汽车雷达传感器的种类和应用

 

国产特斯拉的雷达传感器

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特斯拉最近卖得很火，最近参与了国产特斯拉的拆解分析，希望能更深入了解其安全系统配置，我主要关注的是特斯拉安全系统的传感器。拆解发现即使是其低配车型，主动安全系统的传感器除了图像传感器（摄像头）和超声波传感器，还配备了毫米波雷达传感器。

图1 传感器

这也进一步印证了《2019-2020年全球与中国汽车毫米波雷达产业研究报告》的数据，报告中2019年全年中国乘用车市场毫米波雷达安装量达517万颗，同比增长44.37%。尤其是77GHz增速达到69.3%，特斯拉的前置远程雷达传感器正是77GHz的毫米波传感器。

 

汽车雷达传感器的种类和应用

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目前的汽车雷达主要分为超声波雷达、电磁波雷达和激光雷达。

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超声波泊车雷达

 

图2 超声波雷达

如图2是超声波泊车雷达，目前汽车基本已普及，前后保险杠的圆形孔位，就是安装的超声波雷达传感器。

但由于超声波散射角大，方向性较差，在空气中传播损耗也大，在测量较远距离的目标时，测量精度比较低；另外超声波传播速度相对较低，因此探测高速移动的物体时延迟较大，误差严重，所以不适合高速移动的物体测距。但对低速短距离测量时，超声波雷达优势明显，所以超声波雷达一般只作为泊车雷达使用。

图3 超声波雷达泊车

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毫米波雷达

毫米波雷达是利用无线电波对移动物体进行探测感知和定位。其探测距离比超声波远，尤其是测量远距离高速移动目标时，反应速度快且精度高，因此毫米波雷达主要应用在盲点检测、碰撞预警和防撞、刹车辅助与紧急刹车、车距和车道保持等方面。

现在有些豪华车已配有5个毫米波雷达传感器：车的前面配备3个，一个长距离77GHz毫米波雷达，前部和后部两侧各布置1个短距离毫米波雷达（通常是24GHz），如图4就是毫米波雷达应用模式，图5是特斯拉的毫米波传感器。

图4 汽车毫米波雷达应用

图5 特斯拉毫米波传感器

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激光雷达

激光雷达（包括影像）易受环境因素影响，还在快速的技术迭代升级，不在此进行讨论。

图6 激光雷达

对比这三种传感器，目前只有汽车毫米波雷达技术能在晴天、雨天、白天和黑夜完成短距离和远程距离的目标探测，因此市场应用即将进入爆发期，但是国产化方面的差距却很大。

 

毫米波汽车雷达测距测速原理

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毫米波是指波长在1-10mm的电磁波，其带宽大，分辨率高，天线部件尺寸小，能适应恶劣天气和环境。

汽车毫米波雷达一般是FMCW(调频连续波)信号雷达，相比军用脉冲信号雷达电路实现要简单一些。

图7 FMCW工作原理

下面以三角波调频连续波为例来简单介绍雷达的测距/测速原理。

天线向外发出一系列连续调频毫米波，频率随时间按调制电压的规律变化，发射与接收信号如图8所示。

图8  FMCW发射与反射信号

图中实线是发射信号，虚线是相对静止和相对运动物体的反射信号。反射与发射信号波形相同，只是差一个延时时间td=2R/C，式中，R为目标距离，c光速。

发射信号与反射信号在某一时刻的频差即为混频输出的中频频率fb。相对运动物体反射信号由于多普勒效应产生的频移的原因。

在三角波的上升沿与下降沿输出的中频频率分别为fb+、fb-。以下公式就是雷达测试距、测速的理论依据：

图9 公式

由上面公式可以计算得到目标车辆的距离R与相对运动速度v。中频频率fb的确定是求出R、V的关键。fb的确定即是对发射和反射信号的频差进行频谱分析。

信号的频谱分析主要有FFT法。所谓FFT法，即是对被分析的信号进行傅里叶变换，将其从时域变到频域，在频域进行分析。

这种方法比较成熟、现容易、实时性强，适合于汽车运行状况下信号的实时处理。

 

毫米波雷达原理仿真和实现框图

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汽车毫米波一般是基于频率调制的连续波（FMCW）。W1905 SystemVue 雷达库可用于汽车雷达系统的原型机的系统仿真和测试验证。

图10  SystemVue 的FMCW雷达系统仿真

系统仿真分为5个子系 统，包括发射机、传播环境、接收机、信号处理器以及距离和速度信息的估计测量。

图11中A就是软件生成的三角形信号波形，B是三角形信号的群时延即频率与时间关系。

图11 SystemVue 生成的线性 FMCW 三角形信号

图12是SystemVue雷达系统仿真的发射机输出24GHz频谱。

图12 24GHz频谱

现在国际一些知名半导体公司，已推出了车规级毫米波传感器的芯片，目前已商用的毫米波雷达传感器，都是采用这些半导体公司的芯片开发而成的。

这些毫米波汽车雷达芯片是完全开放的，拥有不同资源的厂商可以根据自己条件，跳过原型机的开发和验证，尽快推出自己的产品，抓住毫米波雷达普及应用的爆发期。

图13 某77GHz汽车毫米波雷达传感器套片原理框图

图14  某77GHz毫米波雷达单路收发信机构成框图

 

77G毫米波汽车雷达

的主要参考指标

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应用指标包括：

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射频性能评估参数

图15 参数表

雷达发射机测试主要包含:

①发射信号输出频率及稳定度

②发射信号功率及稳定度

③调制信号质量

雷达接收机测试指标主要包含:

①接收机灵敏度

②接收机动态范围

③抗干扰性能

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采用某公司收发信机芯片开发的毫米波前端demo

图16 毫米波前端demo

 

性能测试和验证

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原型机的性能测试

在研发早期可以采用SystemVue仿真加仪器的验证平台，来诊断和解决跨域问题，减少基带/ 数字信号处理和射频收发信机中的设计裕量。

验证系统框图如下：

图17 原型机性能验证系统框图

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产品化开发性能测试

如果是采用毫米波雷达传感器芯片开发产品，现在有商用测试系统，可以根据自己有仪器，搭建自己的测试系统。

①发射机测试

图18 

②接收机测试

图19 接收机测试

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整体性能测试

①方向图和辐射功率测试

图20 方向图和辐射功率测试

②雷达探测及目标跟踪性能测试

图21 雷达探测及目标跟踪性能测试

人们对汽车驾驶安全有着不懈的追求，再加上5G网络的普及和自动驾驶技术日趋提升，汽车将是下一个“移动智能终端”。

毫无疑问，汽车毫米波雷达市场快速增长的趋势已经形成，国内传统的汽车部件供应商将面临严峻挑战！尽快突破毫米波传感器高性能、低成本、大批量生产的关键技术，市场前景无疑是值得期待的。

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