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毫米波雷達(dá)的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)； 毫米波雷達(dá)測距原理，測速原理，角速度測量原理； 毫米波雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)。
毫米波雷達(dá)：ADAS/自動駕駛核心傳感器 毫米波的波長介于厘米波和光波之間， 因此毫米波兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)： 1）同厘米波導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭具 有體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點(diǎn)； 2）與紅外、激光等光學(xué)導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，具有全天候全天時的特點(diǎn)； 3）性能穩(wěn)定，不受目標(biāo)物體形狀、顏色等干擾。毫米波雷達(dá)很好的彌補(bǔ)了如紅外、激光、超聲波、 攝像頭等其他傳感器在車載應(yīng)用中所不具備的使用場景。 毫米波雷達(dá)的探測距離一 般在150m-250m之間，有的高性能毫米波雷達(dá)探測距離甚至能達(dá)到300m，可以滿足汽車在高速運(yùn)動時探測較大范圍的需求。與此同時，毫米波雷達(dá)的探測精度較高。
毫米波雷達(dá)——全天候全天時工作 毫米波雷達(dá)，顧名思義，就是工作在毫米波頻段的雷達(dá)。毫米波(Millimeter-Wave，縮寫：MMW)，是指長度在1~10mm的電磁波，對應(yīng)的頻率范圍為30~300GHz。如圖2，毫米波位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長范圍，所以毫米波兼有這兩種波譜的優(yōu)點(diǎn)，同時也有自己獨(dú)特的性質(zhì)。毫米波的理論和技術(shù)分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發(fā)展。
圖2 電磁波譜 根據(jù)波的傳播理論，頻率越高，波長越短，分辨率越高，穿透能力越強(qiáng)，但在傳播過程的損耗也越大，傳輸距離越短;相對地，頻率越低，波長越長，繞射能力越強(qiáng)，傳輸距離越遠(yuǎn)。所以與微波相比，毫米波的分辨率高、指向性好、抗干擾能力強(qiáng)和探測性能好。與紅外相比，毫米波的大氣衰減小、對煙霧灰塵具有更好的穿透性、受天氣影響小。這些特質(zhì)決定了毫米波雷達(dá)具有全天時全天候的工作能力。 大氣窗口和毫米波雷達(dá)的頻段劃分 通常大氣層中水汽、氧氣會對電磁波有吸收作用，目前絕大多數(shù)毫米波應(yīng)用研究集中在幾個“大氣窗口”頻率和三個“衰減峰”頻率上。所謂的“大氣窗口”是指電磁波通過大氣層較少被反射、吸收和散射的那些透射率高的波段。如圖3，我們可以看到毫米波傳播受到衰減較小的“大氣窗口”主要集中在35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、220GHz頻段附近。而在60GHz、120GHz、180GHz頻段附近衰減出現(xiàn)極大值，即“衰減峰”。一般說來，“大氣窗口”頻段比較適用于點(diǎn)對點(diǎn)通信，已被低空空地導(dǎo)彈和地基雷達(dá)所采用，而“衰減峰”頻段被多路分集的隱蔽網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)優(yōu)先選用，用以滿足網(wǎng)絡(luò)安全系數(shù)的要求。
圖3 毫米波不同頻段大氣衰減趨勢圖 目前，各大國的車載雷達(dá)頻段主要集中在在24GHz、60GHz和77GHz這3個頻段，如表1展示了主要國家車載雷達(dá)頻率劃分情況。其中，24GHz的波長是1.25cm(雖然24GHz的波長是1.25cm，但是目前業(yè)界也依然將其稱之為毫米波)，60GHz是5mm，77GHz的波長則更短，只有3.9mm。正如前面所說，頻率越高波長越短，分辨率、精準(zhǔn)度就越高。所以，精度更高的77GHz雷達(dá)正努力成為汽車領(lǐng)域主流傳感器 毫米波的基本特性大家都知道雷達(dá)使用電磁波，電磁波這個媒介決定了微波雷達(dá)區(qū)別于超聲、聲吶等其它方法。 電磁波是交變電磁場，在自由空間傳播，這個電磁場交變的頻率，決定了雷達(dá)的基本屬性。當(dāng)然，波長和頻率是一個等效的概念。電磁波按頻率劃分有這么幾個典型的頻段： 平時用的無線電是低于300Mhz的頻段，主要是AM，F(xiàn)M廣播使用。 微波頻段是通信和雷達(dá)使用的主要頻段，這是個很寬的頻，有300Mhz--300GHz，我們要講的毫米波是微波的一個子頻段。 大家可以看到的是，可見光、紅外、激光等，這些也是電磁波的一種但是由于頻率的不同，它和微波頻段的特性有很大差異。 所以所基于可見光、紅外、或者激光的方法一般就嚴(yán)格的講就不叫雷達(dá)了，雖然激光的機(jī)理和雷達(dá)可能是類似的。 那么不同頻段的電磁波主要的區(qū)別在哪里呢？就是以下這幾個特性，當(dāng)電磁波在空間傳播的時候，它傳播的介質(zhì)一改變，就會發(fā)生反射、吸收、透射、衍射等現(xiàn)象。不同頻段的電磁波，這幾種現(xiàn)象的占比就很大差異。 那么我們知道無論是雷達(dá)、主動紅外、激光雷達(dá)都是基于反射這個特性，不同頻率的電磁波在反射特性上就有很大差異，這個一方面取決于介質(zhì)，也就是反射面的材質(zhì)。比如金屬的材質(zhì)更容易反射微波，水主要會吸收電磁波，那么水下我們就很少使用雷達(dá)。同時，這個反射、透射等特性還取決于電磁波的頻率。比如我們的廣播，一般在屋里也能接收到，但是wifi在隔了幾堵墻可能就很弱了，紅外和光根本就一張紙可能也透不過去。這是因為，波長越長，越容易發(fā)生透射和衍射現(xiàn)象，而波長越短，則很容易被反射。 一般來講電磁波波長和介質(zhì)的尺寸之間的關(guān)系，如果大于，那么就容易透過和衍射，如果小于則容易反射。當(dāng)然這里特別的是射線，因為他基本以粒子屬性為主，所以基本不能看做是波了。 我們要講的毫米波的波長是1cm到1mm之間，這個波長是很短的，它靠近太赫茲或者紅外，但是比這兩者的波長還長很多，這個波長早期開發(fā)起來難度很大，是近十年左右才利用起來的。 就像剛剛我們講的，我們現(xiàn)在能用來通信和處理的電磁波頻率越來越高，現(xiàn)在已經(jīng)講太赫茲、可見光通信了，這得益于技術(shù)的發(fā)展。毫米波這個波段30---300GHz，頻率很高，但是這個頻段里很多頻率區(qū)域的電磁波在空氣里傳播很容易被水分子、氧氣吸收，所以可用的就是幾個典型的頻段，也就是這里列出來的24、60、 77,、120GHz。當(dāng)然24GHz很特別，他嚴(yán)格來講不是毫米波，因為它的波長在1cm左右。但是它是最早被利用的?，F(xiàn)在各個國家把24GHz劃出來可以民用，77GHz劃分給了汽車防撞雷達(dá)，24Ghz也在汽車?yán)镉玫米钤纭?/p> 毫米波由于它的波長很短，就有別于無線電和較低頻的微波，根據(jù)剛才說的反射特性等特點(diǎn)來講，首先它很接近于光的傳播特性，對于較小的反射面（物體）也能較好的反射，另外由于頻率很高，它可調(diào)制的帶寬非常大。還有，一會我們會說到，由于波長很短，天線就可以很小。但是由于波長小，在空間傳播很容易被阻擋和吸收，那么也就導(dǎo)致它作用距離不可能太遠(yuǎn)，當(dāng)然這個遠(yuǎn)近是相對其他波段來說的，一般作用距離1km以內(nèi)。 毫米波雷達(dá)的檢測、測距、測速和角度測量下面我們來說一下毫米波雷達(dá)。 我們知道雷達(dá)就是發(fā)射電磁波并通過檢測回波來探測目標(biāo)的有無和遠(yuǎn)近的一種電子裝置。這個和超聲、主動紅外、激光都一樣。只不過我們強(qiáng)調(diào)用了Radio。 毫米波和大多數(shù)微波雷達(dá)一樣，有波束的概念，也就是發(fā)射出去的電磁波是一個錐狀的波束，而不像激光是一條線。這是因為這個波段的天線，主要以電磁輻射，而不是光粒子發(fā)射為主要方法。這一點(diǎn)，雷達(dá)和超聲是一樣，這個波束的方式，導(dǎo)致它優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)，可靠，因為反射面大，缺點(diǎn)，就是分辨力不高。 毫米波雷達(dá)可以對目標(biāo)進(jìn)行有無檢測、測距、測速以及方位測量。 判斷有沒有目標(biāo)很簡單，判斷回波有沒有就行了。 測距也簡單，都是基于TOF原理，但是我們說電磁波的傳播速度是光速，所以這個帶來了一定的挑戰(zhàn)。剛才我們說毫米波雷達(dá)作用距離都不太遠(yuǎn)，比如我們說汽車或者無人機(jī)，那么探測距離就很近，回波和發(fā)射波間隔就非常短，所以一般并不太適合使用簡單的發(fā)射脈沖方式，所以現(xiàn)在主要是用FMCW方式較多。
毫米波雷達(dá)測速和普通雷達(dá)一樣，有兩種方式，一個基于dopler原理，就是當(dāng)發(fā)射的電磁波和被探測目標(biāo)有相對移動、回波的頻率會和發(fā)射波的頻率不同。通過檢測這個頻率差可以測得目標(biāo)相對于雷達(dá)的移動速度。但是這種方法無法探測切向速度，第二種方法就是通過跟蹤位置，進(jìn)行微分得到速度。
最后一個，是毫米波雷達(dá)的側(cè)向，雷達(dá)對目標(biāo)方位的探測主要基于一種方法，就是使用較窄的波束。因為當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)在波束里，我們一般沒有辦法判斷目標(biāo)具體在這個波束內(nèi)部的那個方向，所以我們必須把波束做窄，當(dāng)然能和激光一樣最好，但是這個很難。那么把波束做窄，有幾種方法，一種使用有向天線，比如喇叭天線或者透鏡天線。還有一種方法，就是使用多根天線+陣列信號處理的方法。對于毫米波來講，由于波長很短，所以我們做很多根天線的代價就很?。ㄟ@個代價指價格、尺寸），所以毫米波雷達(dá)大量使用陣列天線的方式來構(gòu)成窄波束，能多窄呢？比如3度，5度這樣，是汽車常用的。當(dāng)然這個和激光還不能比，但是已經(jīng)很好了。 毫米波雷達(dá)的基本技術(shù)
民用毫米波雷達(dá)首先應(yīng)用的方向是汽車應(yīng)用，大約199X年的時候，毫米波雷達(dá)就被用于汽車的ACC功能（自適應(yīng)巡航）了，也就是在高速上跟著前車跑，他慢你慢，他快你快，保持一定距離。這依賴于毫米波長達(dá)200米以上的距離探測功能，其它手段是很難做到的。到后來，又陸續(xù)發(fā)展為防撞、盲區(qū)探測等其它功能，但是這個技術(shù)一直很貴，并且對國內(nèi)封閉，直到2012年，出現(xiàn)了芯片級別的毫米波射頻芯片，這個技術(shù)的門檻一下降低了，所有應(yīng)用打開了一個窗口。
毫米波雷達(dá)一般有這么幾個構(gòu)成部分：天線、射頻、基帶、以及可能的控制層。
我們一個一個來說，首先天線。 剛才我們講，毫米波雷達(dá)波長幾個毫米，由于天線尺寸和波長相當(dāng)，所以毫米波雷達(dá)的天線可以很小，從而可以使用多根天線來構(gòu)成陣列天線，達(dá)到窄波束的目的，隨著收發(fā)天線個數(shù)的增多，這個波束可以很窄很窄。另外一個因素是，由于波長很小，毫米波可以使用一種”微帶貼片天線“，就是圖片里這個樣子，在pcb板上的ground層上鋪幾個開路的微帶線，就能做天線。這個導(dǎo)致毫米波雷達(dá)的天線可以做成pcb板。和大家常見的wifi和藍(lán)牙的pcb天線很像。當(dāng)然，由于毫米波的頻率很高，那么一般需要高頻板材。實際上國內(nèi)在一兩年前，都還不具備制作這個天線的能力。
接著是毫米波雷達(dá)的射頻部分。 剛才我們提過，早些年用離散器件搭難度很大，只有幾個大廠能做，并且形成了技術(shù)壁壘，但是芯片級別的毫米波射頻芯片的推出，門檻迅速下降，之前幾萬塊錢的毫米波雷達(dá)，現(xiàn)在可以1000塊左右了。當(dāng)前使用sige工藝的片子還略貴，很多廠家在研發(fā)cmos工藝的，如果成功，可能就白菜價了。
最后是毫米波雷達(dá)的數(shù)字信號處理部分。 這部分就是一些算法，主要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。這個就不展開了，因為涉及的面太多了。雷達(dá)的原理是簡單的，但是要做好，功夫就都要下在這個地方。
另外，還有一些廠家的方案，都是從射頻帶基帶一體的解決方式，我們可以預(yù)見，不遠(yuǎn)的將來，集成程度會更高，到時候都是單芯片的方案了。
毫米波雷達(dá)的兩個應(yīng)用一個當(dāng)然就是汽車。 由于毫米波雷達(dá)的距離遠(yuǎn)、可靠性高、不受光線、塵埃影響，相比攝像頭，它距離150米以上的特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝出。相比激光，1000塊左右的價格也是大大勝出。所以現(xiàn)在仍然是主流技術(shù)。
當(dāng)然剛才我們提到它分辨力略低，那么和攝像頭的融合必然是一個趨勢。
當(dāng)然，激光雷達(dá)在拼命的技術(shù)革新，想把價格降下來。由于技術(shù)和價格的迅速普及，原來只有50萬以上的車才有的毫米波雷達(dá)，現(xiàn)在十幾萬的車上也慢慢開始裝了，而且，telsa這樣ADAS領(lǐng)導(dǎo)者，也開始從汽車?yán)走_(dá)廠商挖技術(shù)主管，并且在九月份開始裝配到它的電動車上了?？梢钥闯鰜?，毫米波雷達(dá)在汽車上的應(yīng)用還是主流技術(shù)。
另一個就是無人機(jī)。
我們常講，汽車和無人機(jī)其實是很像的：高速移動，安全第一。 高速，必然要求，探測距離足夠遠(yuǎn)。安全，必然要求檢測方法的魯棒性，和受環(huán)境影響小。 當(dāng)然在某些應(yīng)用里，無人機(jī)的環(huán)境比汽車也要復(fù)雜一點(diǎn)。 毫米波雷達(dá)在軍事有人機(jī)、無人機(jī)早已大規(guī)模應(yīng)用。 其在無人機(jī)的第一個應(yīng)用，也是目前市場最大的，是植保無人機(jī)的定高應(yīng)用。
我們知道gps和氣壓計測的是海拔高度，而植保時，我們希望無人機(jī)在作物上方固定的高度飛行，無論地面和植被是否起伏。這個也叫仿地飛行。這種應(yīng)用有很多的解決方案，比如我們說的超聲、激光、紅外、雙目等等。但是由于植保環(huán)境大多很差，有很大的灰塵，還有水霧，那么超聲和基于光學(xué)的都會受到很大干擾。
目前來看，基于毫米波雷達(dá)的高度計，表現(xiàn)是最穩(wěn)定的，首先他能穿透塵埃水霧，另外也基本不受什么干擾?；诓ㄊ?，而不是點(diǎn)反射，高度恰恰反映植被葉片高度。 無人機(jī)方面第二個應(yīng)用就是避障。 這個同樣是一個多種傳感器爭奪的戰(zhàn)場。但是我們講毫米波雷達(dá)有不受光線影響、作用距離有非常大、可靠等優(yōu)勢，而這些優(yōu)勢在軍事有人機(jī)、汽車、無人機(jī)方面都被證明。
當(dāng)然，雷達(dá)的分辨力確實較低。但是我們講過，由于陣列天線的優(yōu)勢，其實這個是可以有很大提高的，有3-5度的分辨力是有可能的。在美國這個避障比賽里，我們用毫米波雷達(dá)是得了第一的。所以請大家也有信心。這里有一個對比圖，大家可以看一看。
所以我們說毫米波雷達(dá)是有很大的調(diào)整空間的，比如波束寬度、作用距離、價格等。我們相信毫米波雷達(dá)在無人機(jī)測高、避障上優(yōu)勢很明顯，但也有需要光學(xué)來補(bǔ)充的地方。因此，我們提出這樣一個架構(gòu)，使用毫米波雷達(dá)進(jìn)行360度避障，和高度測量。
當(dāng)然這樣的架構(gòu)下，也需要更強(qiáng)的飛控處理平臺和技術(shù)。
轉(zhuǎn)自：http://www.eepw.com.cn/article/201807/383071_2.htm |
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