车载ADAS传感器毫米波雷达解析

钱若愚

摘 要：ADAS-汽車驾驶辅助系统正在当前的汽车市场中迅速普及。车载雷达作为ADAS系统的重要组成，其技术发展直接影响着汽车智能化进程。毫米波雷达因为其波长的物理特性不受恶劣的环境影响，同时相比激光雷达又有较大的价格优势，已经成为当前厂家的首选。与24 GHz传感器相比，77 GHz传感器的分辨率和精度更高，体积小，正逐渐成为当前汽车领域的主流传感器。同国外雷达传感器供应商相比，国内车载毫米波雷达仍属于起步阶段，国内企业要在市场上与外企竞争并占有一席之地还有很长的路要走。

关键词：ADAS驾驶辅助;毫米波雷达;传感器

中图分类号：TP212.6  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）04-26-04

Analysis of Vehicle ADAS Sensor Millimeter Wave Radar^*

Qian Ruoyu

（ Suzhou Construction Higher Vocational Technical School， Jiangsu Suzhou 215104 ）

Abstract：ADAS is widely used in automobile market. Because of the physical characteristics of its wavelength， millimeter wave radar sensor can adapt to the rainstorm， fog， night driving and other harsh environment. At the same time， compared with laser radar， it has a greater price advantage， and has become the first choice of current manufacturers. Compared with 24 GHz sensor， 77 GHz sensor has higher speed resolution and accuracy， smaller volume， and is gradually becoming the mainstream sensor in the automotive field. Compared with foreign radar sensor suppliers， domestic vehicle borne millimeter wave radar is still in its infancy. Domestic enterprises have a long way to go to compete with foreign enterprises and occupy a place in the market.

Keywords： ADAS driving aid; Millimeter wave radar;Sensor

CLC NO.：TP212.6 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2020）04-26-04

前言

当今汽车领域伴随着科技的高速发展已经进入了一个崭新的时代。主要方向集中在新能源领域和智能化领域。对于智能化汽车，很多人最直接想到的就是无人车。根据SAE美国汽车工程师学会最新的标准定义，汽车无人驾驶技术属于ADAS（Advanced Driver Assistance Systems高级驾驶辅助技术）的高级阶段。ADAS系统是由安装在车辆上的各种传感器来测量汽车行驶中周围的环境信息，该信息传递给电脑进行静态、动态物体的辨识与侦测。电脑结合高精度地图、GPS、车联网等信息分析运算后，对车辆行驶施加自动控制，替代驾驶者操作。

无论是低级别的驾驶辅助功能，还是高级别的自动驾驶功能，利用传感器来采集行驶中的各种道路、行人、障碍物等信息都是必不可少的。常见的车载ADAS传感器有以下几种：超声波雷达、激光雷达、毫米波雷达和图像传感器（摄像头）。毫米波雷达传感器因为其波长的物理特性，可以适应暴雨，大雾，夜间行车等较为恶劣的环境，同时相比激光雷达又有较大的价格优势，已经成为当前厂家的首选。

1 毫米波雷达的概念及其特性

雷达，是指利用电磁波来探测目标的一种电子设备。基本过程是：对目标发射电磁波，目标受到照射后反弹，雷达接收其回波。由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率、方位、高度等信息。

电磁波是交变电磁场，在自由空间传播满足公式：

c=λf（1）

其中c：波速（光速常量单位m/s）f：频率（HZ）λ：波长（m）

雷达功能的基本特性由其频率和波长决定。高频率短波长的雷达，其分辨率高，穿透能力强，传输距离短;低频长波的雷达，其绕射能力强，传输距离远，但是分辨率较差。根据波长的不同，对电磁波进行排列即得到电磁波谱。

所以毫米波雷达指的是工作在30～300GHz频域（波长为1～10mm）的雷达。由其波长决定了毫米波雷达的特性：

（1）灰尘的特征尺寸为1um—100um，雨点的特征尺寸为0.5-4mm毫米波雷达的波长均大于它们的尺寸，可以轻易穿透灰尘和雨水，在恶劣气候下仍然具备较强工作能力。

（2）毫米波雷达，频率高、波长短，能以较小的天线尺寸发射窄波束的电磁波信号。不受物体表面形状、颜色和大气流的影响，其探测稳定性高。

（3）基于目前毫米波雷达制造工艺，其集成度高，元器件体积，尺寸，重量较小，价格适中，适合作为小平台感知传感器使用。

2 毫米波雷达频段划分及产业布局

如上表所述，国际上目前车用毫米波雷达的频率主要是24GHz和77GHz。其中24GHz的波长是1.25cm（虽然24GHz的波长是1.25cm，但是目前业界也依然将其称之为毫米波），60GHz是5mm，77GHz的波长则更短，只有3.9mm。前面已经概括，速度分辨率和精度与射频（RF）频率成反比。因此，频率越高，分辨率和精度就越好。与24 GHz传感器相比，77 GHz传感器可将速度分辨率和精度提高3倍。另外高频率的主要优势之一就是传感器尺寸可以制作更小。对于相同的天线视场和增益，77GHz天线阵列的尺寸可以在X和Y维度上减小约3倍。对于车用传感器而言，尺寸的缩减非常有助于后备箱，保险杠等部位的元件安装。因此， 77GHz毫米波雷达正逐渐成为当前汽车领域的主流传感器。

目前毫米波雷达的技术主要由国外企业所垄断。大陆、博世、电装、奥托立夫、德尔福等汽车零部件供应巨头在毫米波雷达技术领域拥有绝对的话语权。同国外雷达传感器供应商相比，国内车载毫米波雷达仍属于起步阶段。北京行易道、沈阳承泰科技、南京隼眼科技等国内科创企业已有24GHz毫米波雷达产品问世，在77GHz毫米波雷达方面部分样机进入产品化测试阶段。市场研究机构预测到2020年，ADAS驾驶辅助将在中端车辆上普及，毫米波雷达市场需求将会达到一个新的高度。国内企业要在市场上与外企竞争并占有一席之地还有很长的路要走。

3 毫米波雷达工作的基本原理

毫米波雷达是基于普勒效應来测速原理：当声音、光和无线电波等振动源与观测者以相对速度v运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有不同。

当发射的电磁波和被探测目标有相对移动，回波的频率会和发射波的频率不同（如图1）。当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射信号频率;反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射信号频率。

由图中可得频率差：

（2）

△f为相对静止目标的中频频率，f_d为相对运动目标的多普勒频移

由多普勒效应所形成的频率变化叫做多普勒频移，它与相对速度v成正比，与振动的频率成反比。由多普勒效应可得：

（3）

f₀为发射波的中心频率，v为目标和雷达的径向相对速度。将上述公式合并求解即可得到相对速度v。根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。

如图2所示，方位角α_AZ由毫米波雷达阵列天线R_X1和R_X2之间的几何距离d，以及两根毫米波雷达天线所收到反射回波的相位差b，然后通过三角函数计算得到方位角α_AZ的值。

（4）

4 毫米波雷达的应用

以Level 3级别的自动驾驶量产车奥迪A8为例，图3中橙色框的Corner radar和Rear radar，就是频段在24GHz的雷达。由于其检测距离有限，因此常用于检测近处的障碍物（车辆）。图中的这4个角雷达，能够实现的ADAS功能有盲点检测、变道辅助等;在自动驾驶系统中常用于感知车辆近处的障碍物，为换道决策提供感知信息。

绿色框的Long-range radar，即为频段在77GHz左右的雷达。性能良好的77GHz雷达的最大检测距离可以达到160米以上，因此常被安装在前保险杠上，正对汽车的行驶方向。 长距离雷达能够用于实现紧急制动、高速公路跟车等ADAS功能;同时也能满足自动驾驶领域，对障碍物距离、速度和角度的测量需求。

毫米波雷达有其不可替代的优势，也有一定的不足之处。以德国大陆公司ARS408毫米波雷达为例，其数据只能提供距离和角度信息，不能像激光雷达那样提供高度信息。由于毫米波雷达发出的电磁波对金属极为敏感，在实际测试过程中会发现近处路面上突然出现的钉子、窖井盖，远距离外的金属广告牌都会被认为是障碍物，同时缺乏高度信息，导致雷达数据无法判断该障碍物可以越过如窖井盖，或者从下方穿过如广告牌。所以要验证雷达检测的某些障碍物是否实际存在，需要使用摄像头或激光雷达等能准确识别目标类型和测量目标高度的传感器来进行融合验证。由于激光雷达目前成本过高，目前将毫米波雷达与摄像头进行融合的方案是各大厂商的主流选择，例如特斯拉、奔驰S级等。

车辆ADAS毫米波雷达性能可以从以下几个方面来概括：

（1）目标距离、速度、方位角的测量精度和分辨率。特别是对于行人，毫米波对金属敏感，对水不敏感，所以提高雷达的分辨率对准确识别行人意义重大。

（2）检测范围，雷达最远检测距离对应于预防车辆高速时正面碰撞;短距离波束的角度范围对应于近处的交叉碰撞预防。

（3）成熟稳定的雷达信号处理和目标跟踪算法，特别是对行人、静止目标和横穿目标的检测能力。

5 毫米波雷达发展前景

当前车辆ADAS系统正处在高速发展阶段，各主机厂努力将高端车系向level 4突破的同时，也在将低级别ADAS系统普及到中端车系上来。以AEB为例特斯拉、奔驰、奥迪、沃尔沃、宝马丰田各车系装车率均超过了50%。国内的毫米波雷达市场，伴随着C-NCAP的五星评定、交通部对营运车辆的1094文的实施，将进入快速增长的阶段。预计2020年左右，如果市场渗透率能超过15%，市场空间是30-50亿的级别。如果装配率再提高，市场空间将更大。

目前，国产77GHz毫米波雷达不管是企业體量、技术水平、竞价优势还是市场成熟度等方面都不够成熟。主机厂真正量装搭载国产77GHz毫米波雷达还需要一些时间。

6 毫米波雷达测试

以大陆ARS-408，77GHZ长距离毫米波雷达为例。如图4连接雷达硬件。

给雷达通12V直流工作电压，然后将雷达CAN通讯端口转接为USB连至电脑，利用调试软解打开。将雷达固定至车辆保险杠高度，然后我们在校园内进行了车辆动态检测试验（图5）。

ARS-408毫米波雷达处理反射信号后以clusters和objects的形式在软件中显示。Clusters反映了目标的位置，速度和信号强度等信息，并在每个检测周期加以更新。objects反映了目标的历史轨迹和维度，由跟踪的clusters组成。图中软件显示的IDxx为对应的每个检测到的物体，根据原始的点云图，大陆公司应用聚类和跟踪算法输出目标轨迹。白色的ID对应静态检测目标，右图中白色丰田车辆以25km/h时速向前运行，雷达以绿色ID标定检测物，实际测试中该ID对应车辆的运行，向屏幕上方匀速移动。试验可以得出，ARS-408毫米波雷达可以根据检测目标的信号强度、速度、持续时间、散射截面积等信息来判断目标类别及存在的可能性。由此可见，大陆公司在77GHZ长距离毫米波雷达

的研究中已经有了相对稳定成熟的跟踪算法，这也为国内毫米波雷达企业提供了算法研究的方向。

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