這些功能都是攝像頭同毫米波雷達(dá)輔助一起完成的，理論上只有攝像頭也可以完成，但是回憶瓶頸，使用毫米波雷達(dá)可以讓整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定和安全。

什么是雷達(dá)

由于我們大學(xué)是氣象學(xué)院的前身，所以學(xué)校里面會(huì)非常多雷達(dá)接收的天線，大腦里面第一時(shí)間想到的就是上圖這樣的雷達(dá)場(chǎng)景，如果車上背這么大一個(gè)家伙，根本無(wú)法行走，所以我們先來(lái)看看雷達(dá)的工作原理。

雷達(dá)是利用無(wú)線電回波以探測(cè)目標(biāo)方向和距離的一種裝置，用于無(wú)線電探向與測(cè)距，全世界開(kāi)始熟悉雷達(dá)是在1940年的不列顛空戰(zhàn)中，七百架載有雷達(dá)的英國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)，擊敗兩千架來(lái)襲的德國(guó)轟炸機(jī)，改寫(xiě)了歷史。二戰(zhàn)后，雷達(dá)開(kāi)始有許多和平用途。

雷達(dá)， 是英文RADAR的音譯， 源于Radio Detection and Ranging的縮寫(xiě)， 意思為“無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距”，即用無(wú)線電的方法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)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(cè)與目標(biāo)物體的距離、速度和方向。

毫米波雷達(dá)測(cè)距原理很簡(jiǎn)單，就是把無(wú)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(cè)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。

神奇的多普勒原理

毫米波雷達(dá)測(cè)速和普通雷達(dá)一樣，都是基于多普勒效應(yīng)(Dopler Effect)原理。當(dāng)聲音，光和無(wú)線電波等振動(dòng)源與觀測(cè)者以相對(duì)速度相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者所收到的振動(dòng)頻率與振動(dòng)源所發(fā)出的頻率有所不同。當(dāng)發(fā)射的電磁波和被探測(cè)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)射機(jī)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)射機(jī)頻率。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)速度成正比，與振動(dòng)頻率成反比。

所以，通過(guò)檢測(cè)這個(gè)頻率差，可以測(cè)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(cè)出目標(biāo)的距離。同時(shí)用頻率過(guò)濾方法檢測(cè)目標(biāo)的多普勒頻率譜線，濾除干擾雜波的譜線，可使雷達(dá)從強(qiáng)雜波中分辨出目標(biāo)信號(hào)。所以脈沖多普勒雷達(dá)比普通雷達(dá)的抗雜波干擾能力強(qiáng)，能探測(cè)出隱蔽在背景中的活動(dòng)目標(biāo)。

毫米波的頻段在哪兒

毫米波（millimeter wave ）波長(zhǎng)為 1～10 毫米的電磁波稱毫米波，它位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長(zhǎng)范圍，因而兼有兩種波譜的特點(diǎn)。

根據(jù)波的傳播理論，頻率越高，波長(zhǎng)越短，分辨率越高，穿透能力越強(qiáng)，但在傳播過(guò)程的損耗也越大，傳輸距離越短；相對(duì)地，頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，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(cè)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。

它具有以下主要特點(diǎn)：

?極寬的帶寬：通常認(rèn)為毫米波頻率范圍為 26.5～300GHz，帶寬高達(dá) 273.5GHz。超過(guò)從直流到微波全部帶寬的 10 倍。即使考慮大氣吸收，在大氣中傳播時(shí)只能使用四個(gè)主要窗口，但這四個(gè)窗口的總帶寬也可達(dá) 135GHz，為微波以下各波段帶寬之和的 5 倍。這在頻率資源緊張的今天無(wú)疑極具吸引力。

?波束窄：在相同天線尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一個(gè) 12cm 的天線，在 9.4GHz 時(shí)波束寬度為 18 度，而 94GHz 時(shí)波速寬度僅 1.8 度。因此可以分辨相距更近的小目標(biāo)或者更為清晰地觀察目標(biāo)的細(xì)節(jié)。

?與激光相比：毫米波的傳播受氣候的影響要小得多，可以認(rèn)為具有全天候特性。

?和微波相比：毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系統(tǒng)更容易小型化。

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(guò)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(shuō)來(lái)， “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。

毫米波這個(gè)波段頻率很高，但是這個(gè)頻段里很多頻率區(qū)域的電磁波在空氣里傳播很容易被水分子、氧氣吸收，所以可用的就是幾個(gè)典型的頻段，24、60、77、120GHz。當(dāng)然24GHz很特別，他嚴(yán)格來(lái)講不是毫米波，因?yàn)樗牟ㄩL(zhǎng)在1cm左右。但是它是最早被利用的?，F(xiàn)在各個(gè)國(guó)家把24GHz劃出來(lái)可以民用，77GHz劃分給了汽車防撞雷達(dá)，24Ghz也在汽車?yán)镉玫米钤纭?/p>

24GHz將被更高頻代替。由于歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)和美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)制定了頻譜法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，24GHz的UWB將被淘汰。截至2022年1月1日，24GHz超寬帶將不再允許在歐洲和美國(guó)用于工業(yè)用途。60GHz頻段的射頻使用不受法規(guī)的限制，因此60GHz成為全球工業(yè)環(huán)境中雷達(dá)傳感應(yīng)用的良好替代方案。60GHz的使用將會(huì)使得波長(zhǎng)變短。由于更長(zhǎng)的波長(zhǎng)需要更大的天線陣列，但是，當(dāng)波長(zhǎng)變短時(shí)，可以使天線陣的尺寸減到最小，從而達(dá)到相同的性能。

毫米波雷達(dá)發(fā)展歷程

可以看到毫米波雷達(dá)在1940年開(kāi)始研制，真正在汽車上開(kāi)始研發(fā)是1973年，由于價(jià)格太昂貴推遲了一段時(shí)間，在1986左右開(kāi)始在汽車上商用，真正在汽車蓬勃發(fā)展是在1999年奔馳S級(jí)上使用77GHz自主巡航控制系統(tǒng)。

文章出處：【微信公眾號(hào)：深圳市汽車電子行業(yè)協(xié)會(huì)】

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