车载毫米波雷达系统设计以及在自动驾驶里的应用

狄新辉

摘要：随着全球智能驾驶进入产业化与商业化的准备期，车载毫米波雷达凭借其优异性能已成为不可或缺的环境感知传感器并在硬件技术和应用算法上得到迅猛发展，尤其是在预防交通事故方面起着至关重要的作用。在汽车辅助驾驶和自动驾驶系统中，毫米波雷达是重要的一环，它可以在恶劣的天气和复杂的路况下有比较好的跟踪效果。本文以毫米波雷达系统设计及相关应用技术为切入点对车载毫米波雷达的系统进行了介绍，分别讨论了长距、中距和短距车载毫米波雷达的原理、特点及应用，以及对下一代毫米波雷达做了技术展望。

关键词：车载毫米波雷达;自动驾驶

1引言

毫米波雷达指工作在毫米波波段的雷达，是测量被测物体相对距离、相对速度、方位的高精度传感器，早期被应用于军事领域，随着雷达技术的发展与进步，毫米波雷达传感器开始应用于汽车电子、无人机、智能交通等多个领域。

毫米波雷达作为汽车主动安全领域关键传感器部件，可有效穿透雾、烟、灰尘，实现全天时、全天候工作负荷要求。目前汽车辅助驾驶系统安装毫米波雷达近年来快速增加，主要产品有车载自适应巡航装置（ACC）、自动紧急制动（AEB），前端碰撞预警系统（FCW）、辅助变道系统（LCA）、自动跟车系统（S&G）、车尾端盲区探测装置（BSD）、侧向探测系统（CTA）等车载应用毫米雷达。车载雷达通过对目标大小、速度（相对）、距离、角度、数量等参数进行测量、计算、分析、显示、预警、自动控制等操作。随着汽车市场的日益开拓，车载毫米波雷达技术测量精度更高，數据处理时间更短，探测目标更密集且搜索预警半径更大，安全可靠性更高端。而且随着技术不断成熟，车载毫米波雷达生产成本更加低廉，将能够满足无人驾驶雷达系统需求。

2车载毫米波雷达的现实意义

随着ADAS市场渗透率加速提升，车载毫米波雷达一些关键部件需求量逐年递增。[1]车载毫米波雷达分配的频段各有不同，但主要集中在 24GHz 和 77GHz，少数国家（如日本）采用 60GHz 频段。由于 77G 相对于 24G 的诸多优势，未来全球车载毫米波雷达的频段会趋同于 77GHz 频段（76-81GHz）而目前我国车载雷达核心配件市场多依赖进口，国内自主车载毫米波雷达产品以 24GHz、77GHz为主。据世界专业预测机构分析，明年我国ADAS市场30%渗透率进行估算，每套ADAS配备4个短距和1个长距毫米波雷达计算，则整个车载毫米波雷达市场需求总量会达7200万个，中国汽车毫米波雷达行业的产值会达到400 亿元人民币，目前，中国已经成为全球最大的汽车消费市场。毫米波雷达作为车辆自动驾驶的重要传感器之一需要投入更多的技术力量去突破现有的雷达性能，一方面研究硬件设计努力降低成本，另一方面要提升雷达自身的性能限制，提高其角度分辨率，采用更多的收发通道设计和更复杂的阵列天线，再配合更加高级的信号处理算法。

总之毫米波雷达对于未来自动驾驶有着非常重要的意思，它在技术上还有很多的路要走，从单片微波集成电路的设计，到微波天线阵列的设计，再到雷达信号处理等等技术都需要进步。同时随着雷达性能的进一步完善，也期待毫米波雷达在驾驶应用领域有更好贡献。

3车载毫米波雷达系统设计研究

3.1 毫米波雷达系统工作原理

车载毫米波雷达原理在于内置雷达信号接收模块和发射模块，通过内置天线向外发射调频电磁波信号，信号遇到目标后反射回波，雷达系统接收模块及时接收反射回波后，对信号进行三维数字傅里叶处理、解析，从而获得高精度的周围环境目标物体间的相对速度、相对距离、角度、运动方向等物理环境信息，系统对这些信息进行识别、分类以及实施目标追踪、安全控制等，然后输出目标的状态信息和分类信息，这些信息再与车辆控制信息进行匹配和融合处理，最后为车辆行驶做决策，同时通过语音、灯光等方式对驾驶员进行提醒、警告，或者自主进行安全操作干预，从而提高了驾驶的安全性，避免事故发生。

3.2 车载毫米波雷达硬件及结构设计

车载毫米波雷达硬件要有5大部分组成：1.雷达信号处理控制器2.单片微波集成电路（MMIC）3.系统供电电源4.内部和外部通讯接口（CAN，CSI ，SPI ETH等等）5.雷达天线阵列。

3.3车载毫米波雷达的工作方式

车载毫米波雷达有不同的工作方式，根据辐射电磁波方式不同，主要分为有脉冲调制以及连续波调制两种：

3.4车载毫米波雷达的类型及应用

车载毫米波雷达可以增强驾驶员的安全性和便利性。它能精确检测出车辆前后左右不同目标物体的相对距离和相对速度，并一定程度将物体分类，可以实现提高驾驶员在光学能见度差时感知物体的能力，或在停车以及变换车道时检测隐藏在盲点的物体，根据不同的应用条件，毫米波雷达有着不同的类型，它们检测目标状态的功能也各自有同。

短距毫米波雷达

短距毫米波雷达是当前和未来汽车主动安全舒适功能的重要技术。目前流行的技术是采用77GHz的超宽带方法，它能提供实时的高的距离分辨率，同时角和速度的分辨率也有显著的改善，对于时间关键的安全功能尤为重要。短距毫米波雷达主要作为角雷达使用，其分别部署在车辆的四个角上，这样可以全方位360度的为车辆提供周围目标的状态信息，从而可以使车辆可以完成不同的驾驶辅助功能。

中距毫米波雷达

中距毫米波雷达目前设计的趋势是和短距毫米波雷达合并功能，采用远近两种扫描模式，既可以支持短距雷达的角度优势又可以支持中距雷达的距优势，两者在很多应用上已经接近一致，只要成本和性能满足未来的需求，那么中距和短距雷达可以设计成同一类，以后就只有短距雷达和长距雷达两种了

长距毫米波雷达

长短距毫米波雷达是当今车辆中使用最为广泛的雷达类型，其系统可以探测超过200米以外的目标，它可以提供出目标状态和类别给车辆做驾驶策略，因为其探测距离足够远，所以可以提前计算出碰撞时间，给司机和和车辆足够的响应时间。

3.5毫米波雷达技术展望

传统的车载毫米波雷达是自动驾驶的主要传感器，全天候的运行条件，保证了其重要的角色，主要的弱势是其有限的角分辨率性能，这对未来自动驾驶的需求形成了挑战。[2]那么提升车载毫米波雷达的角分辨率就成了热门研究，这类雷达通常称作4D雷达。它最重要的一个设计理念就是用多个单片微波集成电路级联达到更多的收发通道，再配合大量的矩阵天线设计，从而可以有更多的雷达接收数据，配合更强大的雷达处理器就可以提高角度分辨率，得到更好的目标跟踪和目标识别。随着自动驾驶的等级越来越高，车载毫米波雷达也在像成像雷达迈进，成像雷达可以提供大量的雷达点云数据，从而可以像摄像头那样采用神经网络算法来做目标识别和目标跟踪。这不仅仅需要好的算法，同时也需要有更高算力的雷达处理芯片以及高集成度的微波芯片来共同实现打造未來的高科技成像雷达。

4 车载波雷达在自动驾驶里的应用

a）中距和短距雷达 作为主要的预警功能雷达，可以检测车辆的前后左右是否有目标物体出现或者高速移动，通过计算和目标物体间的距离，再配合相对车速来判断是否需给驾驶者告警信号或者让系统采取相应的安全措施

b） 前置长距雷达+前置摄像头 融合前置的摄像头和雷达可以实现非常丰富的辅助驾驶功能，其中最重要的就是紧急制动，这个是非常重要的安全驾驶辅助功能，它可以在在紧急情况下避免发生碰撞或者可以减轻碰撞后果。这个配置是目前辅助驾驶车辆最为流行和最为经典的。

c） 恶略天气支持 毫米波雷达几乎可以不受天气的影响，对于大雾大雨天的行驶有着非常大的安全保障，它可以帮助驾驶者在视觉受限的条件下安全驾驶，可以探测到潜在发生危险的目标物体，并提前给出告警。

d） 光线条件不足 毫米波雷达工作不受光线条件的影响，可以在高眩光和微光下探测目标物体并分类，保证在紧急条件下的安全。

e）360度雷达 通过融合多个安装位置的车载雷达来完成全车360度无死角的目标跟踪，给出全车周围的目标状态，比如可以给出可行驶区域，静态和动态障碍物信息等等，有了这些信息可以大幅提升自动驾驶车辆的安全性和可靠性。

d） 复杂场景驾驶 雷达在的高可靠性是自动驾驶安全的保证，特别是在复杂场景里的应用需要更多的毫米波雷达，比如前后长距雷达，360度中短距环视雷达，左右侧向雷达

结语：通过对车载毫米波雷达的系统技术分析可以说明车载微波雷达对自动驾驶的重要性，同时也可以得出在未来发展前景是巨大的，不仅仅是商业前途，而且也是技术前景。整个毫米波雷达技术涉及到非常多的领域，从上而下推动了多个产业的发展。上游推动了辅助驾驶和自动驾驶产业落地，下游推动了微波集成电路，雷达处理器，以及先进的雷达信号处理方法，为了进一步推动车载雷达技术的前进，特别需要有更多的人加入到车载毫米波雷达系统的研究上来为了更好的汽车行驶安全，以及给驾乘人员提供了更加舒适的操控体验。

参考文献：

[1]钱若愚。车载ADAS传感器毫米波雷达解析[J]。汽车实用技术。2020，（04）：pp26-29

[2]于渊，郑银香，赵成林，魏子平，陶艺文，李斌。车载毫米波雷达目标检测与定位技术研究[J]。移动通信。2019，43（11）：pp21-27