一、车载雷达的发展
随着 ADAS 市场渗透率快速提升,核心零部件的毫米波雷达市场需求也进入快速上升通道。在L1-L3级自动驾驶中,毫米波雷达被用于目标侦测和目标分离,从而实现各种ADAS主动安全应用,在L4-L5级自动驾驶系统中搭载毫米波雷达成像技术。随着自动驾驶等级的提高和多种主动安全应用的搭载,长距(LRR)、中距(MRR)、短距(SRR)车用毫米波雷达的装配数量会大幅提升,并最终实现360度全覆盖化。相比于国外企业,车载毫米波雷达在国内仍处于起步阶段,民用的毫米波雷达追求系统的小型化和低成本。90 年代,77GHz 毫米波雷达采用的还是砷化镓 (GaAs) 的工艺,一个毫米波雷达中,配7-8颗以上的前端射频芯片,再配上3-4颗基带芯片,成本非常昂贵;2000 年初,锗硅 (SiGe) 工艺快速发展,同时也得益于集成度的提高,毫米波雷达成本不断下探,但依旧不够亲民;由于技术水平提高、应用场景拓展,需求量的激增又降低了产品成本,最终将 CMOS 工艺的毫米波雷达芯片推上了历史舞台。
图一 毫米波雷达的发展历程
二、车载毫米波雷达工作原理
毫米波雷达通过天线发射调频连续波(FMCW),经目标反射后接收到的回波与发射波存在一个时间差,利用该时间差可计算出目标距离。通过信号处理器分析发射与反射信号的频率差异,基于多普勒原理,可以精确测量目标相对于雷达的运动速度,进一步通过多目标检测与跟踪算法,实现多目标分离与跟踪。
车载毫米波雷达通过天线向外发射毫米波,接收目标反射信号,经后方处理后快速准确地获取汽车车身周围的物理环境信息(如汽车与其他物体之间的相对距离、相对速度、角度、运动方向等),然后根据所探知的物体信息进行目标追踪和识别分类,进而结合车身动态信息进行数据融合,最终通过中央处理单元(ECU)进行智能处理。经合理决策后,以声、光及触觉等多种方式告知或警告驾驶员,或及时对汽车做出主动干预,从而保证驾驶过程的安全性和舒适性,减少事故发生率。
图二 毫米波雷达在自动驾驶中的工作流程
三、主流应用频段
目前,车载毫米波雷达工作频率一般为 24GHz 和 77GHz, 24GHz 毫米波雷达应用于盲区探测(BSD)、辅助变道(LCA)等场景,77GHz 毫米波 雷达应用于前向碰撞预警(FCA)、自适应巡航(ACC)等场景。根据欧洲电信标准协会(ETSI)和联邦通信委员会(FCC)制定的频谱法规和标准,24 GHz 车载雷达将逐渐退出美国和欧洲市场,被 77 GHz 车载雷达取代。Yole Développement 预测,全球车载雷达市场到 2025 年将达到 86 亿美元,年复合年增长率达 15.6%如图三所示。此外,波长更短、探测精度更高的 79GHz 毫米波 雷达是未来行业突破的热点之一。随着技术的发展与成熟,毫米波雷达天花板日益凸显,未来技术领域突破较小。
图三 Yole Développement对球车载雷达市场的预测
长期来看,车用毫米波雷达最终会统一到76-81GHz频段上,原因主要有两方面:
(1)24GHz在带宽和使用范围上受限。我国工信部对24GHz车用雷达的频段划分为24.25-26.65GHz,带宽为2.4GHz,扩展空间有限。另外,我国射电天文台址周围5公里范围内,禁止使用24GHz短距离车用雷达设备。
(2)76GHz-81GHz技术优势。76GHz-81GHz相比于24GHz,物体分辨准确度提高2-4倍,测速和测距精确度提高3-5倍,能检测行人和自行车;且设备体积更小,更便于在车辆上安装和部署;该频段是全球装配永久认可的权威频段,因此更适用于全球车辆平台。采用MIMO(多输入多输出)阵列扫描技术的79GHz成像雷达还可以获得目标的高度信息,从而实现真正意义的毫米波成像,79GHz成像雷达将成为未来车用中短距离MRR和SRR的主流,与摄像头、激光雷达结合实现多传感器融合。 77GHz毫米波雷达的优势: √带宽更宽:与可用频率为24GHz的200 MHz带宽相比,77GHz的带宽明显更高; √尺寸更小:相同的应用条件下,77GHz天线板的尺寸更小; √波束更窄:77GHz具有较高的RF频率,在相同的应用下实现更窄的波束。
四、毫米波雷达将如何发展?
1.高分辨率
高分辨率一直是毫米波雷达的技术指标,这里有两条技术路线:
(1)增加带宽,如76-81GHz,最大带宽可达5GHz。
(2)多级联,增加通道数。
在2017年,德州仪器推出了号称全球精度最高单芯片毫米波雷达传感器,也就是工作与76-81GHz的AWR1x和WR1x收发器,然后基于这两片收发器推出了数个76-81GHz毫米波雷达前端,包括AWR124、AWR1443、AWR1642。
2.MIMO MIMO雷达基本含义:雷达采用多个发射天线,同时发射相互正交的信号,对目标进行照射,再用多个接受天线接收目标回波信号并进行综合处理,提取目标空间位置,运动状态等信息。 3.CMOS RF工艺 毫米波雷达最突出的优势是价格低廉,即便是和视觉系统相比价格也不高。同时毫米波雷达是主动型器件,而视觉系统是被动型器件,主动型器件有比较广阔的挖掘潜力,而被动型器件CMOS图像传感器自问世以来,整体结构未有变化。而收发器从Sige转换为硅基CMOS后,性价比进一步提升。