毫米波雷达

车载毫米波雷达的原理
车载毫米波雷达通过天线向外发射毫米波，接收目标反射信号，经后方处理后快速准确地获取汽车车身周围的物理环境信息（如汽车与其他物体之间的相对距离、相对速度、角度、运动方向等），然后根据所探知的物体信息进行目标追踪和识别分类，进而结合车身动态信息进行数据融合，最终通过中央处理单元（ECU）进行智能处理。经合理决策后，以声、光及触觉等多种方式告知或警告驾驶员，或及时对汽车做出主动干预，从而保证驾驶过程的安全性和舒适性，减少事故发生几率。

图1 毫米波雷达工作路径简图
车载毫米波雷达工作体制

图2 毫米波雷达工作方式
根据辐射电磁波方式不同，毫米波雷达主要有脉冲体制以及连续波体制两种工作体制。其中连续波又可以分为FSK(频移键控)、PSK（相移键控）、CW(恒频连续波)、FMCW(调频连续波)等方式。
FWCW雷达是最常用的车载毫米波雷达。能同时测出多个目标的距离和速度信息，可对目标连续跟踪，系统敏感性高，错误报警率低；不易受外界电磁噪声的干扰；测量距离远，分辨率高；所需发射功率低；成本较低；信号处理难易程度及实时性可达到系统要求。

图3 FMCW雷达系统
FMCW雷达系统主要包括收发天线、射频前端、调制信号源和信号处理模块等。

1. FMCW调制信号发生器经过压控振荡器（VCO）产生高频信号（GHz级别），一部分能量耦合输入混频器作为本振信号，另一部分能量经功率放大器（PA）由发射天线以电磁波的方式向空中辐射。
2. 电磁波在空气中向前方传播过程中如遇到目标则会小部分反射，反射回来的回波信号被接收天线截获形成电信号。
3. 回波信号经低噪声放大器（LNA）放大，与本振信号在混频器进行混频， 输出一个较低的差拍频率（一般为MHz级别），差频信号含有目标和雷达之间的距离和相对速度等信息。
4. 然后通过带通滤波器（BPF）放大滤波，A/D转换，对所得到的数字信号作FFT（快速傅氏运算），进行频谱分析，便可以获得目标和雷达之间的距离、相对速度及方位角等信息。
5. 最后经由控制电路做出危险状况的判断，向驾驶员发出预警，或结合环境情况对汽车做出主动干预。

车载毫米波雷达的应用
把毫米波雷达安装在汽车上，可以测量从雷达到被测物体之间的距离、角度和相对速度等。毫米波雷达目前主要应用于中高端车型，随着大众对汽车主动安全性能的认可度增加，ADAS相关产品将逐渐向低端车型普及。

图4 汽车ADAS系统主要功能
利用毫米波雷达可以实现自适应巡航控制（Adaptive Cruise Control），前向防撞报警（Forward Collision Warning），盲点检测（Blind Spot Detection），辅助停车（Parking aid），辅助变道（Lane change assistant），自主巡航控制（ACC）等高级驾驶辅助系统（ADAS）功能。
多种传感器融合应用是未来必然趋势，毫米波雷达将率先成为ADAS系统主力传感器。

图5 ADAS系统模块

图6 传感器性能对比

图7 汽车传感器配置图
毫米波雷达是使用工作频段为30～300GHz毫米波(波长为1～ 10mm)的雷达。毫米波的波长介于厘米波和光波之间，因此毫米波兼有微波制导和光电制导的优点。同厘米波雷达相比，毫米波雷达具有体积小、易集成和空间分辨率高的特点。早期毫米波雷达主要应用于军事领域，随着雷达技术的发展与进步，毫米波雷达传感器开始应用于汽车电子、无人机、智能交通等多个行业中。
车载毫米波雷达频段
为避免与其他设备频段冲突，车载雷达需要分配专属频段，各国频段划分略有不同。由于在大气中衰减较弱等原因，目前主流市场产品多集中在24GHz频段和77GHz频段。2015年日内瓦世界无线电通信大会将77.5-78.0GHz频段划分给无线电定位业务，以支持短距离高分辨率车载雷达的发展，从而使76-81GHz都可用于车载雷达，为全球车载毫米波雷达的频率统一指明了方向

图8 各国车载毫米波雷达频段划分历程
24GHz雷达系统主要实现近距离探测（SRR），77GHz系统主要实现远距离的探测（LRR），79GHz系统主要实现中距离的探测（MRR）。


图9 毫米波雷达功能
目前，比较常见的车载领域的毫米波雷达频段有三类。
24GHz这个频段，目前大量应用于汽车的盲点监测、变道辅助。雷达安装在车辆的后保险杠内，用于监测车辆后方两侧的车道是否有车、可否进行变道。这个频段也有其缺点，首先是频率比较低，另外就是带宽比较窄，只有250MHz。

图10 24GHZ频段毫米波雷达
77GHz这个频段的频率比较高，国际上允许的带宽高达800MHz。这个频段的雷达性能要好于24GHz的雷达，所以主要用来装配在车辆的前保险杠上，探测与前车的距离以及前车的速度，实现的主要是紧急制动、自动跟车等主动安全领域的功能。与24G雷达相比，77G雷达的检测距离远，体积小，更易于安装，功耗低，对于行人和自行车以及物体监测的效果优于24G雷达，这就意味着在更多的应用场景上，它可以提供更安全、更优良的性能。

图11 77GHZ频段毫米波雷达
最后是79GHz，这个频段最大的特点就是其带宽非常宽，要比77GHz的高出3倍以上，这也使其具备非常高的分辨率，可以达到5cm。这个分辨率在自动驾驶领域非常有价值，因为自动驾驶汽车要区分行人等诸多精细物体，对带宽的要求很高，这个频段在未来的自动驾驶领域会有很广泛的应用。

图12 79GHZ频段毫米波雷达
在波长方面，24GHz毫米波的波长是1.25cm，而77GHz毫米波的波长大概是4mm，毫米波的波长要比光波的波长长1000倍以上，所以它对物体的穿透能力更强。这种可靠性是其他任何传感器难以达成的，所以在ADAS这样一个对安全性、可靠性要求比较高的领域，毫米波雷达拥有很难撼动的地位。
毫米波雷达目前主要应用于中高端车型，随着大众对汽车主动安全性能的认可度增加，ADAS相关产品将逐渐向低端车型普及。完全实现ADAS各项功能一般需要“1长+4中短” 5个毫米波雷达。目前全新奥迪A4采用5个毫米波雷达（1长+4短），奔驰的S级采用7个毫米波雷达（1长+6短）。以自动跟车型（Stop & Go）ACC功能为例，一般需要3个毫米波雷达。车正中间一个77GHz的LRR，探测距离在150-250米之间，角度为10度左右；车两侧各一个24GHz的MRR，角度都为30度，探测距离在50-70米之间。AEB是最有实际意义的ADAS功能，未来会成为中高档汽车的标配，需要1个77GHz的LRR

图13 奔驰S级采用7个毫米波雷达“1 LRR + 6SRR ”

车载毫米波雷达未来趋势：77GHz频段
长期来看，最终车载毫米波雷达将会统一于77GHz频段（76-81GHz），该频段带宽更大、功率水平更高、探测距离更远；相比于24GHz，物体分辨准确度提高2-4倍，测速和测距精确度提高3-5倍，能检测行人和自行车；且设备体积更小，更便于在车辆上安装和部署。77GHz频率范围是全球装配永久认可的权威频段，因此更适用于全球车辆平台。 其中76-77GHz主要用于长距离毫米波雷达，77-81GHz主要用于中短距离毫米波雷达。未来79GHz频段（77-81GHz）中短距离毫米波雷达会成为中距离MRR的主流，且有望全面替代24GHz短距离雷达，取代周期取决于各国工业水平、市场趋势及政策力度。

图14 未来趋势77GHz频段