毫米波雷達技術及應用大解析（內有大量PPT乾貨） | 硬創公開課
上個月，無人機方案提供企業Aerotenna獲得了在美國紐約州雪城舉辦的無人機交通管制峰會無人機避障比賽的冠軍，與通常無人機採用的超聲波或雙目等方案避障不同的是，Aerotenna的避障方案採用以雷達技術為基礎的µSharp 360度微波雷達。
隨著無人機應用的成熟和大規模普及，穩定、可靠的避障系統對於無人機來說越發重要，而目前市面上的很多無人機產品所用的傳感方案無外乎視覺、超聲波等傳統方案，相對這些傳統方案，雷達的可靠性、準確度以及感知距離都定高相對上了一個層次。
那麼毫米波雷達應用在無人機上到底是個什麼樣的存在，其中有什麼樣的技術難度和壁壘？
本期公開課我們請到了Aerotenna北京研發中心技術負責人冀連營博士，為大家講解《小型民用毫米波雷達及其應用》。
嘉賓介紹
冀連營，北京理工大學信號與資訊處理專業博士，師從北理工雷達技術研究所高梅國教授，主攻數位通道化雷達接收機。
2009年畢業進入中國科學院大學讀博士後，新加坡國立大學訪問學者，2012年博士後出站開始在中國科學院大學電子學院任教。期間作為合夥人共同創辦中國科學院大學傳感網路與應用中心產業化公司，任技術總監。
2015年加入Aerotenna公司，聯合創立北京研發中心並任技術負責人。負責無人機與汽車毫米波雷達、SOC FPGA架構無人機飛控研發。
以下是冀連營博士演講全部內容記錄精編：
毫米波的基本特性
大家都知道雷達使用電磁波，電磁波這個媒介決定了微波雷達區別於超聲、聲呐等其它方法。
電磁波是交變電磁場，在自由空間傳播，這個電磁場交變的頻率，決定了雷達的基本屬性。當然，波長和頻率是一個等效的概念。電磁波按頻率劃分有這麼幾個典型的頻段：
平時用的無線電是低於300Mhz的頻段，主要是AM，FM廣播使用。
微波頻段是通信和雷達使用的主要頻段，這是個很寬的頻，有300Mhz--300GHz，我們要講的毫米波是微波的一個子頻段。
大家可以看到的是，可見光、紅外、鐳射等，這些也是電磁波的一種但是由於頻率的不同，它和微波頻段的特性有很大差異。
所以所基於可見光、紅外、或者鐳射的方法一般就嚴格的講就不叫雷達了，雖然鐳射的機理和雷達可能是類似的。
那麼不同頻段的電磁波主要的區別在哪裡呢？就是以下這幾個特性，當電磁波在空間傳播的時候，它傳播的介質一改變，就會發生
反射、吸收、透射、衍射等現象
。不同頻段的電磁波，這幾種現象的占比就很大差異。
那麼我們知道無論是雷達、主動紅外、雷射雷達都是基於反射這個特性，不同頻率的電磁波在反射特性上就有很大差異，這個一方面取決於介質，也就是反射面的材質。比如金屬的材質更容易反射微波，水主要會吸收電磁波，那麼水下我們就很少使用雷達。同時，這個反射、透射等特性還取決於電磁波的頻率。比如我們的廣播，一般在屋裡也能接收到，但是wifi在隔了幾堵牆可能就很弱了，紅外和光根本就一張紙可能也透不過去。這是因為，波長越長，越容易發生透射和衍射現象，而波長越短，則很容易被反射。
一般來講電磁波波長和介質的尺寸之間的關係，如果大於，那麼就容易透過和衍射，如果小於則容易反射。當然這裡特別的是射線，因為他基本以粒子屬性為主，所以基本不能看做是波了。
我們要講的毫米波的波長是1cm到1mm之間，這個波長是很短的，它靠近太赫茲或者紅外，但是比這兩者的波長還長很多，這個波長早期開發起來難度很大，是近十年左右才利用起來的。
就像剛剛我們講的，我們現在能用來通信和處理的電磁波頻率越來越高，現在已經講太赫茲、可見光通信了，這得益於技術的發展。毫米波這個波段30---300GHz，頻率很高，但是這個頻段裡很多頻率區域的電磁波在空氣裡傳播很容易被水分子、氧氣吸收，所以可用的就是幾個典型的頻段，也就是這裡列出來的24、60、 77,、120GHz。當然24GHz很特別，他嚴格來講不是毫米波，因為它的波長在1cm左右。但是它是最早被利用的。現在各個國家把24GHz劃出來可以民用，77GHz劃分給了汽車防撞雷達，24Ghz也在汽車裡用得最早。
毫米波由於它的波長很短，就有別於無線電和較低頻的微波，根據剛才說的反射特性等特點來講，首先它很接近於光的傳播特性，對於較小的反射面（物體）也能較好的反射，另外由於頻率很高，它可調製的頻寬非常大。還有，一會我們會說到，由於波長很短，天線就可以很小。但是由於波長小，在空間傳播很容易被阻擋和吸收，那麼也就導致它作用距離不可能太遠，當然這個遠近是相對其他波段來說的，一般作用距離1km以內。
毫米波雷達的檢測、測距、測速和角度
測量
下面我們來說一下毫米波雷達。
我們知道雷達就是發射電磁波並通過檢測回波來探測目標的有無和遠近的一種電子裝置。這個和超聲、主動紅外、鐳射都一樣。只不過我們強調用了Radio。
毫米波和大多數微波雷達一樣，有波束的概念，也就是發射出去的電磁波是一個錐狀的波束，而不像鐳射是一條線。這是因為這個波段的天線，主要以電磁輻射，而不是光粒子發射為主要方法。這一點，雷達和超聲是一樣，這個波束的方式，導致它優缺點。優點，可靠，因為反射面大，缺點，就是分辨力不高。
毫米波雷達可以對目標進行有無檢測、測距、測速以及方位測量。
判斷有沒有目標很簡單，判斷回波有沒有就行了。
測距也簡單，都是基於TOF原理，但是我們說電磁波的傳播速度是光速，所以這個帶來了一定的挑戰。剛才我們說毫米波雷達作用距離都不太遠，比如我們說汽車或者無人機，那麼探測距離就很近，回波和發射波間隔就非常短，所以一般並不太適合使用簡單的發射脈衝方式，所以現在主要是用FMCW方式較多。
毫米波雷達測速和普通雷達一樣，有兩種方式，一個基於dopler原理，就是當發射的電磁波和被探測目標有相對移動、回波的頻率會和發射波的頻率不同。通過檢測這個頻率差可以測得目標相對于雷達的移動速度。但是這種方法無法探測切向速度，第二種方法就是通過跟蹤位置，進行微分得到速度。
最後一個，是毫米波雷達的側向，雷達對目標方位的探測主要基於一種方法，就是使用較窄的波束。因為當目標出現在波束裡，我們一般沒有辦法判斷目標具體在這個波束內部的那個方向，所以我們必須把波束做窄，當然能和鐳射一樣最好，但是這個很難。那麼把波束做窄，有幾種方法，一種使用有向天線，比如喇叭天線或者透鏡天線。還有一種方法，就是使用多根天線+陣列信號處理的方法。對於毫米波來講，由於波長很短，所以我們做很多根天線的代價就很小（這個代價指價格、尺寸），所以毫米波雷達大量使用陣列天線的方式來構成窄波束，能多窄呢？比如3度，5度這樣，是汽車常用的。當然這個和鐳射還不能比，但是已經很好了。
毫米波雷達的基本技術
民用毫米波雷達首先應用的方向是汽車應用，大約199X年的時候，毫米波雷達就被用於汽車的ACC功能（自我調整巡航）了，也就是在高速上跟著前車跑，他慢你慢，他快你快，保持一定距離。這依賴于毫米波長達200米以上的距離探測功能，其它手段是很難做到的。到後來，又陸續發展為防撞、盲區探測等其它功能，但是這個技術一直很貴，並且對國內封閉，直到2012年，出現了晶片級別的毫米波射頻晶片，這個技術的門檻一下降低了，所有應用打開了一個視窗。
毫米波雷達一般有這麼幾個構成部分：天線、射頻、基帶、以及可能的控制層。
我們一個一個來說，首先天線。
剛才我們講，毫米波雷達波長幾個毫米，由於天線尺寸和波長相當，所以毫米波雷達的天線可以很小，從而可以使用多根天線來構成陣列天線，達到窄波束的目的，隨著收發天線個數的增多，這個波束可以很窄很窄。另外一個因素是，由於波長很小，毫米波可以使用一種”微帶貼片天線“，就是圖片裡這個樣子，在pcb板上的ground層上鋪幾個開路的微帶線，就能做天線。這個導致毫米波雷達的天線可以做成pcb板。和大家常見的wifi和藍牙的pcb天線很像。當然，由於毫米波的頻率很高，那麼一般需要高頻板材。實際上國內在一兩年前，都還不具備製作這個天線的能力。
接著是毫米波雷達的射頻部分。
剛才我們提過，早些年用離散器件搭難度很大，只有幾個大廠能做，並且形成了技術壁壘，但是晶片級別的毫米波射頻晶片的推出，門檻迅速下降，之前幾萬塊錢的毫米波雷達，現在可以1000塊左右了。當前使用sige工藝的片子還略貴，很多廠家在研發cmos工藝的，如果成功，可能就白菜價了。
最後是毫米波雷達的數位信號處理部分。
這部分就是一些演算法，主要包括陣列天線的波束形成演算法、信號檢測、測量演算法、分類和跟蹤演算法。這個就不展開了，因為涉及的面太多了。雷達的原理是簡單的，但是要做好，功夫就都要下在這個地方。
另外，還有一些廠家的方案，都是從射頻帶基帶一體的解決方式，我們可以預見，不遠的將來，集成程度會更高，到時候都是單晶片的方案了。
毫米波雷達的兩個應用
一個當然就是汽車。
由於毫米波雷達的距離遠、可靠性高、不受光線、塵埃影響，相比攝像頭，它距離150米以上的特性遠遠勝出。相比鐳射，1000塊左右的價格也是大大勝出。所以現在仍然是主流技術。
當然剛才我們提到它分辨力略低，那麼和攝像頭的融合必然是一個趨勢。
當然，雷射雷達在拼命的技術革新，想把價格降下來。由於技術和價格的迅速普及，原來只有50萬以上的車才有的毫米波雷達，現在十幾萬的車上也慢慢開始裝了，而且，telsa這樣ADAS領導者，也開始從汽車雷達廠商挖技術主管，並且在九月份開始裝配到它的電動車上了。可以看出來，毫米波雷達在汽車上的應用還是主流技術。
另一個就是無人機。
我們常講，汽車和無人機其實是很像的：高速移動，安全第一。
高速，必然要求，探測距離足夠遠。安全，必然要求檢測方法的魯棒性，和受環境影響小。
當然在某些應用裡，無人機的環境比汽車也要複雜一點。
毫米波雷達在軍事有人機、無人機早已大規模應用。
其在無人機的第一個應用，也是目前市場最大的，是植保無人機的定高應用。
我們知道gps和氣壓計測的是海拔高度，而植保時，我們希望無人機在作物上方固定的高度飛行，無論地面和植被是否起伏。這個也叫仿地飛行。這種應用有很多的解決方案，比如我們說的超聲、鐳射、紅外、雙目等等。但是由於植保環境大多很差，有很大的灰塵，還有水霧，那麼超聲和基於光學的都會受到很大干擾。
目前來看，基於毫米波雷達的高度計，表現是最穩定的，首先他能穿透塵埃水霧，另外也基本不受什麼干擾。基於波束，而不是點反射，高度恰恰反映植被葉片高度。
無人機方面第二個應用就是避障。
這個同樣是一個多種感測器爭奪的戰場。但是我們講毫米波雷達有不受光線影響、作用距離有非常大、可靠等優勢，而這些優勢在軍事有人機、汽車、無人機方面都被證明。
當然，雷達的分辨力確實較低。但是我們講過，由於陣列天線的優勢，其實這個是可以有很大提高的，有3-5度的分辨力是有可能的。在美國這個避障比賽裡，我們用毫米波雷達是得了第一的。所以請大家也有信心。這裡有一個對比圖，大家可以看一看。
所以我們說毫米波雷達是有很大的調整空間的，比如波束寬度、作用距離、價格等。我們相信毫米波雷達在無人機測高、避障上優勢很明顯，但也有需要光學來補充的地方。因此，我們提出這樣一個架構，使用毫米波雷達進行360度避障，和高度測量。
當然這樣的架構下，也需要更強的飛控處理平臺和技術。