解讀：為什麼毫米波雷達是自動駕駛不可或缺的感測器？

*毫米波雷達產品

在智慧駕駛感測器領域，和雷射雷達（LiDAR）相比，毫米波雷達（Millimeter-Wave Radar）更接地氣，在技術上已非常成熟，而且其市場出貨量相當可觀，以中國市場為例，2015年車載毫米波雷達銷量為180萬顆，大概平均每12台車搭載1顆毫米波雷達。此外，毫米波雷達在歐洲的普及率非常高。

杭州智波科技便是這個領域的玩家之一。公司成立於2015年底，在車載雷達領域，杭州智波已經研發出產品ZB002V，這是一款基於毫米波技術的K波段通用雷達，適用于汽車前向碰撞警告、大型無人機避障、大型物流機器人等對精確測速、測距有需求的場合。

在近日嘉之道汽車舉辦的一場ADAS相關論壇上，杭州智波創始人兼董事長袁帥以“車載毫米波雷達技術和智慧駕駛應用”為主題進行了分享，詳述了毫米波雷達的頻段、發展史、基本原理、關鍵技術以及市場預期。雷鋒網新智駕（AI-Drive）進行了精編：

一、毫米波頻段的劃分

毫米波實質上就是電磁波。毫米波的頻段比較特殊，其頻率高於無線電，低於可見光和紅外線，頻率大致範圍是10GHz—200GHz。毫米波介於微波（Micro waves）和THz（1000GHz）之間，可以說是微波的一個子集。

在這個頻段，毫米波相關的特性使其非常適合應用於車載領域。

目前，比較常見的車載領域的毫米波雷達頻段有三類。

其一是24—24.25GHz這個頻段，目前大量應用於汽車的盲點監測、變道輔助。雷達安裝在車輛的後保險杠內，用於監測車輛後方兩側的車道是否有車、可否進行變道。這個頻段也有其缺點，首先是頻率比較低，另外就是頻寬（Bandwidth）比較窄，只有250MHz。

另一個頻段就是77GHz，這個頻段的頻率比較高，國際上允許的頻寬高達800MHz。

據袁帥介紹，這個頻段的雷達性能要好於24GHz的雷達，所以主要用來裝配在車輛的前保險杠上，探測與前車的距離以及前車的速度，實現的主要是緊急制動、自動跟車等主動安全領域的功能。

第三類應用頻段就是79GHz—81GHz，這個頻段最大的特點就是其頻寬非常寬，要比77GHz的高出3倍以上，這也使其具備非常高的解析度（雷鋒網新智駕注：後文會對“解析度”有詳細闡釋），可以達到5cm。這個解析度在自動駕駛領域非常有價值，因為自動駕駛汽車要區分行人等諸多精細物體，對頻寬的要求很高。袁帥表示，這個頻段在未來的自動駕駛領域會有很廣泛的應用。

而在波長方面，24GHz毫米波的波長是1.25cm，而77GHz毫米波的波長大概是4mm，毫米波的波長要比光波的波長長1000倍以上，所以它對物體的穿透能力更強。

舉個例子，我們通常看到的灰塵的直徑大概在1um—100um之間，自然界的雨點的直徑在0.5mm—4mm的範圍內。所以波長與它們相等或者更長的電磁波可以輕易穿透這些障礙物，毫米波便擁有這樣的能力。

這種可靠性是其他任何感測器難以達成的，所以在ADAS這樣一個對安全性、可靠性要求比較高的領域，毫米波雷達擁有很難撼動的地位。

二、毫米波雷達在車載領域的發展史

實際上，在上世紀60年代的美國，毫米波雷達便開始在車載領域應用，但是當時的工藝水準較低，應用的是單天線，前端只能一收一發，其頻率只有10GHz。

而且，在袁帥的描述中，這種雷達裝置配備在車輛的前方並不美觀，“基本上就像是兩個盤子在那放著。”

之後，為了縮小其體積，業內專家不斷將頻率往上提，來到30GHz、50GHz。雷達頻率越高、天線尺寸就越小，意味著同樣尺寸的雷達，其天線波束的集中度更高。

到了90年代，就發展出了60GHz、77GHz和94GHz的毫米波雷達。60GHz頻段後來主要用來通信，94GHz主要是軍用頻段，而工業上則選擇了77GHz作為主流的毫米波雷達的頻段。

在歷史上，也有比較典型的毫米波雷達應用。

1992年，美國交通部門在灰狗公車上安裝了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%。不過最後因為效果太好，損壞了一些既得利益者的利益，所以在1994年被全部拆除。

時至今日，全球主要有四大毫米波雷達供應商（雷鋒網新智駕注：當然它們的業務也不僅限於毫米波雷達），簡稱為ABCD，即Autoliv、Bosch、Continental和Delphi。

Autoliv以24GHz盲點、變道輔助雷達為主，主要客戶是戴姆勒賓士——其車輛基本標配了變道輔助，Autoliv的毫米波雷達出貨量很大。

Bosch的毫米波雷達主要以77GHz為主，覆蓋的面比較廣，有長距（LRR）、中距（MRR）以及用於車後方的盲點雷達。Bosch的方案集成度非常高，輸出的是對汽車的控制信號，其定制性很強，通常是與大型車企合作一個車型，共同推進專案。

Continental在毫米波雷達產品方面既有24GHz，也有77GHz，性能做得還不錯，戴姆勒的77GHz毫米波雷達主要由Continental供應。

Delphi則是美國老牌企業，以77GHz毫米波雷達為主，採用較為傳統的硬體方案，成本比較高，性能不俗。

三、毫米波雷達對距離、速度和角度的探測

需要明確的一點是，毫米波雷達在測量目標的距離、速度和角度上展現的性能和其他感測器還是略有區別的。視覺感測器得到的是二維資訊，沒有深度資訊，而毫米波雷達則是具備深度資訊的，可以提供目標的距離；雷射雷達對於速度並不敏感，而毫米波雷達則對速度非常敏感，可以直接獲得目標的速度，因為毫米波雷達會有很明顯的多普勒效應，通過檢測其多普勒頻移可將目標的速度提取出來。

毫米波雷達最基本的探測技術是使用FMCW連續線性調頻波去探測前方物體的距離，

毫米波雷達發射的是連續波，在後端處理上要比雷射雷達的運算量大。

其原理在於：

振盪器會產生一個頻率隨時間逐漸增加的信號，這個信號遇到障礙物之後，會反彈回來，其時延是2倍距離/光速。返回來的波形和發出的波形之間有個頻率差，這個頻率差和時延是呈線性關係的：物體越遠，返回的波收到的時間就越晚，那麼它跟入射波的頻率差值就越大。

將這兩個頻率做一個減法，就可以得到二者頻率的差頻（差拍頻率），通過判斷差拍頻率的高低就可以判斷障礙物的距離。

此外，為了探測目標的速度，也有更為高級的調頻技術來實現，主要以多普勒頻移原理為基礎。

角度的探測是通過多個接收天線接收到信號的時延來實現。舉個簡單的例子，假設有2根天線，接收從某個方向發出的電磁波，這個電磁波到達2根天線的時間是有差值的，或者說是相位差，通過這個相位差可以評估信號的角度。

這裡要引入一個非常重要的概念——毫米波雷達的解析度。其定義是“雷達可以區分的兩個物體的最近的距離”，比如，兩個物體靠得很近，那麼雷達可能會將其列為一個物體，如果分得開一些，雷達會看到兩個物體。那麼究竟離多遠雷達能區分兩個物體間的距離，這個就叫做雷達的解析度。

解析度的計算公式也很簡單，就是光速/2倍的雷達頻寬，所以對於24GHz和77GHz來說，可以直接算出其解析度。前者是0.6m，後者則約為20cm。而3GHz頻寬的毫米波雷達的解析度可以做到5cm，非常適合自動駕駛的應用。

此外，在關鍵性的天線技術方面，毫米波雷達有兩種，一種是基於透鏡，另一種是用PCB印刷。基於透鏡的天線開發靈活度較小，因為最後會聚焦到一個很小的區域，這個區域不大容易安排靈活的設計。

四、未來

總體來說，毫米波雷達成本下降的速度還是比較快的，因為它是矽基的晶片，沒有特別昂貴和複雜的工藝。而雷射雷達則在光的收發器和組裝工藝要求高，成本比較難降下來。

雷射雷達目前還有一個非常重要的技術是固態雷射雷達，它實際上與傳統雷達、毫米波雷達是一脈相承的，固態雷射雷達實質上就是調整每個發射和接收單元的相位，毫米波雷達也是同樣的原理，只不過毫米波雷達是對電磁波進行操作，器件的實現難度要比對光的頻段上進行相位的改變的難度低很多。

而對於毫米波雷達的市場前景。一輛車上會搭載3-8顆毫米波雷達，目前賓士的高端車上也已經安裝了7顆。未來10年，車載毫米波雷達的市場規模將不容小覷。

從政策上來講，各個國家都在推進汽車的AEB功能，其中日本和北美已經在推行，中國也將在2018年推行到商用車領域。

毫米波雷達在ADAS領域是很難被取代的感測器，雖然有一些缺點，但是是唯一的全天候工作的感測器。其測速、測距的精度要遠高於視覺，與雷射雷達相比，其測速精度會高一些。穿透力會更好。但是整體來講，這並不衝突，因為未來會走向融合的趨勢，特別是針對無人駕駛，毋庸置疑三大感測器會相互融合。