毫米波雷达在自动驾驶中的工作流程

来源：合肥中科微电子创新中心有限公司  周忆鑫   

一、车载雷达的发展

随着 ADAS 市场渗透率快速提升，核心零部件的毫米波雷达市场需求也进入快速上升通道。在L1-L3级自动驾驶中，毫米波雷达被用于目标侦测和目标分离，从而实现各种ADAS主动安全应用，在L4-L5级自动驾驶系统中搭载毫米波雷达成像技术。随着自动驾驶等级的提高和多种主动安全应用的搭载，长距（LRR）、中距（MRR）、短距（SRR）车用毫米波雷达的装配数量会大幅提升，并最终实现360度全覆盖化。相比于国外企业，车载毫米波雷达在国内仍处于起步阶段，民用的毫米波雷达追求系统的小型化和低成本。90 年代,77GHz 毫米波雷达采用的还是砷化镓 (GaAs) 的工艺，一个毫米波雷达中，配7-8颗以上的前端射频芯片，再配上3-4颗基带芯片，成本非常昂贵；2000 年初，锗硅 (SiGe) 工艺快速发展，同时也得益于集成度的提高，毫米波雷达成本不断下探,但依旧不够亲民；由于技术水平提高、应用场景拓展，需求量的激增又降低了产品成本，最终将 CMOS 工艺的毫米波雷达芯片推上了历史舞台。

图一  毫米波雷达的发展历程  

二、车载毫米波雷达工作原理      

毫米波雷达通过天线发射调频连续波（FMCW），经目标反射后接收到的回波与发射波存在一个时间差，利用该时间差可计算出目标距离。通过信号处理器分析发射与反射信号的频率差异，基于多普勒原理，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，减少事故发生率。

图二  毫米波雷达在自动驾驶中的工作流程 

三、主流应用频段    

目前，车载毫米波雷达工作频率一般为 24GHz 和 77GHz， 24GHz 毫米波雷达应用于盲区探测（BSD）、辅助变道（LCA）等场景，77GHz 毫米波 雷达应用于前向碰撞预警（FCA）、自适应巡航（ACC）等场景。根据欧洲电信标准协会（ETSI）和联邦通信委员会（FCC）制定的频谱法规和标准，24 GHz 车载雷达将逐渐退出美国和欧洲市场，被 77 GHz 车载雷达取代。Yole Développement 预测，全球车载雷达市场到 2025 年将达到 86 亿美元，年复合年增长率达 15.6％如图三所示。此外，波长更短、探测精度更高的 79GHz 毫米波 雷达是未来行业突破的热点之一。随着技术的发展与成熟，毫米波雷达天花板日益凸显，未来技术领域突破较小。

图三   Yole Développement对球车载雷达市场的预测

长期来看，车用毫米波雷达最终会统一到76-81GHz频段上，原因主要有两方面：    

（1）24GHz在带宽和使用范围上受限。我国工信部对24GHz车用雷达的频段划分为24.25-26.65GHz，带宽为2.4GHz，扩展空间有限。另外，我国射电天文台址周围5公里范围内，禁止使用24GHz短距离车用雷达设备。

    （2）76GHz-81GHz技术优势。76GHz-81GHz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；该频段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。采用MIMO（多输入多输出）阵列扫描技术的79GHz成像雷达还可以获得目标的高度信息，从而实现真正意义的毫米波成像，79GHz成像雷达将成为未来车用中短距离MRR和SRR的主流，与摄像头、激光雷达结合实现多传感器融合。       77GHz毫米波雷达的优势：      √带宽更宽：与可用频率为24GHz的200 MHz带宽相比，77GHz的带宽明显更高；      √尺寸更小：相同的应用条件下，77GHz天线板的尺寸更小；      √波束更窄：77GHz具有较高的RF频率，在相同的应用下实现更窄的波束。   四、毫米波雷达将如何发展？       1.高分辨率       高分辨率一直是毫米波雷达的技术指标，这里有两条技术路线：    

（1）增加带宽，如76-81GHz，最大带宽可达5GHz。    

（2）多级联，增加通道数。  

在2017年，德州仪器推出了号称全球精度最高单芯片毫米波雷达传感器，也就是工作与76-81GHz的AWR1x和WR1x收发器，然后基于这两片收发器推出了数个76-81GHz毫米波雷达前端，包括AWR124、AWR1443、AWR1642。  

    2.MIMO      MIMO雷达基本含义：雷达采用多个发射天线，同时发射相互正交的信号，对目标进行照射，再用多个接受天线接收目标回波信号并进行综合处理，提取目标空间位置，运动状态等信息。       3.CMOS RF工艺      毫米波雷达最突出的优势是价格低廉，即便是和视觉系统相比价格也不高。同时毫米波雷达是主动型器件，而视觉系统是被动型器件，主动型器件有比较广阔的挖掘潜力，而被动型器件CMOS图像传感器自问世以来，整体结构未有变化。而收发器从Sige转换为硅基CMOS后，性价比进一步提升。

编辑：黄飞