毫米波雷达

车载毫米波雷达(二)—基本原理 毫米波雷达通过天线发射调频连续波(FMCW),利用反射回波与发射波的时间差可计算出目标距离。此外,毫米波雷达可也基于多普勒原理,通过发射与反射信号的频率差异可以精确测量目标相对于雷达的运动速度,进一步通过多目标检测与跟踪算法实现多目标分离与跟踪。车载毫米波雷达工作原理多普勒效应示意图。 阅读详情

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。
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图1 毫米波雷达工作路径简图
车载毫米波雷达工作体制
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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。
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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。
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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。
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图5 ADAS系统模块
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图6 传感器性能对比
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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
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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)。
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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。
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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。
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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。
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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
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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。
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图14 未来趋势77GHz频段

毫米波雷达介绍 在无人驾驶领域,毫米波雷达(Radar)应用非常广泛。与激光雷达相比,毫米波雷达技术更成熟,已经广泛应用于汽车的安全系统中。而且毫米波雷达成本低,对雨雾、灰尘、光线等不敏感。 毫米波雷达的采用毫米波作为探测的介质,毫米波是一种电磁波,常见的电磁波如下: 毫米波是微波的一个波段。 1、毫米波雷达分类 目前比较常见的毫米波雷达主要分为3类。 ... 阅读详情

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