毫米波雷达的工作原理及发展趋势

要说这几年的热词，自动驾驶是当仁不让的几个top之一。不说特斯拉总裁马斯克频频上热搜了，就国内而言，互联网企业跨行做汽车也不少见。核心装备的激光雷达当然是备受关注。与非网小编在前段时间为大家介绍过，感兴趣的可以看这里。今天，我们不讲激光雷达，要跟大家说一说毫米波雷达。为什么要讲这个？主要是当前激光雷达这么火，但主流的自动驾驶方案却并未完全抛弃毫米波雷达，今天就是来探索一下其中的缘由。

毫米波雷达

       作为ADAS不可或缺的核心传感器类型，毫米波雷达在汽车领域其实已经有多年应用。汽车引入毫米波雷达最初主要是为了实现盲点监测和定距巡航，而随着技术的发展这两个特性也渐渐从高端车专用普及到了几乎所有车型。毫米波实质上就是电磁波。毫米波的频段比较特殊，其频率高于无线电，低于可见光和红外线，频率大致范围是10GHZ-200GHZ。

测距原理跟一般雷达一样，即把无线电波发出去，然后接收回波，利用障碍物反射波的时间差确定障碍物距离，利用反射波的频率偏移确定相对速度。

为什么毫米波雷达没有被抛弃

       首先就是大家都知道的天气原因，激光的波长远小于毫米波雷达，所以雾霾，雨雪等极端天气导致激光雷达性能会大打折扣，由于毫米波导引头穿透雾，烟，灰尘的能力强，所以相比于激光雷达是一大优势。相比起激光雷达，毫米波雷达的探测距离可以轻松超过200米，而激光雷达一般不到150米。在高速行驶的场景里，毫米波雷达更适合。

其次，由于激光雷达在收发器和组装工艺要求高，所以成本比较难降下来。而毫米波雷达因为它是硅基的芯片，没有特别昂贵和复杂的工艺，所以毫米波雷达成本更具优势。毫米波雷达目前的价格大概在1.5千左右，而激光雷达的价格目前仍然是以万作为单位计算的。并且由于激光雷达获取的数据量远超毫米波雷达，所以需要更高性能的处理器处理数据，更高性能的处理器同时也意味着更高的价格。所以对于工程师而言，在简单场景中，毫米波雷达仍然是最优选择。

毫米波雷达芯片发展趋势

       目前汽车领域的毫米波雷达主要基于FMCW技术，即发射出调频毫米波信号，并根据首发毫米波之间的频率差来确定目标的位置以及相对速度。FMCW雷达关注的指标主要是目标区分度和测量分辨率，其中目标区分度指的是雷达能分辨的两个物体之间的最小距离（如果两个物体之间的距离小于该最小距离则会被雷达认为是一个物体），而测量分辨率则是绝对距离的测量精确度。

我们看到的毫米波雷达的第一个趋势就是从24GHz频段演进到77GHz频段。目前，比较常见的车载领域的毫米波雷达频段有三类，分别是：

24GHz
24GHz这个频段，目前大量应用于汽车的盲点监测、变道辅助。雷达安装在车辆的后保险杠内，用于监测车辆后方两侧的车道是否有车、可否进行变道。

77GHz
77GHz这个频段的频率比较高，国际上允许的带宽高达800MHz。这个频段的雷达性能要好于24GHz的雷达，所以主要用来装配在车辆的前保险杠上，探测与前车的距离以及前车的速度，实现的主要是紧急制动、自动跟车等主动安全领域的功能。

79GHz
最后是79GHz，这个频段最大的特点就是其带宽非常宽，要比77GHz的高出3倍以上，这也使其具备非常高的分辨率，可以达到5cm。这个分辨率在自动驾驶领域非常有价值，因为自动驾驶汽车要区分行人等诸多精细物体，对带宽的要求很高，这个频段在未来的自动驾驶领域会有很广泛的应用。

根据美国FCC和欧洲ESTI的规划，24GHz的宽频段（21.65-26.65GHz）将在2022年过期，在之后汽车在24GHz能用的仅剩下24.05-24.25GHz范围的窄带频谱。反之，在77GHz频段，汽车雷达将能使用77-81GHz高达4GHz的带宽。对于FMCW雷达来说，频率扫描带宽决定了目标区分度和测量分辨率，因此77GHz的FMCW雷达对于24GHz来说目标区分度和测量分辨率都有十多倍的提升。

第二个毫米波雷达芯片的重要趋势是CMOS工艺成为主流。毫米波电路传统的实现工艺是GaAs等III-V族工艺，但是III-V族工艺的成本过高，同时集成度低无法在芯片上集成数字模块，因此SiGe这样的工艺得到了不少应用。而随着CMOS工艺的特征尺寸不断缩小，在28nm节点之后CMOS工艺已经能基本胜任毫米波雷达的波段，因此毫米波雷达也就自然而然转向CMOS工艺。

第三个重要方向是毫米波雷达也在走向高分辨率。这里的分辨率不仅仅是目标测距的分辨率，更是指毫米波雷达的空间分辨率。盲点监测等传统汽车毫米波雷达应用只需要雷达监测在视野的一定距离中是否有物体即可，至于该物体是位于视野中的哪一个位置则并不关心。

自动驾驶是大势所趋，而激光雷达作为核心的部件，降低成本势在必行，毫米波雷达从最早的十万美元，降低到如今的100美元左右也用了十多年的时间。

激光雷达目前还有一个非常重要的技术是固态激光雷达，它实际上与传统雷达、毫米波雷达是一脉相承的，固态激光雷达实质上就是调整每个发射和接收单元的相位，毫米波雷达也是同样的原理，只不过毫米波雷达是对电磁波进行操作，器件的实现难度要比对光的频段上进行相位的改变的难度低很多。未来，固态激光雷达与毫米波雷达相结合或许是个不错的选择。

总结：毫米波雷达是很难被取代的传感器，虽有不足之处，但全天候的工作状态是最大优势。其测速、测距的精度要远高于视觉传感器，与激光雷达相比，穿透力会更好。但是整体来讲，这并不冲突，因为未来会走向融合的趋势，特别是针对自动驾驶驾驶，毋庸置疑三大传感器会相互融合。