毫米波雷达测量原理

科技改变生活，但安全永远第一

汽车作为人们最重要的交通工具，没有什么比它更能影响着人们的日常出行和生活方式。自1886年世界上第一辆三轮汽车诞生以来，人们就怀揣着无人驾驶的梦想，一直致力于发展和革新汽车技术。现在我们已经欣喜看到一些无人驾驶的概念车型面世，可就在去年3月，Uber自动驾驶汽车撞死行人一事给如火如荼的无人驾驶发展前景蒙上了一层阴影，也让人们意识到科技给人们带来方便和快捷的同时，必须牢记“安全永远第一”！

图1 世界上第一辆三轮汽车和Smart无人驾驶概念车

虽然真正的无人驾驶汽车还需等待时日，作为主动防护汽车驾驶安全的高级驾驶辅助系统（Advanced Driver Assistance Systems，简称ADAS）正在逐渐成熟和普及。ADAS主要利用安装在车上的各式各样传感器收集数据，在行驶过程中随时感知周围的环境，收集数据，进行静态、动态物体的识别、侦测与追踪，并结合导航仪地图数据，进行系统的运算与分析，从而预先让驾驶者察觉到可能发生的危险，有效增加汽车驾驶的舒适性和安全性。目前感知环境的ADAS传感器有摄像头、超声波传感器和毫米波雷达等。当然，自动驾驶汽车还需要车载激光雷达。

一直以来，激光雷达因能对周围环境实现3D感知而备受自动驾驶主流者的“宠爱”。不过无论是激光雷达还是摄像头、超声波传感器，都容易受恶劣天气环境影响导致性能降低甚至失效（恶劣天气环境往往是事故高发的主要原因），因而都存在“致命”缺陷！这种时候，毫米波雷达凭借其可穿透尘雾、雨雪、不受恶劣天气影响的绝对优势，且唯一能够“全天候全天时”工作的超强能力，成为了汽车ADAS不可或缺的核心传感器之一！

下面，我们和毫米波雷达来一次“亲密接触”，了解一下它的概念和工作原理。

01毫米波雷达——全天候全天时工作

毫米波雷达，顾名思义，就是工作在毫米波频段的雷达。毫米波（Millimeter-Wave，缩写：MMW），是指长度在1~10mm的电磁波，对应的频率范围为30~300GHz。如图2，毫米波位于微波与远红外波相交叠的波长范围，所以毫米波兼有这两种波谱的优点，同时也有自己独特的性质。毫米波的理论和技术分别是微波向高频的延伸和光波向低频的发展。

图2 电磁波谱

根据波的传播理论，频率越高，波长越短，分辨率越高，穿透能力越强，但在传播过程的损耗也越大，传输距离越短；相对地，频率越低，波长越长，绕射能力越强，传输距离越远。所以与微波相比，毫米波的分辨率高、指向性好、抗干扰能力强和探测性能好。与红外相比，毫米波的大气衰减小、对烟雾灰尘具有更好的穿透性、受天气影响小。这些特质决定了毫米波雷达具有全天时全天候的工作能力。

02大气窗口和毫米波雷达的频段划分

通常大气层中水汽、氧气会对电磁波有吸收作用，目前绝大多数毫米波应用研究集中在几个“大气窗口”频率和三个“衰减峰”频率上。所谓的“大气窗口”是指电磁波通过大气层较少被反射、吸收和散射的那些透射率高的波段。如图3，我们可以看到毫米波传播受到衰减较小的“大气窗口”主要集中在35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、220GHz频段附近。而在60GHz、120GHz、180GHz频段附近衰减出现极大值，即“衰减峰”。一般说来，“大气窗口”频段比较适用于点对点通信，已被低空空地导弹和地基雷达所采用，而“衰减峰”频段被多路分集的隐蔽网络和系统优先选用，用以满足网络安全系数的要求。

图3 毫米波不同频段大气衰减趋势图

目前，各大国的车载雷达频段主要集中在在24GHz、60GHz和77GHz这3个频段，如表1展示了主要国家车载雷达频率划分情况。其中，24GHz的波长是1.25cm（虽然24GHz的波长是1.25cm，但是目前业界也依然将其称之为毫米波），60GHz是5mm，77GHz的波长则更短，只有3.9mm。正如前面所说，频率越高波长越短，分辨率、精准度就越高。所以，精度更高的77GHz雷达正努力成为汽车领域主流传感器。

表1 主要国家车载雷达频率划分情况

03毫米波雷达的产业布局

美国、欧洲和日本在车载雷达技术研究方面处于领先地位。现在越来越多的公司和供应商投入到汽车雷达系统研制、器件开发和算法研究当中。从毫米波雷达的产业布局来看，系统目前是被海外的巨头控制着，例如大陆（Continental）、博世（Bosch）、海拉（Hella）、德尔福（Delphi）、奥托立夫（Autoliv）等，核心元器件也主要被英飞凌（Infineon）、德州仪器（TI）、意法半导体（ST）、亚德诺半导体（ADI）等垄断。相比于国外企业，车载毫米波雷达在国内仍属于起步阶段。在24GHz雷达方面，国内少数企业研发已有成果，市场化产品即将问世；但在77GHz毫米波雷达方面仍属于初级阶段，国内只有极少数企业能做到77GHz雷达的样机阶段，产业化进程仍待突破。不过，近些年国内创新创业厂商逐渐增长，比如行易道科技、华域汽车、隼眼科技、智波科技、兴玄物联、豪米波技术、意行半导体、清能华波、矽杰微电子、加特兰微电子等，并实现了部分核心技术的突破，相信打破国外企业垄断的局面指日可待！

图4 全球毫米波雷达产业链全景图

04毫米波雷达的测距与测速原理

雷达，是英文RADAR的音译，源于Radio Detection and Ranging的缩写，意思为“无线电探测和测距”，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置，这也揭示了雷达最重要任务就是检测与目标物体的距离、速度和方向。

毫米波雷达测距原理很简单，就是把无线电波（毫米波）发出去，然后接收回波，根据收发的时间差测得目标的位置数据和相对距离。根据电磁波的传播速度，可以确定目标的距离公式为：s=ct/2，其中s为目标距离，t为电磁波从雷达发射出去到接收到目标回波的时间，c为光速。

毫米波雷达测速是基于多普勒效应（Doppler Effect）原理。所谓多普勒效应就是，当声音、光和无线电波等振动源与观测者以相对速度v运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有不同。因为这一现象是奥地利科学家多普勒最早发现的，所以称之为多普勒效应。也就是说，当发射的电磁波和被探测目标有相对移动，回波的频率会和发射波的频率不同。当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射信号频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射信号频率，如图5。由多普勒效应所形成的频率变化叫做多普勒频移，它与相对速度v成正比，与振动的频率成反比。如此，通过检测这个频率差，可以测得目标相对于雷达的移动速度，也就是目标与雷达的相对速度。根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。

图5 多普勒效应

05

对于车辆安全来说，最主要的判断依据就是两车之间的相对距离和相对速度信息，特别车辆在高速行驶中，如果两车的距离过近，是容易导致追尾事故。凭借出色的测距测速能力，毫米波雷达被广泛地应用在自适应巡航控制（ACC）、前向防撞报警（FCW）、盲点检测（BSD）、辅助停车（PA）、辅助变道（LCA）等汽车ADAS中。

通常，为了满足不同距离范围的探测需要，一辆汽车上会安装多颗短程、中程和长程毫米波雷达。其中24GHz雷达系统主要实现近距离探测（SRR），77GHz雷达系统主要实现中远距离的探测（LRR）。不同的毫米波雷达“各司其职”，在车辆前方、车身和后方发挥不同的作用。

图6 毫米波雷达在汽车ADAS中的主要应用

06毫米波雷达的其它应用

毫米波雷达除了汽车ADAS应用，还在无人机、安防、智能交通、工业以及军用领域发挥着非常重要的作用。

• 无人机：主要应用体现在定高和避障两个方面。

• 安防：主要应用在一些重要的区域的安全警戒。

• 智能交通：主要应用于车辆检测、交通量调查、交通事件检测、交通诱导、超速监测、电子卡口、电子警察和红绿灯控制等。

• 工业：主要应用于工业液位计、挖掘机、重型推土机、高压电线塔附近安全施工、生产安全监测等。

• 军用：主要应用于雷达探测、导弹制导、卫星遥感、电子对抗等。

07智能毫米波雷达开发

毫米波雷达作为汽车ADAS的最核心传感器之一，目前最大的“缺陷”就是因分辨率不高，无法辨识行人和对周围障碍物进行精准的建模，而高分辨率智能雷达传感器对于实现高级自动驾驶至关重要。所以有些毫米波雷达企业正着力于开发雷达的成像技术。

为了给雷达“开眼”，各家企业各显神通，采用不同的技术进行了大胆的创新，其中表现比较突出的有：麦得威国际（Metawave）新一代成像雷达产品WARLORD和Arbe Robotics公司Ultres系统。前者采用了新型的超材料天线，能发射可操控的高度定向的电磁波束，同时在雷达产品中嵌入了AI引擎，以实现对物体的发现、识别、跟踪和分类；而后者的雷达方案是基于数学算法的合成孔径雷达（SAR）成像技术，所谓SAR成像技术是指利用大带宽发射信号实现距离向高分辨率、利用相对运动等效长合成阵列实现方位向高分辨率的雷达成像技术）。虽然这些成像技术目前还有一些待改善的地方，不过都已经取得不错的突破性进展，相信在不久的L4级和L5级自动驾驶汽车上发挥重要作用。

图7 智能雷达实现成像

结语

虽然无人驾驶汽车大范围上路还很遥远，除了技术和成本的因素，还有相关的法律和伦理问题尚待解决。但是，ADAS作为自动驾驶的“初级形式”，已经可以让我们在特定环境内体验到未来无人驾驶汽车的乐趣！各种不同类型、不同层次的自动驾驶技术将呈现共同发展，各自覆盖不同市场需求和不同商业模式的情形。

毫米波雷达、摄像头、激光雷达等传感器各有优劣势，为了保证安全永远第一，多传感器融合是大势所趋，这也为更高阶的自动驾驶方案的实现提供了必要的技术储备。随着创新的智能3D成像雷达的技术不断完善，甚至可以奢望毫米波雷达可部分取代昂贵的激光雷达。总之，无论是现阶段的ADAS，还是更高阶的自动驾驶，甚至是终极的无人驾驶，毫米波雷达作为唯一能够全天候全天时工作的传感器都将是不可或缺的环境感知传感器，为我们的出行安全“保驾护航”！