毫米波雷达
1. 毫米波雷达的应用与特点
1）车载毫米波雷达研究意义
随着现代科学技术的快速发展以 及人们生活水平的显著提高，车辆的使用量急剧增加，相应的交通事故也急剧上升。大量交通事故数据表明， 80％以上的车祸是由于驾驶员操作失误引起的，65％的车辆相撞是追尾事故，其余的属于侧面或者正面相撞。 经相关研究得出，如果汽车司机有0．5 秒的额外反应时间，60％的追尾、撞车事故可以避免，而若有1秒的额外 反应时间，则90％的追尾、撞车事故 可以避免。如此显著的作用和效果，有力地促进了汽车防撞系统的发展和应用。作为汽车防撞系统的核心部件之一，汽车防撞雷达成为了近年来的研究热点。
2）车载毫米波雷达特点
汽车防撞雷达主要有超声波雷达、激光雷达、毫米波雷达等类型。相比于其他类型的雷达，毫米波雷达穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候（大雨天除外）全天时的优点。其缺点是无法识别物体颜色；视场角较小，需要多个雷达组合使用；行人的反射波较弱，难以识别。
2. 毫米波雷达工作原理
毫米波雷达通过微带阵列天线向外发射毫米波（调频连续波），接收目标反射信号，处理后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、方位角度等），然后根据所探知的物体信息进行识别和目标追踪，进而结合车身动态信息进行数据处理。经合理决策后，以声、光及触觉等多种方式警告驾驶员，或及时对汽车做出主动干预，减少事故发生几率。工作原理图如下图一所示。
图一：雷达工作原理
1） 雷达测距测速原理
毫米波雷达通过天线向外发射调频连续波（三角波），接收目标反射信号如图二，与本频发射频率混频出中频信号 IF，对中频信号 IF 处理，从而获得目标距离和速度信息。反射波与发射波形状相同：存在一个时间差△t，还包括一个多普勒频移 fd。雷达发射信号与反射信号如图三所示，雷达识别的运动目标与静止目标的反射信号如图四所示。
根据距离公式，求出相距目标的距离：
根据多普勒原理，求出相对目标的相对速度：
图三：雷达测速原理
图四：发射信号与反射信号
图五：运动目标与静止目标的反射信号
2） 雷达测距测角原理
角度测量是探测“目标与天线中心线的连线”与法线的夹角，用于目标定位，从而获得目标与本车位置信息。天线一般需设置为一发两收，采用比相法来实现测角功能。毫米波雷达测角原理图如图六所示。其中接收天线之间相隔距离为d，造成回波信号一前一后的到达接收天线，导致两根天线同时接收到的信号在相位上相差一个 Δφ，θ 为待测角度， 经计算得出：
图六：毫米波雷达测角原理图
3） 雷达目标识别
毫米波雷达的目标识别基本原理是：利用雷达回波中的幅度、相位、频谱和极化等目标特征信息，通过数学上的各种多维空间变换来估算目标的大小、形状等物理特性参数， 最后根据大量训练样本所确定的鉴别函数，在分类器中进行识别判决，内容包括目标识别预处理、特征信号提取、特征空间变换、模式分类器及样本学习等模块。其中特征信号提取是指毫米波雷达采集提取其发射的电磁波与目标相互作用产生的各种信息，包括：RCS（雷达散射截面积）以及其他特征参数，常用的特征参数有目标的结构外形特征、 目标的动态特征和回波波形特征等；而特征空间变换的目的为：改变原始数据分布结构、压缩特征空间的维数（降低）、去除冗余特征，常用的特征变换技术：K-L 变换（去冗余）和 Walsh变换（降维）等。毫米波雷达的目标识别原理图如图七所示。
图七：毫米波雷达目标识别原理
毫米波雷达的目标识别的方法有两种：基于模板的方法和基于模型的方法。基于模板的方法是指：毫米波雷达直接从目标回波中提取有直观物理意义的特征或目标图像作为模板，通过实测模板与模板库的比较进行分类；基于模型的方法是指：在大量训练样本的基础上，建立目标回波或图像的数学模型，通过比较实测回波特征与模型预测特征进行分类。
4） 雷达目标跟踪
目标跟踪系统有目标信息预处理、目标跟踪处理、目标 滤波处理等模块组成。其中目标信息预处理主要包括目标回 波的处理、目标检测、点迹凝聚、参数计算等，相关定义如 下。
①回波处理：主要包括回波的解调、信号的 FFT 变换等；
②目标检测：目标的门限检测、虚警率控制处理；
③点迹凝聚：主要对多个回波信号进行重心、质心等计算，估算目标位置；
④参数计算：通过各种处理模型算法计算出目标的位置 及运动参数信息。
目标跟踪处理及滤波主要包括目标预测、目标相关、目 标滤波等。目标预测是指根据前一时刻的值预测当前时刻的 状态；目标相关是指预测信息与存在目标信息的关联度判断 参数计算（距离、速度、方位等）；目标滤波是指根据测量结 果对预测结果进行修正，主要滤波函数为 Kalman 滤波。
3. 毫米波雷达硬件组成
毫米波雷达主要由天线、射频 MMIC、基带信号处理三部分组成，其中射频MMIC是最核心的部件。现在的毫米波雷达采用“微带贴片天线”使得天线体积更小、重量更轻。雷达射频前端单片微波集成电路（MMIC）用于产生和接收射频信号，目前主流的芯片是 SiGe 工艺。 不过如富士、德州仪器等公司开发出了 CMOS 工艺的毫米波射频芯片，使得成本大幅降低。基带信号处理部分主要是算法，是毫米波雷达稳定性、可靠性的核心。数字处理包括阵列天线的波束形成算法、信号检测、测量算法、分类和跟踪算法等。
1） 雷达天线高频PCB板
天线是汽车毫米波雷达有效工作的关键设计之一， 同时也是毫米波车用雷达能否赢得市场的关键。毫米波雷达天线的主流方案是微带阵列，简单说将高频PCB板集成在普通的PCB基板上实现天线的功能，需要在较小的集成空间中保持天线足够的信号强度。77Ghz雷达更高规格的高频PCB板，77GHz雷达的大范围运用将带来相应高频PCB板的巨大需求。例如博世的LRR3,相比于第2代LRR需要用几个砷化镓芯片生成、放大并检测77GHz微波，Bosch第3代LRR极大简化了雷达天线PCB板，仅使用1或2个英飞凌硅锗芯片。
2） MMIC(单片微波集成电路)
MMIC具有电路损耗低、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、抗电磁辐射能力强等特点。它包括多种功能电路，如低噪声放大器（LNA）、功率放大器、混频器、检波器、调制器、压控振荡器(VCO)、移相器等。毫米波雷达的关键部件前端单片微波集成电路（MMIC）技术由在国外半导体公司掌控，而高频的MMIC只掌握在英飞凌、飞思卡尔等极少数国外芯片厂商手中。国内的MMIC仍处于起步状态，厦门意行和南京米勒为正在研发雷达MMIC，相关性能仍有待验证。另外唯一的豪米波雷达国家重点实验室-东南大学也一直在研发77GHz毫米波集成电路。
整个汽车行业采用的 77GHz 毫米波汽车雷达技术方案 是多种多样的，其核心射频芯片主要来源英飞凌、恩智浦/ 飞思卡尔、意法等公司。其中英飞凌采用多芯片射频系统的毫米波雷达技术，收发通道为 2T/4R，系统特点为：2发4收，发射模块、接收模块分离，集成度较高，采用该方案来 设计 77GHz 射频前端电路具有一定的灵活性，但由于涉及到较多的控制电路设计，后期的调试工作量较大，目前未对国 内开放。飞思卡尔采用多芯片射频系统的毫米波雷达技术，收发通道为 2T/3R，系统特点为：2发3收，发射模块、接收模块分离，集成度较高，采用该方案来设计77GHz射频前端电路具有一定的灵活性，但由于涉及到比较多的控制电路设计，后期的调试工作量也较大。意法采用单芯片射频系统的毫米波雷达技术，收发通道为 3T/4R，系统特点：3 发 4 收，发射模块、接收等模块集成设计，辅以MCU等部分电路可构建雷达系统，集成度高，采用该方案来设计 77GHz 射频前端电路内部配置灵活，由于涉及到的控制电路少，后期的调试工作量较少、成本低，目前也已对国内开放。
综合情况分析如下：
通过以上的对比分析可以看出，77GHz 毫米波雷达开发及应用主要取决于前端射频芯片性能，高频段多芯片方案导致设计、调试复杂，开发难度较大。目前意法ST集成芯片为核心的架构进行77Ghz毫米波雷达开发，具有集成度高、通道多、性能好以及技术开放程度高，有利于快速开发。
4. 毫米波雷达实车匹配
毫米波雷达在整车上布置有较高的要求，只有满足相关的布置要求，毫米波雷达的功能和性能才能得到更好的保障，下表列举出了毫米波雷达的布置要求（不同的毫米波雷达装配要求也不同，下表仅作参考）。
满足毫米波雷达的整车安装布置只是其实现功能的最基本要求，为确保毫米波雷达能够实现车辆的自动紧急制动或自适应巡航等功能，还需要毫米波雷达与整车完成相关的信号通信。其中毫米波雷达需求的整车信号包含：轮速信号、横摆角速度信号、转向盘转角信号、转向盘角速度信号、ABS/TCS/VDC 状态信号、油门踏板信号等。
为实现车辆的自动紧急制动或自适应巡航等功能，除了需要安装毫米波雷达来为车辆提供显示及控制信号，还需要整车其他相关零部件满足相应设计要求。
整车硬件结构方面的设计要求包含：第一，满足基于自适应巡航系统、自动紧急制动系统对 ESP（车身稳定系统） 在寿命、制动压力建压速度和噪音等要求，①ESP 马达低频控制的 ECU 硬件需要升级为中频控制的 ECU，②ESP需要更换半填充设计结构的常开阀过滤器、硬度更高的常开阀底 座等硬件；第二，增加自适应巡航功能操作硬件控制开关； 第三，对车辆前保险杠造型作设计变动。
整车软件方面的设计要求包含：第一，需要ESP提供车轮转速、横摆角速度、制动压力等信号给毫米波雷达；第二，需要 EMS（发动机电子控制单元）提供发动机转速信号和油门踏板位置信号等，且必须满足根据毫米波雷达指令及时响应扭矩请求的要求；第三，需要TCU（变速箱控制单元）提供档位信息；第四，需要仪表增加自适应巡 航系统、自动紧急制动系统工作指示灯和报警指示灯，增加相关系统所需的显示信息，第五，在导航上设置相关功能的设置软开关。
某国产雷达的布置要求
5. 毫米波雷达市场
据麦姆斯咨询研究表明，2016年中国汽车预装毫米波雷达的数量达到105万个，其中24GHz雷达占比63.8%，77GHz雷达占比36.2%。24GHz 雷达现在主要应用于盲点探测（BSD），市场需求来自中国品牌汽车型号；77GHz 雷达主要用于自适应巡航控制系统（ACC），有些公司也将其用于前向碰撞预警（FCW）和自动紧急制动（AEB）。根据中国新车评价规程（C-NCAP），自动紧急制动系统（AEBS）将在2018年纳入评分体系，因此 77GHz 雷达需求将会上升。
全球毫米波雷达呈现垄断竞争格局，77GHz毫米波雷达主要市场基本被国际零部件巨头所占据，2016年博世、大陆全球市场份额达到35%，其次为海拉、富士通天、电装、采埃孚等。
目前中国毫米波雷达发展迅速，有许多厂家已经具有量产24GHz毫米波雷达能力（见附件），预计未来短期内，国产 24GHz 毫米波雷达将呈现出大幅增长，而 77GHz 毫米波雷达的大规模应用由于设计难度和射频芯片供应链体系等因素，国产化进程将稍微推后；从中长期发展来看，77GHz 毫米波雷达将有机会突破设计和供应链的瓶颈，进入国产替代高峰期。同时，很多自主企业已经开始布局 79-81GHz 的下一代毫米波雷达，未来很可能形成长距离探测的77GHz雷达与短距离探测的 79GHz 雷达格局。
国外厂家77GHz雷达参数对比
6. 未来发展方向
1） 市场前景
中国是全球最大汽车生产和消费国家，2015年中国汽车市场已经达到了1.7亿辆的保有量（其中私家车有1.25亿辆），并且今后将按每年近2000万辆的增速快速发展。中国汽车市场占全球汽车销量30%以上，但ADAS份额却显著低于30%。随着消费结构升级和中产阶级购车需求的增加，未来基于毫米波雷达的ADAS需求量呈现爆发式增长。2015年全球毫米波汽车雷达市场规模约为19.4亿美元，预计2018年将达34.7亿美元，到2020年全球毫米波雷达市场规模将超50亿美元。
据调查，国内2014年汽车毫米波雷达销量约为120万颗，2015年约为180万颗。主要应用为盲点检测和后方车辆提醒的中短距雷达（24Ghz），每车需要两颗。2016年中国汽车销售量为2802.82万辆，如果2015-2020年我国的乘用车复合增速为4%，到 2020年乘用车全年销量将近约为3000万辆。汽车销售预计峰值达到4200万辆。 国内汽车消费结构升级，无人驾驶汽车市场需求扩大，将带动国内毫米波雷达前后装市场需求爆发式增长。2015年中国毫米波雷达市场规模约为18亿元，预计2018年将达41.4亿元，到2020年中国毫米波雷达或将超72.1亿元。
2） 发展趋势
目前，在毫米波频段，开放给民用的波段有24GHz60GHz77GHz120GHz，其中，24GHz和77GHz在汽车中都有应用，24GHz开放得最早，目前应用较普遍。24GHz主要面向5-70m的中短距探测，主要应用有BSDLDWLKA LCAPA等。77GHz主要面向100-250米的中长距探测，例如ACC FCW AEB等。但随着车用雷达系统对精度要求的提升，77GHz将是未来的主流。已经有不少公司开始推出77GHz的中距离雷达用于替代24GHz雷达在BSD等系统中的应用。所以，展望未来，体积更小、探测距离更长的77GHz雷达将会挤压 24GHz 雷达的市场空间。
