易車原創
往期內容中，當我們談論自動駕駛的時候，一個“自帶流量”的感測器經常被我們提及，它就是鐳射雷達。
這幾年由於鐳射雷達能對周圍環境進行3D感知而備受自動駕駛主流參與者的擁護，不過無論是鐳射雷達、攝像頭還是超聲波感測器，都容易受到惡劣天氣環境影響導致效能降低甚至失效，因而都存在“致命”缺陷！
這時候，硬體“老大哥”——毫米波雷達憑藉可穿透塵霧、雨雪、不受惡劣天氣影響的絕對優勢，且唯一能夠“全天候全天時”工作的超能力，成為汽車ADAS不可或缺的核心感測器之一。
近年來，毫米波雷達被廣泛應用在高階駕駛輔助系統（ADAS）中，再度成為了零部件供應商們的焦點戰場。ADAS系統需要多種感測器配合工作，毫米波雷達由於其眾多優勢，成為自動駕駛和無人駕駛的關鍵感測器。
在自動駕駛感測器領域，看上去有些沉寂的毫米波雷達開始變得熱門。相比昂貴的鐳射雷達，毫米波雷達無疑更接地氣，在技術上也較為成熟。
現在大家購車基本上，都要有以下的輔助駕駛功能：
1、ACC（自適應巡航）
2、BSD&LCA（盲點監測和變道輔助）
3、AEB（自動緊急制動，通常配合攝像頭進行資料融合）
而基本上這些功能都是攝像頭同毫米波雷達輔助一起完成的，理論上只有攝像頭也可以完成，但是使用毫米波雷達可以讓整個系統更加穩定和安全。
毫米波雷達的研製是從20世紀40年代開始的，到1950年代，美國出現了用於機場交通管制和船用導航的毫米波雷達，但由於功率效率低，傳輸損失大，發展受到限制。
1960年代，美國NHTSA對毫米波雷達和制動系統做了組合系統的驗證研究，毫米波雷達開始在車載領域中應用。
1973年，德國的AEG Telefunken和博世公司共同開始投資研究汽車防撞雷達技術，由於價格昂貴沒有後續發展。
1970年代中後期，毫米波技術得到很大的發展，在功率源、高增益天線、積體電路等方面取得進步，並首先應用於軍事系統中，如直升機、防空系統、導彈制導系統等。
1980年代初期，美國許多著名大學、研究機構以及幾百家企業逐漸開始投入毫米波雷達技術研究，毫米波雷達進入高速發展期。
1986年，歐洲在“歐洲高效安全交通系統計劃（PROMETHEUS）”指導下重新開始了車載毫米波雷達的研製。
1980年代後期，關於汽車毫米波防撞雷達研究開始活躍起來，單脈衝和連續調製波兩種體制的雷達已在美、日、歐汽車中廣泛應用。
1992年，美國交通部門在灰狗公交車上安裝了1500套毫米波雷達，到1993年取得了立竿見影的效果，交通事故發生率下降了25%。
1999年，賓士率先開始在S級轎車上使用77GHz自適應巡航系統（ACC）。
進入21世紀以來，隨著汽車市場需求及技術進步，車載毫米波雷達進入蓬勃發展時期。
毫米波雷達的原理，可能需要各位回想一下初高中的物理知識了，毫米波實質上是波長介於1-10mm的電磁波。毫米波的頻段比較特殊，其頻段高於無線電，低於可見光和紅外線，頻率大致範圍在10GHz—200GHz。
車載毫米波雷達的工作原理
透過天線向外發射毫米波，接收目標反射訊號，經後方處理後快速準確地獲取汽車周圍的物理環境資訊，然後根據所探知的物體資訊進行目標追蹤和識別分類，進而結合車身動態資訊進行資料融合，最終透過中央處理單元（ECU）進行智慧處理。經合理決策後，以聲、光及觸覺等多種方式告知或警告駕駛員，或及時對汽車做出主動干預，從而保證駕駛過程的安全性和舒適性，減少事故發生機率。
毫米波雷達的工作體制
根據輻射電磁波方式不同，毫米波雷達主要有
脈衝體制
以及
連續波體制
兩種工作體制。其中連續波又可以分為FSK（頻移鍵控）、PSK（相移鍵控）、CW（恆頻連續波）、FMCW（調頻連續波）等方式。
其中
FMCW雷達
可以說是最常用的車載毫米波雷達。能同時測出多個目標的距離和速度資訊，可對目標連續跟蹤，系統敏感性高，錯誤報警率低；不易受外界電磁噪聲的干擾；測量距離遠，解析度高；所需發射功率低；成本較低；訊號處理難易程度及實時性可達到系統要求。
FMCW雷達系統主要包括收發天線、射頻前端、調製訊號源和訊號處理模組等。
車載毫米波雷達的應用
：把毫米波雷達安裝在汽車上，可以測量從雷達到被測物體之間的距離、角度和相對速度等。毫米波雷達目前主要應用於中高階車型，隨著人們對汽車主動安全效能的認可度增加，ADAS相關產品已經逐漸向低端車型普及。
利用毫米波雷達可以實現自適應巡航、前向防撞報警、盲點檢測、輔助停車、輔助變道等高階駕駛輔助系統功能。
鐳射雷達的工作原理
鐳射雷達在之前的文章中我們也有詳細的介紹。其實鐳射雷達的工作原理與毫米波雷達類似，只不過它是以鐳射作為訊號源，由鐳射器發射出的鐳射束來探測目標的距離、方位、高度、速度、姿態等特徵量，由於光的波長大約比無線電的波長小10萬倍，所以與普通雷達相比，鐳射雷達的精度和解析度都更高。鐳射雷達在工作時，鐳射束不斷地掃描目標物，還可以得到目標物上全部目標點的資料，用此資料進行成像處理後，可得到精確的三維立體影象。因而在自動駕駛領域，鐳射雷達被稱為“無人車之眼”。
透過以上對比可知，這兩種技術方向不同的雷達各有專長。
從探測距離和受環境影響的方面來看，毫米波雷達的表現會更突出一些。由於波長的原因，毫米波雷達的探測距離可以輕鬆超過200米，鐳射雷達目前隨著技術進步也可達到這一水平，在高速行駛的場景裡，毫米波雷達更適合。此外在霧霾、雨雪等極端天氣中，毫米波雷達的穿透霧、煙、灰塵的能力也要更強一些。
在人工智慧的演算法還不夠成熟，純視覺感測器在無人駕駛方案的安全上還存在較多問題的背景下，雷達對於無人車不可或缺。
毫米波雷達和鐳射雷達通常會被組合起來使用，取長補短。為了爭取能在無人車上有更多的部署，這兩種雷達一直在暗地較勁，毫米波雷達廠商在晶片、系統設計和演算法上大做文章，努力提高自己的探測精度；鐳射雷達就想方設法降低成本，畢竟毫米波雷達最早出現時的價格也在十萬美元以上。
目前主流使用的車載毫米波雷達，按照其頻率不同，主要可分為兩種：
24GHz
和
77GHz
。
24GHz頻段，能夠實現的ADAS功能有盲點檢測、變道輔助等，在自動駕駛系統中常用於感知車輛近處的障礙物，為變道決策提供感知資訊。因為偵測距離不夠遠，因此大部分用來做盲區、障礙物的偵測。
24GHz
而77GHz頻段，效能良好，最大檢測距離可以達到160米以上，因此常被安裝在前保險槓上，正對汽車的行駛方向。長距離雷達能夠用於實現緊急制動、高速公路跟車等ADAS功能，同時也能滿足自動駕駛領域，對障礙物距離、速度和角度的測量需求。與24GHz頻段雷達相比，77GHz頻段雷達在頻寬、探測距離、功耗等方面都有不小的優勢。
77GHz
車載24GHz與77GHz毫米波雷達效能對比
：
1、頻率不同，24GHz毫米波雷達的波長大於10cm，嚴格來講屬於釐米波雷達；
2、相比於24GHz，77GHz同時滿足高傳輸功率和寬工作頻寬，同時滿足這兩點使其可以同時做到長距離探測和高距離解析度；
3、相比於24GHz，77GHz在物體解析度、測速和測距精確度具有顯著優勢；
4、相比於24GHz，77GHz雷達體積更小，其波長不到24GHz的三分之一，所以收發天線面積大幅減小，整個雷達尺寸有效下降。
毫米波雷達是透過電磁波束對於目標進行探測。但是毫米波雷達發射功率、探測距離以及天線排布、探測角度之間互相制約。因此毫米波雷達很難具備大角度和遠距離的效能，因此汽車領域的毫米波雷達被分為了三類：
遠距LRR、中距MRR、近距SRR
。
車載毫米波雷達未來趨勢：77GHz頻段
長期來看，最終車載毫米波雷達將會統一於77GHz頻段（76-81GHz），該頻段頻寬更大、功率水平更高、探測距離更遠；相比於24GHz，物體分辨準確度提高2-4倍，測速和測距精確度提高3-5倍，能檢測行人和腳踏車；且裝置體積更小，更便於在車輛上安裝和部署。
77GHz頻率範圍是全球裝配永久認可的權威頻段，因此更適用於全球車輛平臺。
其中76-77GHz主要用於長距離毫米波雷達，77-81GHz主要用於中短距離毫米波雷達。
未來79GHz頻段（77-81GHz）中短距離毫米波雷達會成為中距離MRR的主流，且有望全面替代24GHz短距離雷達，取代週期取決於各國工業水平、市場趨勢及政策力度。
一直以來，毫米波雷達都無法實現高密度點雲成像，有效地解析目標的輪廓與類別，檢測靜止目標、較小目標，同時存在解析度低等效能問題。
因此毫米波雷達被認為是自動駕駛的輔助感測器，在L2以上自動駕駛系統中應用有限。但4D高精成像毫米波雷達出現後，將徹底改變這一局面。
4D之前，先聊聊什麼是
3D雷達
：
1、其訊號天線只在二維方向上排布，因此其對目標的探測只有二維水平座標（x，y），沒有高度資訊（z）；再加上透過多普勒效應探測到的物體速度資訊，輸出量即為：X / Y/ V；
2、目前量產應用的車載毫米波雷達均為3D雷達。
4D雷達
：
1、水平與垂直方向上，都佈置了天線，因此能夠額外實現對物體高度的探測，謂之4D，可輸出X、Y、Z座標和速度向量；
2、可以檢測不同高度，不同水平面上的運動物體。
4D高精成像技術增加了雷達對目標俯仰高度資料的探測和解析，可實現俯仰角、時間、距離、方位角的資訊感知。4D高精成像毫米波增加時間維度資訊後可以有效地解析目標的行為、大小輪廓、類別等。這對L2以上的自動駕駛系統內的視覺和昂貴的鐳射雷達形成最有效的補充，4D高精成像毫米波雷達將成為L2以上自動駕駛的主感測器。
另外4D高精成像毫米波雷達透過增加虛擬通道，大幅提升解析度以及目標檢測的置信度和檢測範圍（如距離和FOV），同時進化出鐳射雷達一樣的高密度點雲，可帶來豐富的感知增強應用。
在識別較小的物體，對遮擋物體、靜止物體和橫向移動障礙物的檢測，以及應用更多的複雜路況時，4D高精成像毫米波雷達對視覺和鐳射雷達提供不能獲取的更有價值的路況資訊，從而提高系統融合後的安全性。
4D高精成像毫米波雷達在現有雷達優點的基礎上，透過四個維度感知環境，提供比傳統毫米波雷達更豐富的資料；4D高精成像毫米波雷達進入大規模量產後，成本僅是鐳射雷達的1/10。因此4D高精成像雷達有望成為自動駕駛核心感測器，進而代替低端鐳射雷達，也許會在未來的自動駕駛方案中佔據主導地位，實現低成本，高效能可大規模的量產自動駕駛方案。
4D雷達研發難點及遇到的問題
：
1、在有體積要求的毫米波雷達上，垂直與水平方向天線緊密排佈會相互產生嚴重的訊號干擾，這需要長期的經驗積累開發的演算法予以解決；
2、雷達訊號接收量大大增加，對模數轉換器（ADC）的效能要求將會增加；
3、訊號處理演算法的可靠性、實時性需要保證，傳統的毫米波雷達ECU可能無法勝任大規模點雲的處理；
4、資料儲存需求將會加大，需要額外添置儲存單元。
博世毫米波雷達
基於對無人駕駛市場的良好預期，很多廠商都扎入到毫米波雷達賽道。目前，國外毫米波雷達市場幾乎由這幾家所把持，包括博世、大陸、採埃孚和安波福。
隨著毫米波雷達技術的發展，以及發展中的自動駕駛市場，給行業內的新興勢力提供了冒頭的機會。比如行易道、蘇州豪米波、深圳安智傑、湖南莫之比、杭州智波等一大批初創企業在近幾年湧現，他們在不斷挑戰傳統勢力的過程中“跑馬圈地”，努力使自己成為能夠割據一方的強硬勢力。
未來，無論是高階輔助駕駛系統產業，還是無人駕駛行業，毫米波雷達都會是汽車最核心的感測器之一。期待國產毫米波雷達更多的裝車量產，使我國汽車毫米波雷達產業在全世界享有一席之地。
