解读毫米波雷达是自动驾驶不可缺的传感器

在智能驾驶传感器领域，与激光雷达相比，毫米波雷达更接地气，技术更成熟，市场出货量可观。以中国市场为例，2015年车载毫米波雷达销量为180万部，平均每12辆车就有一部毫米波雷达。另外，毫米波雷达在欧洲的普及率非常高。

• 毫米波频段的划分

毫米波本质上是电磁波。毫米波的频段比较特殊，频率高于无线电，低于可见光和红外，频率范围大致在10 GHz-200 GHz。毫米波介于微波和THz(1000GHz)之间，可以说是微波的一个子集。

解读:为什么毫米波雷达是自动驾驶不可或缺的传感器？

在这个频段，毫米波相关特性使其非常适合车载应用。目前车载领域的毫米波雷达频段有三种。

一个是24-24.25GHz频段，广泛应用于汽车的盲点监控和变道辅助。雷达安装在车辆的后保险杠内，用于监控车辆后方两侧车道内是否有车辆，是否可以变道。这个频段也有它的缺点。第一，频率比较低，带宽比较窄，只有250MHz。

另一个频段是77GHz，频率比较高，国际上允许的带宽高达800MHz。据袁帅介绍，该频段的雷达性能优于24GHz雷达，因此主要用于安装在车辆前保险杠上，检测前方车辆的距离和速度，实现紧急制动、自动跟车等主动安全领域的功能。

第三类应用频段为79 GHz-81 GHz。这个频段最大的特点就是带宽很宽，比77GHz高3倍以上。这也使得它具有非常高的分辨率(分辨率后面会详细说明)，可以达到5cm。这个分辨率在自动驾驶领域是非常有价值的，因为自动驾驶汽车需要分辨行人等很多精细物体，这就需要很高的带宽。袁帅表示，这个频段未来将广泛应用于自动驾驶领域。

波长方面，24GHz毫米波的波长为1.25cm，77GHz毫米波的波长约为4 mm，毫米波的波长比光波长1000多倍，对物体的穿透能力更强。

比如我们平时看到的灰尘直径大约在1um—100um，自然界中雨滴的直径在0.5mm—4mm的范围内。所以波长相等或更长的电磁波很容易穿透这些障碍物，毫米波就有这样的能力。

这种可靠性是其他任何传感器都难以达到的，所以在ADAS这个对安全性和可靠性要求很高的领域，毫米波雷达有着难以撼动的地位。

• 毫米波雷达在车载领域的发展历史

其实在美国20世纪60年代，毫米波雷达就开始应用于车载领域，但当时技术水平较低，使用单天线，前端只能收发，频率只有10GHz。而且在袁帅的描述中，这个雷达装置在车辆前方并不美观。“基本上就像两个盘子躺在那里。”

之后，为了降低其体积，业内专家不断将频率提高到30GHz和50GHz。雷达频率越高，天线尺寸越小，意味着同样尺寸的雷达天线波束集中度更高。

在20世纪90年代，开发了60GHz、77GHz和94GHz的毫米波雷达。后来60GHz频段主要用于通信，94GHz频段主要用于军事，而77GHz频段则被选作工业上的主流毫米波雷达频段。

历史上也有典型的毫米波雷达应用。1992年，美国交通部在灰狗巴士上安装了1500套毫米波雷达。到1993年，取得了立竿见影的效果:交通事故率下降了25%。但最后还是在1994年彻底拆除了，因为效果太好，损害了一些既得利益者的利益。

到目前为止，全球有四大毫米波雷达供应商(当然他们的业务并不局限于毫米波雷达)，简称ABCD，分别是奥托立夫、博世、大陆和德尔福。

奥托立夫主要以24GHz盲点和变道辅助雷达为主，主要客户是戴姆勒-奔驰，其车辆基本都标配了变道辅助。奥托立夫的毫米波雷达出货量很大。

博世的毫米波雷达主要是77GHz，覆盖范围广，包括远程(LRR)、中程(MRR)和车辆尾部的盲点雷达。博世的方案高度集成，输出的是汽车的控制信号，高度定制化。通常是和大型车企合作，共同推进项目。

大陆既有24GHz又有77GHz毫米波雷达产品，性能不错。戴姆勒的77GHz毫米波雷达主要由大陆公司提供。

德尔福是美国老企业，主要使用77GHz毫米波雷达，采用更传统的硬件方案，成本高，性能好。

三、用毫米波雷达探测距离、速度和角度

需要明确的是，毫米波雷达在测量目标的距离、速度和角度方面的性能与其他传感器略有不同。视觉传感器得到的是二维信息，没有深度信息，而毫米波雷达有深度信息，可以提供目标的距离。激光雷达对速度不敏感，而毫米波雷达对速度非常敏感，可以直接获得目标的速度，因为毫米波雷达具有明显的多普勒效应，通过检测其多普勒频移可以提取目标的速度。

毫米波雷达最基本的探测技术是利用FMCW连续啁啾波探测前方物体的距离。毫米波雷达发射连续波，在后端处理上比激光雷达需要更多的计算量。

其原理在于:

振荡器将产生一个频率随时间逐渐增加的信号。信号遇到障碍物后会反弹回来，其延时是光速的两倍。输入波形和输出波形之间存在频率差。这个频差与时间延迟成线性关系:物体越远，接收到入射波越晚，它与入射波的频差越大。

将这两个频率相减，就可以得到两个频率的差频(拍频)，通过判断拍频就可以判断障碍物的距离。

此外，为了探测目标的速度，还有一种更先进的调频技术，主要基于多普勒频移原理。

角度检测是通过多个接收天线接收到的信号的时间延迟来实现的。举个简单的例子，假设有两根天线接收某个方向的电磁波。电磁波到达两个天线的时间之间存在差异或相位差。信号的角度可以通过这个相位差来评估。

本文介绍了一个非常重要的概念——毫米波雷达的分辨率。它的定义是“雷达能够分辨的两个物体之间的最近距离”。例如，如果两个物体靠得很近，雷达可能会将它们列为一个物体。如果它们分开，雷达会看到两个物体。那么雷达能分辨两个物体之间的距离有多远呢？这被称为雷达的分辨率。

分辨率的计算公式也很简单，就是光速/2倍雷达带宽，所以对于24GHz和77GHz，可以直接计算分辨率。前者0.6m，后者20cm左右。3GHz带宽的毫米波雷达分辨率可以达到5cm，非常适合自动驾驶应用。

另外，毫米波雷达在关键天线技术上有两种，一种是基于透镜的，一种是PCB印刷的。基于透镜的天线发展的灵活性较小，因为它最终将集中在一个小区域，不容易安排灵活的设计。

总的来说，毫米波雷达的成本下降很快，因为是硅基芯片，没有特别昂贵复杂的工艺。而激光雷达对光收发和组装技术要求高，降低成本难度大。

目前激光雷达还有一个很重要的技术就是固态激光雷达，其实和传统雷达、毫米波雷达是一样的。固态激光雷达本质上是调整各个发射和接收单元的相位，毫米波雷达也是一样的原理，只不过毫米波雷达操作的是电磁波，器件实现的难度远低于光频段的相位变化。

对于毫米波雷达的市场前景。一辆汽车将配备3-8个毫米波雷达。目前奔驰的高端车有7款已经安装。未来10年，车载毫米波雷达的市场规模不可小觑。