毫米波雷達
1. 毫米波雷達的應用與特點
1）車載毫米波雷達研究意義
隨着現代科學技術的快速發展以 及人們生活水平的顯著提高，車輛的使用量急劇增加，相應的交通事故也急劇上升。大量交通事故數據表明， 80％以上的車禍是由於駕駛員操作失誤引起的，65％的車輛相撞是追尾事故，其余的屬於側面或者正面相撞。 經相關研究得出，如果汽車司機有0．5 秒的額外反應時間，60％的追尾、撞車事故可以避免，而若有1秒的額外 反應時間，則90％的追尾、撞車事故 可以避免。如此顯著的作用和效果，有力地促進了汽車防撞系統的發展和應用。作為汽車防撞系統的核心部件之一，汽車防撞雷達成為了近年來的研究熱點。
2）車載毫米波雷達特點
汽車防撞雷達主要有超聲波雷達、激光雷達、毫米波雷達等類型。相比於其他類型的雷達，毫米波雷達穿透霧、煙、灰塵的能力強，具有全天候（大雨天除外）全天時的優點。其缺點是無法識別物體顏色；視場角較小，需要多個雷達組合使用；行人的反射波較弱，難以識別。
2. 毫米波雷達工作原理
毫米波雷達通過微帶陣列天線向外發射毫米波（調頻連續波），接收目標反射信號，處理后獲取汽車車身周圍的物理環境信息（如汽車與其他物體之間的相對距離、相對速度、方位角度等），然后根據所探知的物體信息進行識別和目標追蹤，進而結合車身動態信息進行數據處理。經合理決策后，以聲、光及觸覺等多種方式警告駕駛員，或及時對汽車做出主動干預，減少事故發生幾率。工作原理圖如下圖一所示。
圖一：雷達工作原理
1） 雷達測距測速原理
毫米波雷達通過天線向外發射調頻連續波（三角波），接收目標反射信號如圖二，與本頻發射頻率混頻出中頻信號 IF，對中頻信號 IF 處理，從而獲得目標距離和速度信息。反射波與發射波形狀相同：存在一個時間差△t，還包括一個多普勒頻移 fd。雷達發射信號與反射信號如圖三所示，雷達識別的運動目標與靜止目標的反射信號如圖四所示。
根據距離公式，求出相距目標的距離：
根據多普勒原理，求出相對目標的相對速度：
圖三：雷達測速原理
圖四：發射信號與反射信號
圖五：運動目標與靜止目標的反射信號
2） 雷達測距測角原理
角度測量是探測“目標與天線中心線的連線”與法線的夾角，用於目標定位，從而獲得目標與本車位置信息。天線一般需設置為一發兩收，采用比相法來實現測角功能。毫米波雷達測角原理圖如圖六所示。其中接收天線之間相隔距離為d，造成回波信號一前一后的到達接收天線，導致兩根天線同時接收到的信號在相位上相差一個 Δφ，θ 為待測角度， 經計算得出：
圖六：毫米波雷達測角原理圖
3） 雷達目標識別
毫米波雷達的目標識別基本原理是：利用雷達回波中的幅度、相位、頻譜和極化等目標特征信息，通過數學上的各種多維空間變換來估算目標的大小、形狀等物理特性參數， 最后根據大量訓練樣本所確定的鑒別函數，在分類器中進行識別判決，內容包括目標識別預處理、特征信號提取、特征空間變換、模式分類器及樣本學習等模塊。其中特征信號提取是指毫米波雷達采集提取其發射的電磁波與目標相互作用產生的各種信息，包括：RCS（雷達散射截面積）以及其他特征參數，常用的特征參數有目標的結構外形特征、 目標的動態特征和回波波形特征等；而特征空間變換的目的為：改變原始數據分布結構、壓縮特征空間的維數（降低）、去除冗余特征，常用的特征變換技術：K-L 變換（去冗余）和 Walsh變換（降維）等。毫米波雷達的目標識別原理圖如圖七所示。
圖七：毫米波雷達目標識別原理
毫米波雷達的目標識別的方法有兩種：基於模板的方法和基於模型的方法。基於模板的方法是指：毫米波雷達直接從目標回波中提取有直觀物理意義的特征或目標圖像作為模板，通過實測模板與模板庫的比較進行分類；基於模型的方法是指：在大量訓練樣本的基礎上，建立目標回波或圖像的數學模型，通過比較實測回波特征與模型預測特征進行分類。
4） 雷達目標跟蹤
目標跟蹤系統有目標信息預處理、目標跟蹤處理、目標 濾波處理等模塊組成。其中目標信息預處理主要包括目標回 波的處理、目標檢測、點跡凝聚、參數計算等，相關定義如 下。
①回波處理：主要包括回波的解調、信號的 FFT 變換等；
②目標檢測：目標的門限檢測、虛警率控制處理；
③點跡凝聚：主要對多個回波信號進行重心、質心等計算，估算目標位置；
④參數計算：通過各種處理模型算法計算出目標的位置 及運動參數信息。
目標跟蹤處理及濾波主要包括目標預測、目標相關、目 標濾波等。目標預測是指根據前一時刻的值預測當前時刻的 狀態；目標相關是指預測信息與存在目標信息的關聯度判斷 參數計算（距離、速度、方位等）；目標濾波是指根據測量結 果對預測結果進行修正，主要濾波函數為 Kalman 濾波。
3. 毫米波雷達硬件組成
毫米波雷達主要由天線、射頻 MMIC、基帶信號處理三部分組成，其中射頻MMIC是最核心的部件。現在的毫米波雷達采用“微帶貼片天線”使得天線體積更小、重量更輕。雷達射頻前端單片微波集成電路（MMIC）用於產生和接收射頻信號，目前主流的芯片是 SiGe 工藝。 不過如富士、德州儀器等公司開發出了 CMOS 工藝的毫米波射頻芯片，使得成本大幅降低。基帶信號處理部分主要是算法，是毫米波雷達穩定性、可靠性的核心。數字處理包括陣列天線的波束形成算法、信號檢測、測量算法、分類和跟蹤算法等。
1） 雷達天線高頻PCB板
天線是汽車毫米波雷達有效工作的關鍵設計之一， 同時也是毫米波車用雷達能否贏得市場的關鍵。毫米波雷達天線的主流方案是微帶陣列，簡單說將高頻PCB板集成在普通的PCB基板上實現天線的功能，需要在較小的集成空間中保持天線足夠的信號強度。77Ghz雷達更高規格的高頻PCB板，77GHz雷達的大范圍運用將帶來相應高頻PCB板的巨大需求。例如博世的LRR3,相比於第2代LRR需要用幾個砷化鎵芯片生成、放大並檢測77GHz微波，Bosch第3代LRR極大簡化了雷達天線PCB板，僅使用1或2個英飛凌硅鍺芯片。
2） MMIC(單片微波集成電路)
MMIC具有電路損耗低、噪聲低、頻帶寬、動態范圍大、功率大、抗電磁輻射能力強等特點。它包括多種功能電路，如低噪聲放大器（LNA）、功率放大器、混頻器、檢波器、調制器、壓控振盪器(VCO)、移相器等。毫米波雷達的關鍵部件前端單片微波集成電路（MMIC）技術由在國外半導體公司掌控，而高頻的MMIC只掌握在英飛凌、飛思卡爾等極少數國外芯片廠商手中。國內的MMIC仍處於起步狀態，廈門意行和南京米勒為正在研發雷達MMIC，相關性能仍有待驗證。另外唯一的豪米波雷達國家重點實驗室-東南大學也一直在研發77GHz毫米波集成電路。
整個汽車行業采用的 77GHz 毫米波汽車雷達技術方案 是多種多樣的，其核心射頻芯片主要來源英飛凌、恩智浦/ 飛思卡爾、意法等公司。其中英飛凌采用多芯片射頻系統的毫米波雷達技術，收發通道為 2T/4R，系統特點為：2發4收，發射模塊、接收模塊分離，集成度較高，采用該方案來 設計 77GHz 射頻前端電路具有一定的靈活性，但由於涉及到較多的控制電路設計，后期的調試工作量較大，目前未對國 內開放。飛思卡爾采用多芯片射頻系統的毫米波雷達技術，收發通道為 2T/3R，系統特點為：2發3收，發射模塊、接收模塊分離，集成度較高，采用該方案來設計77GHz射頻前端電路具有一定的靈活性，但由於涉及到比較多的控制電路設計，后期的調試工作量也較大。意法采用單芯片射頻系統的毫米波雷達技術，收發通道為 3T/4R，系統特點：3 發 4 收，發射模塊、接收等模塊集成設計，輔以MCU等部分電路可構建雷達系統，集成度高，采用該方案來設計 77GHz 射頻前端電路內部配置靈活，由於涉及到的控制電路少，后期的調試工作量較少、成本低，目前也已對國內開放。
綜合情況分析如下：
通過以上的對比分析可以看出，77GHz 毫米波雷達開發及應用主要取決於前端射頻芯片性能，高頻段多芯片方案導致設計、調試復雜，開發難度較大。目前意法ST集成芯片為核心的架構進行77Ghz毫米波雷達開發，具有集成度高、通道多、性能好以及技術開放程度高，有利於快速開發。
4. 毫米波雷達實車匹配
毫米波雷達在整車上布置有較高的要求，只有滿足相關的布置要求，毫米波雷達的功能和性能才能得到更好的保障，下表列舉出了毫米波雷達的布置要求（不同的毫米波雷達裝配要求也不同，下表僅作參考）。
滿足毫米波雷達的整車安裝布置只是其實現功能的最基本要求，為確保毫米波雷達能夠實現車輛的自動緊急制動或自適應巡航等功能，還需要毫米波雷達與整車完成相關的信號通信。其中毫米波雷達需求的整車信號包含：輪速信號、橫擺角速度信號、轉向盤轉角信號、轉向盤角速度信號、ABS/TCS/VDC 狀態信號、油門踏板信號等。
為實現車輛的自動緊急制動或自適應巡航等功能，除了需要安裝毫米波雷達來為車輛提供顯示及控制信號，還需要整車其他相關零部件滿足相應設計要求。
整車硬件結構方面的設計要求包含：第一，滿足基於自適應巡航系統、自動緊急制動系統對 ESP（車身穩定系統） 在壽命、制動壓力建壓速度和噪音等要求，①ESP 馬達低頻控制的 ECU 硬件需要升級為中頻控制的 ECU，②ESP需要更換半填充設計結構的常開閥過濾器、硬度更高的常開閥底 座等硬件；第二，增加自適應巡航功能操作硬件控制開關； 第三，對車輛前保險杠造型作設計變動。
整車軟件方面的設計要求包含：第一，需要ESP提供車輪轉速、橫擺角速度、制動壓力等信號給毫米波雷達；第二，需要 EMS（發動機電子控制單元）提供發動機轉速信號和油門踏板位置信號等，且必須滿足根據毫米波雷達指令及時響應扭矩請求的要求；第三，需要TCU（變速箱控制單元）提供檔位信息；第四，需要儀表增加自適應巡 航系統、自動緊急制動系統工作指示燈和報警指示燈，增加相關系統所需的顯示信息，第五，在導航上設置相關功能的設置軟開關。
某國產雷達的布置要求
5. 毫米波雷達市場
據麥姆斯咨詢研究表明，2016年中國汽車預裝毫米波雷達的數量達到105萬個，其中24GHz雷達占比63.8%，77GHz雷達占比36.2%。24GHz 雷達現在主要應用於盲點探測（BSD），市場需求來自中國品牌汽車型號；77GHz 雷達主要用於自適應巡航控制系統（ACC），有些公司也將其用於前向碰撞預警（FCW）和自動緊急制動（AEB）。根據中國新車評價規程（C-NCAP），自動緊急制動系統（AEBS）將在2018年納入評分體系，因此 77GHz 雷達需求將會上升。
全球毫米波雷達呈現壟斷競爭格局，77GHz毫米波雷達主要市場基本被國際零部件巨頭所占據，2016年博世、大陸全球市場份額達到35%，其次為海拉、富士通天、電裝、采埃孚等。
目前中國毫米波雷達發展迅速，有許多廠家已經具有量產24GHz毫米波雷達能力（見附件），預計未來短期內，國產 24GHz 毫米波雷達將呈現出大幅增長，而 77GHz 毫米波雷達的大規模應用由於設計難度和射頻芯片供應鏈體系等因素，國產化進程將稍微推后；從中長期發展來看，77GHz 毫米波雷達將有機會突破設計和供應鏈的瓶頸，進入國產替代高峰期。同時，很多自主企業已經開始布局 79-81GHz 的下一代毫米波雷達，未來很可能形成長距離探測的77GHz雷達與短距離探測的 79GHz 雷達格局。
國外廠家77GHz雷達參數對比
6. 未來發展方向
1） 市場前景
中國是全球最大汽車生產和消費國家，2015年中國汽車市場已經達到了1.7億輛的保有量（其中私家車有1.25億輛），並且今后將按每年近2000萬輛的增速快速發展。中國汽車市場占全球汽車銷量30%以上，但ADAS份額卻顯著低於30%。隨着消費結構升級和中產階級購車需求的增加，未來基於毫米波雷達的ADAS需求量呈現爆發式增長。2015年全球毫米波汽車雷達市場規模約為19.4億美元，預計2018年將達34.7億美元，到2020年全球毫米波雷達市場規模將超50億美元。
據調查，國內2014年汽車毫米波雷達銷量約為120萬顆，2015年約為180萬顆。主要應用為盲點檢測和后方車輛提醒的中短距雷達（24Ghz），每車需要兩顆。2016年中國汽車銷售量為2802.82萬輛，如果2015-2020年我國的乘用車復合增速為4%，到 2020年乘用車全年銷量將近約為3000萬輛。汽車銷售預計峰值達到4200萬輛。 國內汽車消費結構升級，無人駕駛汽車市場需求擴大，將帶動國內毫米波雷達前后裝市場需求爆發式增長。2015年中國毫米波雷達市場規模約為18億元，預計2018年將達41.4億元，到2020年中國毫米波雷達或將超72.1億元。
2） 發展趨勢
目前，在毫米波頻段，開放給民用的波段有24GHz\60GHz\77GHz\120GHz，其中，24GHz和77GHz在汽車中都有應用，24GHz開放得最早，目前應用較普遍。24GHz主要面向5-70m的中短距探測，主要應用有BSD\LDW\LKA \LCA\PA等。77GHz主要面向100-250米的中長距探測，例如ACC \ FCW \AEB等。但隨着車用雷達系統對精度要求的提升，77GHz將是未來的主流。已經有不少公司開始推出77GHz的中距離雷達用於替代24GHz雷達在BSD等系統中的應用。所以，展望未來，體積更小、探測距離更長的77GHz雷達將會擠壓 24GHz 雷達的市場空間。
