一文讀懂車載毫米波雷達(dá)
在無人駕駛架構(gòu)中,傳感層被比作為汽車的“眼睛”, 包括車載攝像頭等視覺系傳感器和車載毫米波雷達(dá)、車載激光雷達(dá)和車載超聲波雷達(dá)等雷達(dá)系傳感器。毫米波雷達(dá)由于成本較低、技術(shù)比較成熟率先成為無人駕駛系統(tǒng)主力傳感器。本文將從技術(shù)、方案、應(yīng)用等角度為您詳細(xì)介紹毫米波雷達(dá)。
2014年全球的車載毫米波雷達(dá)市場(chǎng)出貨量在1900萬顆,預(yù)計(jì)到2020年將增長(zhǎng)至7200萬顆,年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到25%,處于市場(chǎng)快速增長(zhǎng)期。其中安全法規(guī)和智能網(wǎng)聯(lián)趨勢(shì)是市場(chǎng)增長(zhǎng)重要推動(dòng)力。
什么是毫米波雷達(dá)
毫米波是指波長(zhǎng)介于1-10mm的電磁波,波長(zhǎng)短、頻段寬,比較容易實(shí)現(xiàn)窄波束,雷達(dá)分辨率高,不易受干擾。毫米波雷達(dá)是測(cè)量被測(cè)物體相對(duì)距離、現(xiàn)對(duì)速度、方位的高精度傳感器,早期被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,毫米波雷達(dá)傳感器開始應(yīng)用于汽車電子、無人機(jī)、智能交通等多個(gè)領(lǐng)域。
目前各個(gè)國(guó)家對(duì)車載毫米波雷達(dá)分配的頻段各有不同,但主要集中在24GHz和77GHz,少數(shù)國(guó)家(如日本)采用60GHz頻段。由于77G相對(duì)于24G的諸多優(yōu)勢(shì),未來全球車載毫米波雷達(dá)的頻段會(huì)趨同于77GHz頻段(76-81GHz)。
車載毫米波雷達(dá)的原理
車載毫米波雷達(dá)通過天線向外發(fā)射毫米波,接收目標(biāo)反射信號(hào),經(jīng)后方處理后快速準(zhǔn)確地獲取汽車車身周圍的物理環(huán)境信息(如汽車與其他物體之間的相對(duì)距離、相對(duì)速度、角度、運(yùn)動(dòng)方向等),然后根據(jù)所探知的物體信息進(jìn)行目標(biāo)追蹤和識(shí)別分類,進(jìn)而結(jié)合車身動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,最終通過中央處理單元(ECU)進(jìn)行智能處理。經(jīng)合理決策后,以聲、光及觸覺等多種方式告知或警告駕駛員,或及時(shí)對(duì)汽車做出主動(dòng)干預(yù),從而保證駕駛過程的安全性和舒適性,減少事故發(fā)生幾率。
毫米波雷達(dá)工作路徑簡(jiǎn)圖
根據(jù)輻射電磁波方式不同,毫米波雷達(dá)主要有脈沖體制以及連續(xù)波體制兩種工作體制。其中連續(xù)波又可以分為FSK(頻移鍵控)、PSK(相移鍵控)、CW(恒頻連續(xù)波)、FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)等方式。
由于可測(cè)量多個(gè)目標(biāo)、分辨率較高、信號(hào)處理復(fù)雜度低、成本低廉、技術(shù)成熟,FWCW雷達(dá)成為最常用的車載毫米波雷達(dá),德爾福、電裝、博世等Tier 1供應(yīng)商均采用FMCW調(diào)制方式。
FMCW雷達(dá)系統(tǒng)主要包括收發(fā)天線、射頻前端、調(diào)制信號(hào)、信號(hào)處理模塊等。毫米波雷達(dá)通過接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的相關(guān)處理實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)距離、方位、相對(duì)速度。
車載毫米波雷達(dá)的核心零部件
MMIC芯片和天線PCB板是毫米波雷達(dá)的硬件核心,以FMCW汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)為例,主要包括天線、收發(fā)模塊、信號(hào)處理模塊。
1、MMIC(單片微波集成電路)
MMIC具有電路損耗低、噪聲低、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、功率大、抗電磁輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)。它包括多種功能電路,如低噪聲放大器(LNA)、功率放大器、混頻器、檢波器、調(diào)制器、壓控振蕩器(VCO)、移相器等。
毫米波雷達(dá)的關(guān)鍵部件前端單片微波集成電路(MMIC)技術(shù)由在國(guó)外半導(dǎo)體公司掌控,而高頻的MMIC只掌握在英飛凌、飛思卡爾等極少數(shù)國(guó)外芯片廠商手中。國(guó)內(nèi)的MMIC仍處于起步狀態(tài),廈門意行和南京米勒為正在研發(fā)雷達(dá)MMIC,相關(guān)性能仍有待驗(yàn)證。另外唯一的豪米波雷達(dá)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-東南大學(xué)也一直在研發(fā)77GHz毫米波集成電路。
2、雷達(dá)天線高頻PCB板
天線是汽車毫米波雷達(dá)有效工作的關(guān)鍵設(shè)計(jì)之一, 同時(shí)也是毫米波車用雷達(dá)能否贏得市場(chǎng)的關(guān)鍵。毫米波雷達(dá)天線的主流方案是微帶陣列,簡(jiǎn)單說將高頻PCB板集成在普通的PCB基板上實(shí)現(xiàn)天線的功能,需要在較小的集成空間中保持天線足夠的信號(hào)強(qiáng)度。77Ghz雷達(dá)更高規(guī)格的高頻PCB板,77GHz雷達(dá)的大范圍運(yùn)用將帶來相應(yīng)高頻PCB板的巨大需求。例如博世的LRR3,相比于第2代LRR需要用幾個(gè)砷化鎵芯片生成、放大并檢測(cè)77GHz微波,Bosch第3代LRR極大簡(jiǎn)化了雷達(dá)天線PCB板,僅使用1或2個(gè)英飛凌硅鍺芯片。
由于ADAS的功能,往往是通過傳感器+處理器的方式捆綁銷售,使得系統(tǒng)供應(yīng)商在里面擔(dān)當(dāng)了產(chǎn)業(yè)鏈中核心角色,基于毫米波雷達(dá)的ADAS技術(shù)主要由大陸、博世、電裝、奧托立夫等傳統(tǒng)零部件系統(tǒng)供應(yīng)商巨頭所壟斷。國(guó)內(nèi)高頻PCB板廠商暫無技術(shù)儲(chǔ)備,只能根據(jù)圖紙代加工,元器件仍需國(guó)外進(jìn)口。滬電股份是大陸和博世的板材供應(yīng)商,目前已就24GHz和77GHz高頻雷達(dá)用PCB產(chǎn)品與國(guó)際頂尖廠商Schweizer開展合作。
車載毫米波雷達(dá)的應(yīng)用
把毫米波雷達(dá)安裝在汽車上,可以測(cè)量從雷達(dá)到被測(cè)物體之間的距離、角度和相對(duì)速度等。毫米波雷達(dá)目前主要應(yīng)用于中高端車型,隨著大眾對(duì)汽車主動(dòng)安全性能的認(rèn)可度增加,ADAS相關(guān)產(chǎn)品將逐漸向低端車型普及。
利用毫米波雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)巡航控制(Adaptive Cruise Control),前向防撞報(bào)警(Forward Collision Warning),盲點(diǎn)檢測(cè)(Blind Spot Detection),輔助停車(Parking aid),輔助變道(Lane change assistant),自主巡航控制(ACC)等高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)功能。其中24GHz 雷達(dá)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)近距離探測(cè)(SRR),而77GHz 系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的探測(cè)(LRR)。
SRR應(yīng)用圖
SRR和LRR結(jié)合應(yīng)用圖
想要完全實(shí)現(xiàn)ADAS各項(xiàng)功能一般需要“1長(zhǎng)+4中短”5個(gè)毫米波雷達(dá)。目前全新奧迪
A4(參數(shù)|圖片)采用5個(gè)毫米波雷達(dá)(1長(zhǎng)+4短),奔馳的
S級(jí)(參數(shù)|圖片)采用7個(gè)毫米波雷達(dá)(1長(zhǎng)+6短)。
以自動(dòng)跟車型(Stop & Go)ACC功能為例,一般需要3個(gè)毫米波雷達(dá)。車正中間一個(gè)77GHz的LRR,探測(cè)距離在150-250米之間,角度為10度左右;車兩側(cè)各一個(gè)24GHz的MRR,角度都為30度,探測(cè)距離在50-70米之間。AEB是最有實(shí)際意義的ADAS功能,未來會(huì)成為中高檔汽車的標(biāo)配,需要1個(gè)77GHz LRR。
車載毫米波雷達(dá)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)格局
目前毫米波雷達(dá)技術(shù)主要由大陸、博世、電裝、奧托立夫、Denso、德爾福等傳統(tǒng)零部件巨頭所壟斷,特別是77GHz毫米波雷達(dá),只有博世、大陸、德爾福、電裝、TRW、富士通天、Hitachi等公司掌握。2015年,博世及大陸汽車?yán)走_(dá)市場(chǎng)占有率均為22%,并列全球第一。
2015年全球汽車?yán)走_(dá)主要廠商市場(chǎng)占有率
目前中國(guó)市場(chǎng)中高端汽車裝配的毫米波雷達(dá)傳感器全部依賴進(jìn)口,市場(chǎng)被美、日、德企業(yè)壟斷,價(jià)格昂貴,自主可控迫在眉睫。國(guó)內(nèi)自主車載毫米波雷達(dá)產(chǎn)品總體仍處于研制階段。因研發(fā)成本及難度較低,目前國(guó)內(nèi)廠商研發(fā)方向主要集中于24GHz雷達(dá)產(chǎn)品。預(yù)計(jì)2016-2017年,自主品牌車載毫米波雷達(dá)傳感器可逐步實(shí)現(xiàn)批量裝車應(yīng)用。PCB板有望在今年四季度形成批量生產(chǎn)能力
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