图森技术汇 | 走进自动驾驶传感器（二）——毫米波雷达（1）

在上一篇文章中 Yvon Shong：走进自动驾驶传感器（一）——激光雷达，我们介绍了激光雷达这款传感器的数据和特性，接下来我们要介绍的是目前市面上大部分高级驾驶辅助系统（Advanced Driver Assistance Systems）都搭载了的毫米波雷达。由于最后本文篇幅长达两万字，并且在整理毫米波雷达传感器资料的时候，综合传感器硬件手册，网上相关资料，官网设备资料，信号处理教材，仿佛又重新学了一遍信号处理，所以将关于毫米波雷达性能指标部分复杂的公式推导放置在了文章最后，并且保证了符号定义的连贯性，保证大家可以从信号处理的基础回忆起，看懂每一个公式。值得注意的是，本文中涉及到的 FMCW 毫米波雷达，其原理和 FMCW 激光雷达完全相同，若您对 FMCW 激光雷达感兴趣，可阅读文章中公式推导部分。

什么是毫米波雷达

毫米波雷达是工作在毫米波波段探测的雷达，频段一般为 30 GHz ~ 300 GHz，波长 1~10mm，介于微波和厘米波之间，兼具有微波雷达和光电雷达的一些优点。目前各个国家对车载毫米波雷达分配的频段各有不同，但主要集中在 24GHz 和 77GHz，少数国家（如日本）采用 60GHz 频段。

在电磁频谱中，这种波长被视为短波长，也是该技术的优势之一。毫米波雷达相比厘米波雷达具有体积小、易集成和空间分辨率高的特点。所以处理毫米波信号所需的系统组件（如天线）的尺寸也确实很小。短波长的另一项优势是高准确度，77GHz 左右（对应波长约为 4mm）的毫米波系统将能够检测小至零点几毫米的移动。毫米波雷达基本工作原理是利用高频电路产生特定调制频率（FMCW）的电磁波，并通过天线发送电磁波和接收从目标反射回来的电磁波，可以同时对多个目标进行测距、测速以及方位角测量；测速是根据多普勒效应，通过计算返回接收天线的雷达波的频率变化就可以得到目标相对于雷达的运动速度，和飞行时间，来得到目标物距离。而方位测量（包括水平角度和垂直角度）是通过天线的阵列收到同一目标反射的雷达波的相位差计算得到目标的方位角。

毫米波雷达基本工作原理示意图
和脉冲雷达系统相比，调频连续波雷达的一大优势是发射功率低，尺寸小，成本低廉，测量目标的距离和速度的性能与周围环境的光照情况无关，并不需要额外的辅助光源提供照明。其较高的工作频率意味着整体解决方案的尺寸更小。FMCW 雷达收发同时，理论上不存在脉冲雷达所存在的测距盲区，且可直接测量多普勒频移和静态目标概率，并且发射信号的平均功率等于峰值功率，只需要小功率的器件，具有容易实现、结构相对简单、尺寸小、重量轻以及成本低等优点。

毫米波雷达的分类

距离雷达按照测量的距离划分为：短距离雷达：探测范围比较大，但是探测的距离比较短。长距离雷达：探测范围窄，距离长达 250m。电磁波辐射方式可分为脉冲方式以及连续波两种工作方式，其中连续波又可以分为：频移键控 FSK：最常见的是用两个频率承载二进制 1 和 0 的双频 FSK 系统相移键控 PSK：调制后载波与未调载波同相和反相（相位差 180°）承载二进制。单频连续波 CW调频连续波 FMCW

FMCW 调频连续波雷达的不同调制形式：

不同调频方式的雷达硬件构成基本相同，只有小部分电路模块、电路参数与信号处理算法有所区别。对于单个静止物体的测量，锯齿波调制方式即可满足；对于运动物体，多采用三角波调制方式；正弦波调制使用较少。

频段
汽车领域的雷达应用在自动驾驶领域的毫米波雷达主要有两个频段24GHz 频段：24.0GHz 到 24.25GHz，窄带带宽 250 MHz，波长大于 1cm，严格来讲属于厘米波雷达。频带还包括一个带宽为 5GHz 的超宽带（UWB）。2022 年 1 月 1 日以后，UWB 频段将无法在欧洲和美国使用，只有窄带频段可以长期使用。

77GHz 频段：其中 76-77GHz 频段可用于远程车载雷达，并且该频段有等效同性各向辐射功率的优势，同时满足高传输功率和宽工作带宽，可以同时做到长距离探测和高距离分辨率。波长更短所以收发天线面积大幅减小，雷达体积更小。77-81GHz 短程雷达（SRR）频段是新加入的频段，可提供高达 4 GHz 的宽扫描带宽，非常适合需要高范围分辨率的应用。

硬件结构

汽车使用的雷达不像军事雷达体积那么庞大，是小型传感器，可以很容易地安装在前格栅或保险杠下面。

高频信号由压控振荡器产生，通过功率分配器将一部分经过额外放大后馈送至发射天线，另一部分耦合至混频器，与接收的回波混频后低通滤波，得到基带差频信号，经过模数转换后送至信号处理器处理。

单片微波集成电路（MMIC）

它包括多种功能电路，如低噪声放大器（LNA）、功率放大器、混频器、检波器、调制器、压控振荡器(VCO)、移相器、包括收发系统中的发送 (TX) 和接收 (RX) 射频 (RF) 组件，以及时钟等模拟组件，还有模数转换器 (ADC)、微控制器 (MCU) 和数字信号处理器 (DSP) 等数字组件。

混频器：在 FMCW 雷达中，混频器混频器将回波信号与频率合成器产生的扫频信号相减，获得频移或中频信号（IF）

雷达天线高频 PCB 板毫米波雷达天线的主流方案是微带阵列，即将高频 PCB 板集成在普通的 PCB 基板上实现天线的功能，需要在较小的集成空间中保持天线足够的信号强度。天线：天线通过将能量聚焦在所需方向来增加信号的强度，天线的波束宽度决定了雷达传感器的视场，比如横向绝对覆盖车道数。天线辐射不仅包括主波束，还包括副瓣。天线的旁瓣指向不同的方向，可以感知不在主波束内的目标，也可能产生误报。为了避免旁瓣检测，必须将旁瓣电平从主波束的峰值压制到 30dB 以上。

参数指标

雷达的性能指标取决于发射信号的选择，主要有以下参数指标。

距离距离精度：用于描述雷达对单个目标距离参数估计的准确度，它是由回波信号的信噪比 SNR 决定的。FMCW 雷达的有效噪声带宽与其调频时间成反比，调频时间越长，有效噪声带宽越低，分辨率越高。最大探测距离：能够探测到障碍物的最大相对距离，一般为 250m。最大可测速度与相邻 chirp 信号之间的空间间隔成反比。距离分辨率：即多个目标被雷达区分出来的最小距离，主要由信号的带宽决定的，chirp 信号带宽的增加，距离分辨率随之提高。速度最大探测速度：能够探测到障碍物的最大相对速度，一般为 240km/h。速度分辨率：速度分辨率随着帧持续时间的增加而提高。角度探测视角：能够探测到的视野范围，水平范围一般为±60°，垂直视角一般为±15°。角精度：用于描述雷达对单个目标方位角估计的准确度。最大探测目标数：最大能够探测的目标数量，一般为 24-32 个。角分辨率：取决于雷达的工作波长和天线口径尺寸和 TX/RX 天线的数量。

数据

与激光雷达相似，毫米波雷达返回的数据是由点云组成的，每个点包含 2D/3D 位置，反射率，和径向相对速度，具体型号之间会有一定的差异，主要是设备是否支持 3D，速度测量等因素导致。

大家可以使用 Oxford 组发布的雷达数据集 Oxford Radar Dataset 进行数据集上的开发。该雷达数据集在城市环境中采集了多段数据，使用的雷达是 Navtech 开发的一款 76Ghz~77Ghz 毫米波雷达，这款雷达通过窄波束进行机械扫描，类似机械式的 LiDAR，相对分辨率较低，波束宽度 1.8°。机械扫描每次间隔 0.9°，即每旋转一圈获得 400 个角度向测量。机械旋转速度约 4Hz, 距离分辨率 4.32cm, 最大测距 163m。

特点

和 LiDAR 相比

Radar 和 Lidar 的之争是话题热点，但实际上，这些传感器是互补的。昂贵的激光雷达能够利用目标对激光的反射产生高分辨率成像，能够提供精确的形状和位置信息，但是在恶劣的天气条件下无法工作。雷达不具备产生高分辨率图像的能力，但是它具有基于多普勒现象的高精度速度估计。此外，雷达波长允许它在恶劣的天气条件下感知目标，最重要的是制造成本低。

优势

体积小，安装之后对汽车外观的影响不大；纵向目标探测距离与速度探测能力强；对于静态和动态目标均能作出高精度测量；

全天候、全天时工作，不论昼夜，穿透能力强，不受天气状况限制。

劣势无法成像，无法进行图像颜色识别；行人反射波较弱，对行人分辨率不高；探测距离近，垂直角度受限，对高处物体以及小物体检测效果不佳；距离多普勒耦合以及收发隔离难；在有体积要求的毫米波雷达上，垂直与水平方向天线紧密排布会相互产生严重的信号干扰；信号处理算法的可靠性、实时性需要保证，传统的毫米波雷达ECU可能无法胜任大规模点云的处理。数据存储需求将会加大，需要额外添置存储单元。

应用

连续波调频（FMCW）雷达已广泛应用于汽车领域，包括从安全到舒适性能的各个方面，例如盲点检测、换道辅助、自动巡航控制和停车辅助等。无论天气和周围的光照条件如何，雷达都能够可靠、准确地探测和定位障碍物。

高级驾驶辅助系统(ADAS)

目前，制造商主要基于视觉传感器技术和毫米波雷达系统来实现驾驶辅助。远距离雷达（LRR）支持多种功能，能轻松处理 30 到 200 米的距离，近距离雷达（SRR）能检测低于 30 米的距离。

邻近感测

利用雷达的高距离分辨率及其近距离探测障碍物的能力，可用于开车门或后备箱时的防撞功能，也可用于泊车辅助。

驾驶员生命体征监测

FMCW 雷达接收信号的相位对目标位置的微小变化极为敏感，可用于提高道路安全性，可估计出目标的振动频率（比如由呼吸和心跳引起的振动）监测驾驶员的心率和呼吸频率来持续监测驾驶员的生命体征。这种小尺寸传感器简单易用，比如它可以嵌入到驾驶员座椅的靠背中。

手势识别可用于基于手势的非接触式界面，包括基于手势打开车门/后备箱和控制信息娱乐系统。

市场

毫米波雷达的核心芯片来自国外厂商，几乎垄断。从毫米波雷达芯片国内外企业的市场占有率来看，目前国际市场主要被恩智浦、英飞凌、德州仪器等芯片设计公司占据。国内的毫米波雷达芯片业目前还未形成规模。

在全球毫米波雷达市场上，占主导地位的是德国、美国、日本等国家，被博世、大陆、法雷奥、德尔福、电装、奥托立夫等厂商垄断；国内毫米波雷达依赖进口，全球范围内 77GHz 毫米波雷达芯片并没有稳定的供应体系，由于相关知识产权与合作协议的原因，英飞凌、飞思卡尔、意法半导体等芯片商对中国并没有放开 77GHz 雷达芯片的供应，因此国内77GHz 毫米波雷达的开发受到一些限制，24GHz 毫米波雷达是主流方向。

据麦姆斯咨询研究表明，2016 年中国汽车预装毫米波雷达的数量达到 105 万个，其中24GHz 雷达占比 63.8%，77GHz 雷达占比 36.2%。博世和大陆全球毫米波雷达市场占有率均为 17%，并列第一；电装、海拉并列第二，市场份额为 11%，前七大供应商巨头市场占有率达到 73%。

注意：为了理解传感器的性能指标，我们需要信号处理基本知识理解学起，了解每个公式的含义，这便是本篇文章后半部分的主要核心。

#学习路径#