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1、摘要

自動(dòng)駕駛汽車傳感器系統(tǒng)一般包括4種雷達(dá)：激光雷達(dá)(Lidar)、毫米波雷達(dá)(mmWave Radar)、超聲波雷達(dá)(Ultrasonic Radar)和紅外雷達(dá)(Infrared Radar)。目前激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)是基本和必要的車載傳感器設(shè)備，而超聲波雷達(dá)和紅外雷達(dá)則可以根據(jù)情況選擇，但未來(lái)可能會(huì)發(fā)生改變。

表1車載雷達(dá)和攝像頭的優(yōu)缺點(diǎn)比較

表2 車載雷達(dá)與攝像頭的工作能力比較

2、激光雷達(dá)

2.1 激光雷達(dá)的技術(shù)原理

激光雷達(dá)技術(shù)最早出現(xiàn)于1960 年代，最初被宇航員用來(lái)繪制月球表面或被考古學(xué)家用來(lái)繪制地圖，最近，激光雷達(dá)的應(yīng)用持續(xù)增加。從21世紀(jì)初開始，激光雷達(dá)一直應(yīng)用于自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，并成為ADAS的核心技術(shù)之一，適用于自適應(yīng)巡航控制（ACC）、前方碰撞警告（FCW）和自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）。ADAS中使用的傳感器和激光雷達(dá)如圖2.1所示。

圖2.1ADAS傳感器系統(tǒng)及車載激光雷達(dá)

激光雷達(dá)（光探測(cè)和測(cè)距）是一種通過(guò)發(fā)射激光束來(lái)檢測(cè)目標(biāo)的位置、速度和其他特性的雷達(dá)系統(tǒng)，是集成了激光、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）技術(shù)的系統(tǒng)，用于獲取數(shù)據(jù)并生成精確的地面數(shù)字高程模型（DEM）。激光雷達(dá)的組件如圖2.2所示。

圖2.2 激光雷達(dá)組件

激光雷達(dá)的基本工作原理是：將檢測(cè)信號(hào)（激光束）傳輸?shù)侥繕?biāo)，然后將目標(biāo)反射的接收信號(hào)（目標(biāo)回波）與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后，可以獲得目標(biāo)的相關(guān)信息，如目標(biāo)的距離、方位角、高度、速度、姿態(tài)、均勻形狀等參數(shù)，可用于探測(cè)、跟蹤和識(shí)別包括飛機(jī)和導(dǎo)彈在內(nèi)的目標(biāo)。傳感器每秒發(fā)射數(shù)萬(wàn)或數(shù)十萬(wàn)個(gè)激光脈沖，當(dāng)發(fā)出光脈沖時(shí)，計(jì)時(shí)器啟動(dòng)，當(dāng)光脈沖（從第一個(gè)人/物體反射）返回時(shí)，計(jì)時(shí)器停止，通過(guò)測(cè)量光脈沖的飛行時(shí)間（TOF），計(jì)算傳感器與人/物體之間的距離。

激光雷達(dá)由激光發(fā)射器、光接收機(jī)、轉(zhuǎn)盤和信息處理系統(tǒng)組成。激光將電脈沖轉(zhuǎn)換為光脈沖，光接收器將從目標(biāo)反射的光脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖，發(fā)送到顯視器。車載激光雷達(dá)測(cè)距和物體識(shí)別的原理如圖2.3所示。

圖2.3車載激光雷達(dá)測(cè)距原理

激光雷達(dá)常用的性能指標(biāo)主要有：最大輻射功率、水平視野、垂直視場(chǎng)、光源波長(zhǎng)、要測(cè)量的最大距離、測(cè)量時(shí)間/幀速率、深度分辨率、角分辨率;、距離測(cè)量精度。

2.2 激光雷達(dá)的功能

車載激光雷達(dá)的主要功能是定位，通過(guò)激光雷達(dá)SLAM的環(huán)路檢測(cè)或與全球地圖匹配，可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位(高精度定位），目前行業(yè)內(nèi)如百度、谷歌和主流廠商都采用這種方法，通用汽車在其超級(jí)巡航中繪制了美國(guó)所有高速公路的激光地圖，百度自動(dòng)駕駛汽車的定位方法如圖2.4所示。

圖2.4 百度自動(dòng)駕駛汽車定位方法

這種定位方法的缺點(diǎn)是激光雷達(dá)地圖或先驗(yàn)激光雷達(dá)地圖必須提前制作，如果激光雷達(dá)地圖不存在（對(duì)于人口稀少的地區(qū)、廣闊的郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)），自動(dòng)駕駛汽車將無(wú)法執(zhí)行厘米級(jí)定位，只能達(dá)到傳統(tǒng)GPS 3米的定位精度。

車載激光雷達(dá)的第二個(gè)功能是利用攝像頭數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)分類識(shí)別和軌跡跟蹤。道路的細(xì)節(jié)，如車道、路緣石、障礙物、虛擬和真實(shí)道路以及人行橫道，都是通過(guò)兩側(cè)朝下的激光雷達(dá)獲得的，百度、谷歌、豐田和其他自動(dòng)駕駛汽車都使用激光雷達(dá)來(lái)獲取道路細(xì)節(jié)。

激光雷達(dá)和攝像頭在前方中間的數(shù)據(jù)融合可以提高目標(biāo)識(shí)別的速度和準(zhǔn)確性。有兩種方法可以使用激光雷達(dá)識(shí)別目標(biāo)：

第一種方法是使用激光雷達(dá)反射強(qiáng)度值。不同的物體在激光雷達(dá)反射強(qiáng)度方面有很大的不同。有了區(qū)別，目標(biāo)可以簡(jiǎn)單地分類，例如行人、車輛、建筑物、植物、道路、草原等。由于它只是一個(gè)簡(jiǎn)單的閾值濾波器，計(jì)算量小，速度比深度學(xué)習(xí)目標(biāo)分類快。2018年1月，瑞薩電子宣布將與初創(chuàng)公司Dibotics合作，將增強(qiáng)激光雷達(dá)軟件嵌入其芯片中，并使用該方法進(jìn)行分類和識(shí)別。

第二種方法是將激光雷達(dá)點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為具有張量結(jié)構(gòu)（矩陣）的密集圖像數(shù)據(jù)，然后使用Faster RCNN進(jìn)行識(shí)別。后者需要強(qiáng)大的計(jì)算資源，處理速度相對(duì)較慢，F(xiàn)aster RCNN被公認(rèn)為圖像識(shí)別領(lǐng)域的最佳方法。激光雷達(dá)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是擅長(zhǎng)預(yù)測(cè)和跟蹤運(yùn)動(dòng)物體的軌跡，這是行為決策的基礎(chǔ)，就像人類駕駛員一樣，它可以預(yù)測(cè)行人或其他車輛的下一步運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)該預(yù)測(cè)做出決策。

激光雷達(dá)天生具有軌跡預(yù)測(cè)能力，Velodyne 16線激光雷達(dá)可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)四分衛(wèi)在美國(guó)超級(jí)碗中投擲球后的運(yùn)動(dòng)，使用激光雷達(dá)計(jì)算和預(yù)測(cè)軌跡比使用光流方法要快得多，并且計(jì)算資源的消耗也低得多。

目前，通過(guò)激光雷達(dá)檢測(cè)車道線的方法主要有4種。第一個(gè)基于激光雷達(dá)回波寬度，第二種是根據(jù)激光雷達(dá)反射強(qiáng)度信息形成的灰度圖像或強(qiáng)度信息與高程信息的組合過(guò)濾掉無(wú)效信息，第三種是激光雷達(dá)SLAM與高精度地圖的結(jié)合，可以檢測(cè)車道線并定位車輛。第四種是根據(jù)路邊的高度信息或物理反射信息檢測(cè)路邊，然后根據(jù)距離和路寬計(jì)算車道線位置，這種方法不適用于某些邊緣與路面高度差小于3厘米的道路。后三種方法至少需要16線激光雷達(dá)，前者可以與 4 線或 1 線激光雷達(dá)配合使用。目前，第二種方法是使用最廣泛的方法，該方法的特點(diǎn)是激光雷達(dá)應(yīng)盡可能靠近道路或面向道路，以獲得更多的反射強(qiáng)度信息。豐田和谷歌都在汽車的前保險(xiǎn)杠上安裝了激光雷達(dá)，通用汽車在保險(xiǎn)杠附近有9毫米波雷達(dá)和1個(gè)攝像頭，因此由于安裝空間可能不足，激光雷達(dá)只能放置在屋頂上。

2.3 激光雷達(dá)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

與微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)的工作頻率要高得多，這帶來(lái)了許多優(yōu)勢(shì)。

（1）高分辨率

激光雷達(dá)可以獲得高分辨率的角度、距離和速度。一般來(lái)說(shuō)，角分辨率不小于0.1 mrad，也就是說(shuō)，它可以區(qū)分兩個(gè)距離為0.3 m的目標(biāo)，距離為3 km（這對(duì)于微波雷達(dá)來(lái)說(shuō)是不可能的）。同時(shí)，還可以跟蹤多個(gè)目標(biāo)，距離分辨率可以達(dá)到0.1m，速度分辨率可以達(dá)到10m/s以內(nèi)，距離和速度的高分辨率意味著可以使用距離-多普勒成像技術(shù)獲得目標(biāo)的清晰圖像，即4D點(diǎn)云成像。

（2）隱蔽性好，抗主動(dòng)干擾能力強(qiáng)

激光以較窄的方向性直線傳播，并且只能在其傳播路徑中接收，故很難被攔截，且激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)（發(fā)射望遠(yuǎn)鏡）的孔徑小，接收區(qū)域窄，故意干擾信號(hào)傳輸?shù)?a target="_blank">接收器的可能性非常低。此外，與微波雷達(dá)容易受到自然界中廣泛的電磁波的影響不同，很少有信號(hào)源可以干擾激光雷達(dá)。因此，激光雷達(dá)具有很強(qiáng)的抗主動(dòng)干擾能力，適合在日益復(fù)雜的信息環(huán)境中工作。

（3）不錯(cuò)的低空探測(cè)性能

由于各種地面物體回波的影響，微波雷達(dá)在低空存在一定的盲區(qū)（無(wú)法探測(cè)的區(qū)域）。對(duì)于激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，只有目標(biāo)會(huì)引起反射，并且沒(méi)有地面回波的影響，因此它可以在零高度工作。其低空探測(cè)性能遠(yuǎn)優(yōu)于微波雷達(dá)，通常可以用激光作為補(bǔ)盲探測(cè)。

（4）體積小，重量輕

一般來(lái)說(shuō)，普通微波雷達(dá)的體積是巨大的，整個(gè)系統(tǒng)的重量達(dá)到噸級(jí)，射頻天線的孔徑達(dá)到幾米甚至幾十米。激光雷達(dá)更加便攜，透射望遠(yuǎn)鏡的孔徑一般在厘米級(jí)，整個(gè)系統(tǒng)的最小重量可以只有幾十公斤，安裝和拆卸非常容易。而且，激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)和操作。

激光雷達(dá)的缺點(diǎn)如下：

首先，它受天氣和大氣的影響很大。一般來(lái)說(shuō)，激光的衰減小，在晴朗的天氣下傳播距離長(zhǎng)。但在大雨、下雪、煙霧等惡劣天氣下，衰減急劇增加，傳播距離受到明顯影響。另外，大氣環(huán)流還會(huì)引起激光束畸變和抖動(dòng)，直接影響激光雷達(dá)的測(cè)量精度。

其次，由于激光雷達(dá)的波束非常窄，搜索目標(biāo)可能很困難，直接影響非合作目標(biāo)的攔截概率和探測(cè)效率，它只能在小范圍內(nèi)搜索和捕獲目標(biāo)。因此，激光雷達(dá)很少用于獨(dú)立搜索和檢測(cè)。

最后，就是激光雷達(dá)價(jià)格很昂貴，會(huì)增加汽車系統(tǒng)的成本。但隨著技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)的成本可能會(huì)降低，我們拭目以待！

2.4 激光雷達(dá)的商業(yè)化

激光雷達(dá)的低廉價(jià)格將是其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)和核心，目前，激光雷達(dá)的廣泛使用還有很長(zhǎng)的路要走。常用車載激光雷達(dá)的性能指標(biāo)和價(jià)格如圖2.5所示。

圖2.5車載激光雷達(dá)的性能指標(biāo)及價(jià)格

Velodyne誕生于美國(guó)加利福尼亞州，于2007年開始以80，000美元的價(jià)格銷售其首款激光雷達(dá)產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)不斷的研發(fā)，價(jià)格現(xiàn)已降至8000美元左右。2020年激光雷達(dá)的市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)超過(guò)了10億，其價(jià)格降至250美元左右。事實(shí)上，為了降低激光雷達(dá)的成本，各個(gè)廠商都在不斷嘗試，通過(guò)縮小水平視圖和限制檢測(cè)范圍來(lái)降低成本的產(chǎn)品將投放市場(chǎng)，還有一些制造商試圖通過(guò)減少激光光線數(shù)量或用集成芯片替換傳感器和處理器來(lái)降低成本。

3、毫米波雷達(dá)

3.1 毫米波雷達(dá)的技術(shù)原理

毫米波雷達(dá)是一種高精度雷達(dá)傳感器，工作在毫米波波段，用于測(cè)量物體的相對(duì)距離、相對(duì)速度和方位角。毫米波是指30-300 GHz（波長(zhǎng)為1-10 mm）頻域中的電磁波，早期被用于軍事領(lǐng)域，隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，它逐漸應(yīng)用于許多其他領(lǐng)域，如汽車電子、無(wú)人機(jī)、智能交通等。自1970年代后期以來(lái)，毫米波雷達(dá)已用于許多重要的軍事和民用系統(tǒng)，如短程高分辨率防空系統(tǒng)，導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)，目標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)等。

車載毫米波雷達(dá)的工作原理如下：雷達(dá)通過(guò)天線向外發(fā)射毫米波，接收目標(biāo)反射信號(hào)，快速準(zhǔn)確地獲取車輛周圍的物理環(huán)境信息（如車輛與物體之間的相對(duì)距離、相對(duì)速度、角度、移動(dòng)方向等）。然后根據(jù)檢測(cè)到的目標(biāo)信息進(jìn)行目標(biāo)跟蹤識(shí)別分類，并與人體動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。最后，通過(guò)電子控制單元進(jìn)行智能處理。經(jīng)過(guò)合理決策后，可以通過(guò)聲、光、觸等方式通知或警告駕駛員，或及時(shí)主動(dòng)干預(yù)，從而保證駕駛的安全性和舒適性，降低事故發(fā)生概率。這個(gè)過(guò)程如圖3.1所示。

圖3.1 車載毫米波雷達(dá)工作過(guò)程

根據(jù)輻射電磁波的區(qū)別，毫米波雷達(dá)可分為兩大類：脈沖系統(tǒng)雷達(dá)和連續(xù)波系統(tǒng)雷達(dá)。然后連續(xù)波可以分為FSK（頻移鍵控），PSK（相移鍵控），CW（恒頻連續(xù)波），F(xiàn)MCW（調(diào)頻連續(xù)波）和其他模式，特點(diǎn)和缺點(diǎn)如圖3.2所示。

圖3.2兩種毫米波雷達(dá)的特點(diǎn)

FMCW雷達(dá)因其能夠測(cè)量多個(gè)目標(biāo)、分辨率高、信號(hào)處理復(fù)雜度低、成本低、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，已成為最常用的車載毫米波雷達(dá)，德爾福、電裝和博世等一級(jí)供應(yīng)商均采用FMCW調(diào)制模式。FMCW雷達(dá)系統(tǒng)主要包括收發(fā)天線、射頻前端、調(diào)制信號(hào)、信號(hào)處理模塊等。MMIC芯片（單片微波集成電路）和天線PCB板是硬件核心，通過(guò)對(duì)接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理(去斜處理或脈沖壓縮)，然后對(duì)目標(biāo)的距離、位置和相對(duì)速度進(jìn)行檢測(cè)，F(xiàn)MCW雷達(dá)系統(tǒng)的組成和工作原理如圖3.3所示。

圖3.3FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的組成和工作原理

毫米波雷達(dá)的關(guān)鍵部件前端單片微波集成電路（MMIC）技術(shù)由國(guó)外半導(dǎo)體公司控制，而高頻MMIC只能由英飛凌、飛思卡爾等少數(shù)國(guó)外芯片制造商生產(chǎn)。中國(guó)的MMIC仍處于起步階段，廈門意行半導(dǎo)體公司和南京米勒公司正在開發(fā)雷達(dá)MMIC，結(jié)果有待驗(yàn)證，此外，東南大學(xué)唯一的毫米波雷達(dá)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，一直在開發(fā)77GHz毫米波集成電路。

3.2 毫米波雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)

毫米波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)如下：

毫米波具有短波長(zhǎng)、寬頻帶和窄波束，具有更高的分辨率，并且不易受到干擾。毫米波的波長(zhǎng)介于厘米波和光波之間，具有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)。與光波相比，毫米波和亞毫米波在大氣中傳播的衰減較小，受自然光和熱輻射源的影響較小。與厘米級(jí)導(dǎo)波器相比，毫米波導(dǎo)引頭具有體積小、重量輕、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。與紅外、激光、攝像頭等光導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭具有更強(qiáng)的穿透霧、煙、塵的能力，具有全天候（大雨除外）和全天的特點(diǎn)。此外，毫米波導(dǎo)引頭的抗干擾和抗隱身能力優(yōu)于其他微波導(dǎo)引頭。

3.3 毫米波雷達(dá)汽車應(yīng)用

目前各國(guó)分配給車載毫米波雷達(dá)的頻段如圖3.4所示，主要集中在24 GHz區(qū)域（21.65-26.65 GHz）和77 GHz區(qū)域（76–81 GHz），一些國(guó)家（如日本）使用 60 GHz 頻段。汽車毫米波雷達(dá)最常見的工作頻率約為24 GHz、77 GHz和79 GHz。與24 GHz器件相比，77 GHz器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，如電子元件和天線尺寸更小，單芯片集成結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)，速度分辨率更高等。未來(lái)，車載毫米波雷達(dá)的頻段將收斂到77 GHz區(qū)域（76-81 GHz）。

圖3.4 車載毫米波雷達(dá)頻段分配

當(dāng)毫米波雷達(dá)安裝在汽車上時(shí)，可以測(cè)量雷達(dá)與被測(cè)物體之間的距離、角度和相對(duì)速度。目前，毫米波雷達(dá)主要應(yīng)用于高端機(jī)型，并將逐步普及到低端機(jī)型。根據(jù)安裝位置，車載毫米波雷達(dá)可分為后向雷達(dá)和前向雷達(dá)。通常，每輛車都配備兩個(gè)后向雷達(dá)，分別放置在車輛的左右尾部；前方雷達(dá)通常安裝在車輛前保險(xiǎn)杠的中間，后向雷達(dá)和前向雷達(dá)的功能如表3.1所示。

表3.1前向和后向雷達(dá)功能對(duì)比

毫米波雷達(dá)可以執(zhí)行高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的功能，例如自適應(yīng)巡航控制、前方碰撞警告、盲點(diǎn)檢測(cè)、停車輔助和變道輔助。24 GHz雷達(dá)系統(tǒng)主要執(zhí)行短程偵察（SRR），而77 GHz系統(tǒng)主要執(zhí)行遠(yuǎn)程偵察（LRR）。SRR和LRR的組合應(yīng)用如圖3.5所示。

圖3.5SRR和LRR的聯(lián)合應(yīng)用

為了使ADAS充分發(fā)揮其功能，需要“1長(zhǎng)+4中或短”的5個(gè)毫米波雷達(dá)。目前，新款?yuàn)W迪A1采用5個(gè)毫米波雷達(dá)（1個(gè)長(zhǎng)+4個(gè)短），奔馳S級(jí)采用7個(gè)毫米波雷達(dá)（1個(gè)長(zhǎng)+6個(gè)短）。以自動(dòng)車的ACC功能為例，一般需要3個(gè)毫米波雷達(dá)，車中間有一個(gè)77GHz的LRR，探測(cè)范圍為150~250 m，角度約為10°。車內(nèi)兩側(cè)有24GHz MRR，角度為30°，檢測(cè)距離為50~70m。AEB是ADAS最實(shí)用的功能，它將成為未來(lái)中高端汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置，需要77GHz的LRR雷達(dá)。

在美國(guó)，任何想要使用未經(jīng)FCC（聯(lián)邦通信委員會(huì)）批準(zhǔn)的無(wú)線設(shè)備的人，必須先申請(qǐng)?zhí)厥獾呐R時(shí)機(jī)構(gòu)（STA）許可證，否則是非法的。2017年3月17日，日本汽車電子供應(yīng)商阿爾卑斯電氣申請(qǐng)了STA許可證，用于測(cè)試一種名為Ukaza的車載毫米波雷達(dá)，其工作頻率為76~81 GHz，這是該頻段毫米波雷達(dá)的首次公開測(cè)試。十天后，通用汽車還向FCC提交了類似的STA許可證申請(qǐng)，以測(cè)試Ukaza雷達(dá)，為其300輛自動(dòng)駕駛汽車測(cè)試車隊(duì)做準(zhǔn)備。

3.4 毫米波雷達(dá)的行業(yè)結(jié)構(gòu)、主流產(chǎn)品及發(fā)展趨勢(shì)

車載毫米波雷達(dá)的國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)如圖3.6所示。

圖3.6 毫米波雷達(dá)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

目前，毫米波雷達(dá)技術(shù)主要被大陸、博世、電裝、德爾福等傳統(tǒng)零部件巨頭壟斷。特別是77GHz毫米波雷達(dá)由博世、大陸、德爾福、電裝、天合、富士通天、日立等公司控制。2015年，博世和大陸汽車?yán)走_(dá)的市場(chǎng)份額均為22%，位居全球第一。

目前，中國(guó)市場(chǎng)高端汽車用毫米波雷達(dá)傳感器全部進(jìn)口，市場(chǎng)被美國(guó)、日本、德國(guó)企業(yè)壟斷，價(jià)格高，因此迫切需要自主制造。汽車毫米波雷達(dá)分為短程、中程和長(zhǎng)距離，其對(duì)應(yīng)的價(jià)格也有低、中、高，市場(chǎng)上主流的汽車毫米波雷達(dá)如圖3.7所示。

圖3.7 主流汽車毫米波雷達(dá)概述

a)博世中遠(yuǎn)程雷達(dá)，b）大陸短程和遠(yuǎn)程雷達(dá)，c）德爾福中程雷達(dá)

博世雷達(dá)很小，德爾福短程雷達(dá)和遠(yuǎn)程雷達(dá)、ZF-TRW(采埃孚-天合)遠(yuǎn)程雷達(dá)和奧托立夫遠(yuǎn)程雷達(dá)將在未來(lái)幾年內(nèi)量產(chǎn)。除上述公司外，一些公司（如富士通天和日本電產(chǎn)Elesys）也生產(chǎn)毫米波雷達(dá)。中國(guó)車載毫米波雷達(dá)仍處于開發(fā)階段，由于研發(fā)成本低，研發(fā)簡(jiǎn)單，中國(guó)廠商主要關(guān)注24GHz雷達(dá)，預(yù)計(jì)未來(lái)五年，自主品牌車載毫米波雷達(dá)傳感器將逐步量產(chǎn)安裝。國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)毫米波雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈如圖3.8所示：

圖3.8 世界雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈（圖片來(lái)源：itbank）

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，車載毫米波雷達(dá)最終將統(tǒng)一在77 GHz頻段（76-81 GHz），該頻段意味著更大的帶寬、更高的功率水平和更長(zhǎng)的檢測(cè)范圍。與24GHz相比，物體分辨率精度提高了2-4倍，速度和距離測(cè)量精度提高了3-5倍，這意味著可以檢測(cè)到行人和自行車。此外，設(shè)備的體積更小，這使得它更容易在車輛上安裝和部署。77 GHz頻率范圍是全球永久認(rèn)可的頻段，因此更適合全球車載平臺(tái)，在此范圍內(nèi)，76-77 GHz主要用于遠(yuǎn)程毫米波雷達(dá)，77-81 GHz主要用于中短程毫米波雷達(dá)。未來(lái)，79 GHz（77-81 GHz）中短程毫米波雷達(dá)將成為中程MRR的主流，并有望取代24 GHz短程雷達(dá)，時(shí)間取決于每個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展、市場(chǎng)趨勢(shì)和政策。

3.4MIMO雷達(dá)虛擬陣列和2D成像

MIMO（多輸入多輸出）最初是控制系統(tǒng)中的一個(gè)概念，這意味著系統(tǒng)具有多個(gè)輸入和多個(gè)輸出，如果將移動(dòng)通信系統(tǒng)的傳輸信道視為一個(gè)系統(tǒng)，則發(fā)送的信號(hào)可以看作是移動(dòng)信道（system）的輸入信號(hào)，接收的信號(hào)可以看作是移動(dòng)信道的輸出信號(hào)。MIMO雷達(dá)的基本含義是：雷達(dá)利用多個(gè)發(fā)射天線同時(shí)發(fā)射正交信號(hào)照射目標(biāo)，利用多個(gè)接收天線接收目標(biāo)回波信號(hào)，然后對(duì)其進(jìn)行綜合處理，提取目標(biāo)的空間位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

MIMO 雷達(dá)虛擬陣列的典型應(yīng)用是二維雷達(dá)成像，二維雷達(dá)成像的距離分辨率主要取決于雷達(dá)信號(hào)的帶寬，方位分辨率主要取決于天線的波束寬度。為了提高成像的距離分辨率，一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方法是增加雷達(dá)信號(hào)的帶寬；為了提高雷達(dá)信號(hào)的方位分辨率，不可避免地要增加天線或陣列的孔徑，這在實(shí)踐中是困難的，并且受到許多因素的限制。目前廣泛使用的解決方案是：利用合成孔徑技術(shù)在不增加天線物理尺寸的情況下獲得大孔徑陣列。與合成孔徑的思想不同，MIMO雷達(dá)利用多個(gè)發(fā)射器和多個(gè)接收器的天線結(jié)構(gòu)，形成虛擬的大孔徑陣列，以獲得高方位角分辨率，這種虛擬陣列的形成是實(shí)時(shí)的，可以避免傳統(tǒng)ISAR成像中的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償問(wèn)題，故MIMO雷達(dá)在成像應(yīng)用中具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

恩智浦(NXP)于2018年1月11日推出典型的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)MR3003和S32R274雷達(dá)，MR3003是一款毫米波雷達(dá)收發(fā)器，具有三個(gè)發(fā)射器和四個(gè)接收器。NXP的最低級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)是級(jí)聯(lián)四個(gè)MR3003，包括12個(gè)發(fā)射機(jī)和16個(gè)接收機(jī)。以S32R274為處理器，它可以級(jí)聯(lián)多達(dá)20個(gè)MR3003，形成一個(gè)驚人的60發(fā)射器和80接收器毫米波雷達(dá)，這足以用于成像，級(jí)聯(lián)實(shí)際上類似于MIMO系統(tǒng)。

一對(duì)發(fā)射陣元和接收陣元可以模擬一個(gè)發(fā)射-接收陣元，對(duì)于具有m個(gè)發(fā)射器和n個(gè)接收器的MIMO雷達(dá)，有m*n對(duì)發(fā)射陣元和接收陣元，這意味著可以模擬m*n發(fā)送-接收陣元，m*n通常比n大得多，這導(dǎo)致了陣列孔徑的擴(kuò)大。德州儀器 （TI） 可以使用四個(gè)帶有三個(gè)發(fā)射器和四個(gè)接收器的 AWR1243 雷達(dá)，組成 192 個(gè)虛擬通道（天線或陣列），如圖 3.9所示。

圖3.9四個(gè)TIAWR1243雷達(dá)(3T4R)

圖 3.10 顯示了德州儀器的四個(gè) AWR1243 級(jí)聯(lián)雷達(dá)的參數(shù),遠(yuǎn)程分辨率大大提高,在40m處可以實(shí)現(xiàn)1°的方位角分辨率，即4.5 cm的分辨率和9 cm左右的物體分辨率。

圖3.10四個(gè)AWR1243級(jí)聯(lián)雷達(dá)參數(shù)

使用45°FOV的百萬(wàn)像素相機(jī)，方位角分辨率在40m處僅為約20像素，無(wú)法區(qū)分行人和騎自行車的人。MIMO具有非常寬的視場(chǎng)，像德州儀器那樣的四級(jí)聯(lián)雷達(dá)的視場(chǎng)高達(dá)192°（攝像機(jī)的80°視場(chǎng)被認(rèn)為是廣角），因此在邊緣可能存在廣角畸變。

圖3.11顯示了德州儀器測(cè)試的多級(jí)聯(lián)雷達(dá)（MIMO）的FFT輸出圖。可以看出，通道越多，分辨率越高。

圖3.11德州儀器多級(jí)聯(lián)雷達(dá)FFT結(jié)果

4、超聲波雷達(dá)

當(dāng)激光雷達(dá)安裝在車頂時(shí)，在車底形成一個(gè)無(wú)法測(cè)量的圓形區(qū)域，這也是激光雷達(dá)的盲區(qū)。用于自適應(yīng)巡航控制的毫米波雷達(dá)用于遠(yuǎn)距離測(cè)量，但短距離測(cè)量精度不夠，自動(dòng)泊車的精度必須達(dá)到厘米級(jí)，這是激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)無(wú)法達(dá)到的，因此，可以使用擅長(zhǎng)近距離測(cè)量的超聲波雷達(dá)。倒車?yán)走_(dá)通常是超聲波雷達(dá)，安裝在后輪附近，谷歌的原型無(wú)人駕駛汽車在后輪附近配備了超聲波雷達(dá)，用于近距離測(cè)量，主要用于自動(dòng)泊車。

5、自動(dòng)駕駛汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)配置示例

5.1通用巡航自動(dòng)駕駛汽車

GM Cruise自動(dòng)駕駛汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的配置如圖5.1所示，具有5個(gè)激光雷達(dá)和21毫米波雷達(dá)，還有16個(gè)攝像頭。這五個(gè)激光雷達(dá)是Velodyne VLP16 16線激光雷達(dá)，2018年1月初，Velodyne將VLP16的價(jià)格從7999美元下調(diào)至3999美元。在21個(gè)毫米波雷達(dá)中，12個(gè)79 GHz雷達(dá)由日本阿爾卑斯山公司提供，兩個(gè)前向和兩個(gè)后向遠(yuǎn)程雷達(dá)可能由德國(guó)公司提供，型號(hào)為ARS408。博世公司提供了五個(gè)高分辨率（通用汽車稱為鉸接式）毫米波雷達(dá)，它們主要安裝在汽車的兩側(cè)和前部，帶寬是傳統(tǒng)77GHz雷達(dá)的8倍，因此分辨率可達(dá)4cm。

12個(gè)79 GHz毫米波雷達(dá)以級(jí)聯(lián)模式工作，足以生成清晰的360°環(huán)視全景圖像，同時(shí)跟蹤數(shù)千個(gè)目標(biāo)。12個(gè)79 GHz毫米波雷達(dá)構(gòu)成一個(gè)冗余系統(tǒng)，毫米波雷達(dá)處理復(fù)雜環(huán)境的能力最強(qiáng)，最適合冗余系統(tǒng)，在激光雷達(dá)和攝像頭故障的情況下，它們?nèi)匀豢梢源_保車輛的安全駕駛和停放。

5.2谷歌自動(dòng)駕駛汽車

谷歌無(wú)人駕駛汽車是谷歌X實(shí)驗(yàn)室目前正在開發(fā)的全自動(dòng)駕駛汽車，它不需要駕駛員啟動(dòng)、行駛或停止，目前正在測(cè)試中，已經(jīng)行駛了480，000公里。谷歌已經(jīng)使用了七輛汽車進(jìn)行測(cè)試，其中包括六輛豐田普銳斯和一輛奧迪TT。他們?cè)诩永Ｄ醽喼莸膸讞l道路上進(jìn)行了測(cè)試，包括舊金山灣區(qū)的倫巴底街。這些車輛使用攝像頭和雷達(dá)來(lái)感知道路環(huán)境和交通狀況，并使用詳細(xì)的地圖進(jìn)行導(dǎo)航，實(shí)際測(cè)試場(chǎng)景如圖 5.2 所示。

谷歌自動(dòng)駕駛汽車傳感器系統(tǒng)的配置如圖5.3所示，它配備了四個(gè)毫米波雷達(dá)（三個(gè)在前，一個(gè)在后，如圖5.4所示）和一個(gè)屋頂3D激光雷達(dá)（Velodyne HDL-64E）。毫米波雷達(dá)用于計(jì)算其他汽車與自動(dòng)駕駛汽車之間的相對(duì)速度，并預(yù)測(cè)速度變化，HDL-64E雷達(dá)在旋轉(zhuǎn)時(shí)連續(xù)發(fā)射64線激光束，最大射程為120 m，并接收反射光束，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差，計(jì)算物體與汽車之間的距離，并繪制汽車周圍的實(shí)時(shí)三維地形圖，綜合檢測(cè)數(shù)據(jù)后，還可以判斷物體的形狀、大小和一般運(yùn)動(dòng)軌跡，這是行動(dòng)決策的基礎(chǔ)之一。HDL-3E 每秒可以為谷歌自動(dòng)駕駛汽車的處理器提供 64 萬(wàn)組數(shù)據(jù)，這意味著提供的信息幾乎是實(shí)時(shí)的，HDL-1E眼中的世界如圖5.5所示。

除了雷達(dá)系統(tǒng)，谷歌自動(dòng)駕駛汽車還配備了車道保持視覺(jué)系統(tǒng)、紅外攝像頭、立體視覺(jué)、GPS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、車輪編碼器等。

5.3Waymo自動(dòng)駕駛汽車

自2017年10月中旬以來(lái)，谷歌的Waymo自動(dòng)駕駛汽車在亞利桑那州開始了公開路試。測(cè)試場(chǎng)景和傳感器配置如圖5.6所示。

Waymo自動(dòng)駕駛汽車的傳感器配置如下：

激光雷達(dá)系統(tǒng)：包括三種激光雷達(dá)：可提供360°全景視野的短距離激光雷達(dá)、高清中距離激光雷達(dá)和可穿透近三個(gè)足球場(chǎng)的新一代遠(yuǎn)程激光雷達(dá)，該系統(tǒng)支持日夜正常工作。

毫米波雷達(dá)系統(tǒng)：使用多個(gè)波長(zhǎng)（24G和77G）來(lái)檢測(cè)物體和運(yùn)動(dòng)，雷達(dá)波可以繞過(guò)雨滴等物體，不受雨天、雪天、霧天和夜間影響。Waymo的雷達(dá)系統(tǒng)具有360°全景視野，因此可以測(cè)量車輛前方、后方和兩側(cè)道路參與者的速度。

視覺(jué)（攝像頭）系統(tǒng)：視覺(jué)系統(tǒng)包括設(shè)計(jì)成像人類一樣看周圍世界的攝像頭，但它具有360°同步視野，而人類駕駛員只能看到120°的視野。由于高清視覺(jué)系統(tǒng)可以檢測(cè)顏色，因此可以幫助系統(tǒng)識(shí)別交通信號(hào)燈、施工區(qū)域、校車和救護(hù)車的頻閃燈。Waymo的視覺(jué)系統(tǒng)由許多高清攝像頭組成，旨在在白天和弱光條件下看到遠(yuǎn)處的物體。

其他的傳感器：Waymo還有許多其他傳感器，包括一個(gè)音頻檢測(cè)系統(tǒng)，可以聽到警車和救護(hù)車的警笛聲。

依靠傳感器和軟件的配合，Waymo可以感知周圍的世界，它可以識(shí)別車輛、行人、自行車、障礙物，還可以區(qū)分交通信號(hào)燈、臨時(shí)停車標(biāo)志等的顏色。Waymo自動(dòng)駕駛汽車看到的世界如圖5.7所示。