ADAS和自動駕駛需要雷達(dá)的理由

通信和傳感技術(shù)已經(jīng)改變了汽車行業(yè)。越來越多的汽車包含與環(huán)境交互的功能和系統(tǒng)，獲得對周圍空間的認(rèn)識，相互之間和與基礎(chǔ)設(shè)施聯(lián)網(wǎng)，以及檢測可能的危險源。我們可以認(rèn)為車輛已經(jīng)獲得了自己的“感覺”：它們知道自己在哪里，現(xiàn)在可以看到、聽到和感覺到周圍發(fā)生的事情。

圖 1：傳感器、導(dǎo)航和通信：汽車的“感官”。

汽車傳感器是提高道路交通安全和達(dá)到自動駕駛 4 級和 5 級的關(guān)鍵。使用先進(jìn)的傳感器技術(shù)將允許通過警告信號和自動安全功能預(yù)防事故，從而實(shí)現(xiàn)愿景 0 目標(biāo)：到 2050 年交通事故死亡人數(shù)為零。從這個意義上說，歐洲議會于 2019 年批準(zhǔn)了一項(xiàng)法律，制定了安全功能，例如從 2022 年 5 月起，新車型和 2024 年 5 月起，所有新車都必須配備智能速度輔助、先進(jìn)的緊急制動系統(tǒng)和車道保持系統(tǒng)。

此外，購買汽車時，安全措施也變得越來越重要。出于這個原因，歐洲新車評估計(jì)劃 （Euro NCAP） 將自 2020 年以來的緊急制動系統(tǒng)納入其評估。這迫使該行業(yè)加大努力，并在其車輛中加入新的檢測功能。

1. 用于 ADAS/AS 的汽車傳感器

有不同的選項(xiàng)可用于感測車輛周圍的環(huán)境。然而，對于完全自動駕駛，需要結(jié)合不同的傳感技術(shù)，才能提供完整的 360° 檢測。整個系統(tǒng)可以看作是汽車的“感官”，提供與周圍環(huán)境互動的手段，并創(chuàng)造一個安全“繭”。每種技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，如下表 1 所示，因此完全自動駕駛需要結(jié)合不同的來源，如圖 2 所示。

表 1：汽車應(yīng)用中不同傳感器技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

圖 2：ADAS/AD 系統(tǒng)趨勢：傳感器集成。

2、汽車?yán)走_(dá)

雷達(dá)是一項(xiàng)眾所周知的技術(shù)，它依靠發(fā)送和接收電磁波來測量、檢測和定位環(huán)境中的障礙物。雷達(dá)特別適用于汽車應(yīng)用，因?yàn)檐囕v是電磁波的良好反射器，因此可以準(zhǔn)確地確定它們的距離、位置和速度。

在汽車環(huán)境中，調(diào)頻連續(xù)波 （FMCW） 雷達(dá)用于不同的頻段，具體取決于應(yīng)用。FMCW雷達(dá)的原理將在下一篇雷達(dá)博文中講解。雷達(dá)的基本拓?fù)淙鐖D 3 所示。它包括一個或多個雷達(dá) MMIC 收發(fā)器，連接到高性能處理單元（MCU 或 SoC）。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和芯片數(shù)量將取決于雷達(dá)模塊在車輛上的位置及其必須覆蓋的應(yīng)用，如圖 4 所示。

圖 3：雷達(dá)架構(gòu)示例

圖 4：不同雷達(dá)應(yīng)用的組合。

國際電信聯(lián)盟 （ITU） 根據(jù)其功能定義了兩類汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)：

類別 1：它包括為駕駛員提供舒適功能的雷達(dá)系統(tǒng)，使駕駛更加輕松。此類別包括自適應(yīng)巡航控制 （ACC） 和防撞 （CA） 雷達(dá)，測量范圍可達(dá) 250 米。

2 類：它定義了用于高分辨率應(yīng)用的傳感器，這些傳感器增加了車輛的被動和主動安全性，例如盲點(diǎn)檢測、車道變換輔助和后方交通交叉警報、行人和自行車附近的檢測車輛。范圍低于 1 類，最大為 50m 至 100m，具體取決于應(yīng)用。這些系統(tǒng)的目的是通過提高車輛的被動和主動安全性來改善交通安全。

雷達(dá)的類型也可以根據(jù)測量范圍進(jìn)行分類（圖 5）：

短程雷達(dá) （SRR），具有大視場和高分辨率，范圍可達(dá) 50 m。

中程雷達(dá) （MRR），具有中等視野，范圍可達(dá) 100 m，

遠(yuǎn)程雷達(dá) （LRR），它不需要高分辨率或?qū)捯晥?，但目?biāo)是盡可能高的范圍，高達(dá) 250m。

圖 5：汽車?yán)走_(dá)的典型范圍和視場。

為了提供 360° 覆蓋，需要在汽車上放置具有不同功能的不同雷達(dá)傳感器，如圖 6 所示。必須將獲取的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，以獲得實(shí)時準(zhǔn)確的周圍環(huán)境信息。

圖 6：在汽車上放置雷達(dá)傳感器以實(shí)現(xiàn) 360° 覆蓋。

雷達(dá)傳感器可以很容易地安裝在汽車的常見元素后面，比如保險杠或公司標(biāo)志，這樣它們就看不見了，不影響美觀。隨著工作頻率的提高，這種集成變得更容易，因?yàn)闆Q定模塊尺寸的天線尺寸與波長成線性比例，因此與工作頻率成反比。汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)曾經(jīng)使用四個主要頻段，兩個在 K 波段（大約 24GHz）和兩個在 E 波段（在 76 和 81GHz 之間），如圖 7 所示。

圖 7：汽車?yán)走_(dá)的頻段。

然而，由于對射電天文和地球探測應(yīng)用的干擾，24GHz 頻段將被停用。作為替代方案，76 GHz 至 81 GHz 頻段已被大多數(shù)國家接受為汽車?yán)走_(dá)的頻段。在那里，為 LRR（76 至 77GHz）保留 1GHz 帶寬，而 4GHz 帶寬可用于需要更高分辨率的應(yīng)用，如表 2 所示。

表 2：根據(jù) ITU 建議 ITU-R M.2057-0 在 76-81 GHz 頻段內(nèi)的典型汽車?yán)走_(dá)特性

3.雷達(dá)市場

新車輛中新的安全和舒適功能的集成導(dǎo)致雷達(dá)市場激增。汽車是該市場增長最快的部分，預(yù)計(jì)到 2025 年將超過 100 億美元，如圖 8 所示。

圖 8：雷達(dá)市場的演變（來源：Yole Report 2020）

如果僅考慮雷達(dá) MMIC 收發(fā)器，市場預(yù)測超過 12 億美元，GaAs 技術(shù)幾乎消失，CMOS 將快速增長，到 2025 年成為主導(dǎo)技術(shù)。

圖 9：每種技術(shù)的雷達(dá) MMIC 市場的演變（來源：Yole Report 2020）

4。結(jié)論

雷達(dá)模塊已成為現(xiàn)代車輛的標(biāo)準(zhǔn)配置。雖然它們在距離分辨率方面相對于其他技術(shù)存在一些缺點(diǎn)，但它們的可靠性和多功能性使其成為現(xiàn)代 ADAS/AD 系統(tǒng)中不可替代的部分。從 76 GHz 到 81 GHz 向更高頻率的轉(zhuǎn)變帶來了新的技術(shù)挑戰(zhàn)，但這也使其成為半導(dǎo)體行業(yè)新發(fā)展的激動人心的領(lǐng)域。

審核編輯：郭婷