liwen01 20221211

• 1. 毫米波雷達(dá)的定義

• 毫米波與紅外波和微波的區(qū)別

• 2. 毫米波雷達(dá)的特點(diǎn)

• 毫米波雷達(dá)具有以下優(yōu)點(diǎn)

• 毫米波雷達(dá)具有以下缺點(diǎn)

• 3. 毫米波雷達(dá)的類型

• 4. 毫米波雷達(dá)的測量原理

• 5. 毫米波雷達(dá)的工作過程

• 6. 毫米波雷達(dá)的布置

• 7. 毫米波雷達(dá)的主要指標(biāo)

• 8. 毫米波雷達(dá)的應(yīng)用

• 說明

1. 毫米波雷達(dá)的定義

毫米波雷達(dá)是工作在毫米波頻段的雷達(dá)，如圖2-21所示。毫米波是指長度為1～10mm的電磁波，對(duì)應(yīng)的頻率范圍為30～300GHz。毫米波雷達(dá)是ADAS核心傳感器，主要用于自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)、自動(dòng)制動(dòng)輔助系統(tǒng)、盲區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)、行人檢測等。

圖2-21　毫米波雷達(dá)

毫米波與紅外波和微波的區(qū)別

1. 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(shí)也有自己獨(dú)特的性質(zhì)。
2. 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；
3. 相對(duì)地，頻率越低，波長越長，繞射能力越強(qiáng)，傳輸距離越遠(yuǎn)。
4. 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)，探測性能好。
1. 波長短，頻率高，分辨率高，穿透力強(qiáng)，功耗大，傳輸距離短
5. 與紅外波相比，毫米波的大氣衰減小，對(duì)煙霧灰塵具有更好的穿透性，受天氣影響小。
1. 因?yàn)楹撩撞úㄩL較長，繞射能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)

2. 毫米波雷達(dá)的特點(diǎn)

毫米波雷達(dá)具有以下優(yōu)點(diǎn)

（1）探測距離遠(yuǎn)。毫米波雷達(dá)探測距離遠(yuǎn)，可達(dá)200m以上。

（2）探測性能好。毫米波波長較短，汽車在行駛中的前方目標(biāo)一般都是金屬構(gòu)成，這會(huì)形成很強(qiáng)的電磁反射，其探測不受顏色與溫度的影響。

（3）響應(yīng)速度快。毫米波的傳播速度與光速一樣，并且其調(diào)制簡單，配合高速信號(hào)處理系統(tǒng)，可以快速地測量出目標(biāo)的距離、速度、角度等信息。

（4）適應(yīng)能力強(qiáng)。毫米波具有很強(qiáng)的穿透能力，在雨、雪、大霧等惡劣天氣依然可以正常工作，而且不受顏色和溫度的影響。

（5）抗干擾能力強(qiáng)。毫米波雷達(dá)一般工作在高頻段，而周圍的噪聲和干擾處于中低頻區(qū)，基本上不會(huì)影響毫米波雷達(dá)的正常運(yùn)行，因此，毫米波雷達(dá)具有抗低頻干擾的特性。

毫米波雷達(dá)具有以下缺點(diǎn)

（1）覆蓋區(qū)域呈扇形，有盲點(diǎn)區(qū)域。

（2）無法識(shí)別交通標(biāo)志。

（3）無法識(shí)別交通信號(hào)。

3. 毫米波雷達(dá)的類型

毫米波雷達(dá)可以按照工作原理、探測距離和頻段進(jìn)行分類。

（1）按工作原理分類。毫米波雷達(dá)按工作原理的不同可以分為脈沖式毫米波雷達(dá)與調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達(dá)兩類。脈沖式毫米波雷達(dá)通過發(fā)射脈沖信號(hào)與接收脈沖信號(hào)之間的時(shí)間差來計(jì)算目標(biāo)距離；調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達(dá)是利用多普勒效應(yīng)測量得出不同距離的目標(biāo)的速度。脈沖式毫米波雷達(dá)測量原理簡單，但由于受技術(shù)、元器件等方面的影響，實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)；目前，大多數(shù)車載毫米波雷達(dá)都采用調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達(dá)。

（2）按探測距離分類。毫米波雷達(dá)按探測距離可分為短程（SRR）、中程（MRR）和遠(yuǎn)程（LRR）毫米波雷達(dá)。短程毫米波雷達(dá)一般探測距離小于60m；中程毫米波雷達(dá)一般探測距離為100m左右；遠(yuǎn)程毫米波雷達(dá)探測距離一般大于200m。

（3）按頻段分類。毫米波雷達(dá)按采用的毫米波頻段不同，劃分有24GHz、60GHz、77GHz和79GHz毫米波雷達(dá)。主流可用頻段為24GHz和77GHz，其中24GHz適合近距離探測，77GHz適合遠(yuǎn)距離探測，如圖2-22所示。79GHz有可能是未來發(fā)展趨勢。

圖2-22　24GHz和77GHz毫米波雷達(dá)

77GHz毫米波雷達(dá)與24GHz毫米波雷達(dá)相比具有以下不同。

（1）77GHz毫米波雷達(dá)探測距離更遠(yuǎn)。

（2）77GHz毫米波雷達(dá)的體積更小。

（3）77GHz毫米波雷達(dá)所需要的工藝更高。

（4）77GHz毫米波雷達(dá)的檢測精度更好。

（5）77GHz毫米波雷達(dá)的射頻芯片不容易獲取。

4. 毫米波雷達(dá)的測量原理

毫米波雷達(dá)根據(jù)測量原理不同，一般分為脈沖式毫米波雷達(dá)和調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達(dá)。

（1）脈沖式毫米波雷達(dá)。脈沖式毫米波雷達(dá)測量原理簡單，但由于受技術(shù)、元器件等方面的影響，實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)。脈沖式毫米波雷達(dá)需在很短的時(shí)間（一般都是微秒的數(shù)量級(jí)）內(nèi)發(fā)射大功率的脈沖信號(hào)，通過脈沖信號(hào)控制雷達(dá)發(fā)射裝置發(fā)射出高頻信號(hào)，因此在硬件結(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜，成本高。除此之外，在高速路上行駛的車輛，其回波信號(hào)難免會(huì)受到周圍樹木、建筑物的影響，使回波信號(hào)衰減，從而降低接收系統(tǒng)的靈敏度。同時(shí)，如果收發(fā)采用同一個(gè)天線時(shí)，在對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大處理之前，應(yīng)將其與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行嚴(yán)格的隔離，否則會(huì)因?yàn)榘l(fā)射信號(hào)的竄入，導(dǎo)致回波信號(hào)放大器飽和或損壞。為了避免發(fā)射信號(hào)竄入接收信號(hào)中，需進(jìn)行隔離技術(shù)處理，通常情況下，采用環(huán)形器或收發(fā)使用不同的天線以避免發(fā)射信號(hào)的竄入，但這樣就導(dǎo)致硬件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增加，產(chǎn)品成本高。故在車用領(lǐng)域，脈沖式毫米波雷達(dá)應(yīng)用較少。

（2）調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達(dá)。目前，車載毫米波雷達(dá)主要采用調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達(dá)。

調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達(dá)是利用多普勒效應(yīng)測量得出目標(biāo)的距離和速度，它通過發(fā)射源向給定目標(biāo)發(fā)射微波信號(hào)，并分析發(fā)射信號(hào)頻率和反射信號(hào)頻率之間的差值，精確測量出目標(biāo)相對(duì)于毫米波雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度等信息。雷達(dá)調(diào)頻器通過天線發(fā)射微波信號(hào)，發(fā)射信號(hào)遇到目標(biāo)后，經(jīng)目標(biāo)的反射會(huì)產(chǎn)生回波信號(hào)，發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)相比形狀相同，時(shí)間上存在差值；當(dāng)目標(biāo)與毫米波雷達(dá)信號(hào)發(fā)射源之間存在相對(duì)運(yùn)行時(shí)，發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)之間除存在時(shí)間差外，還會(huì)產(chǎn)生多普勒頻率，如圖2-23所示。

圖2-23　調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達(dá)測量原理

毫米波雷達(dá)測量的距離和速度分別為

式中，s為相對(duì)距離；c為光速；Δt為發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)的時(shí)間間隔；T為信號(hào)發(fā)射周期；f′為發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)的頻率差；Δf為調(diào)頻帶寬；fd為多普勒頻率；f0為發(fā)射信號(hào)的中心頻率；u為相對(duì)速度。

5. 毫米波雷達(dá)的工作過程

毫米波雷達(dá)的工作過程如圖2-24所示，它是通過天線向外發(fā)射毫米波，接收機(jī)接收目標(biāo)反射信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理器處理后快速準(zhǔn)確地獲取汽車周圍的環(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，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)，從而保證汽車行駛的安全性和舒適性，減少事故發(fā)生率。

圖2-24　毫米波雷達(dá)的工作過程

6. 毫米波雷達(dá)的布置

毫米波雷達(dá)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的布置如圖2-25所示，它分為正向毫米波雷達(dá)布置、側(cè)向毫米波雷達(dá)布置和毫米波雷達(dá)布置高度。

（1）正向毫米波雷達(dá)布置。正向毫米波雷達(dá)一般布置在車輛中軸線上，外露或隱藏在保險(xiǎn)杠內(nèi)部。雷達(dá)波束的中心平面要求與路面基本平行，考慮雷達(dá)系統(tǒng)誤差、結(jié)構(gòu)安裝誤差、車輛載荷變化后，需保證與路面夾角的最大偏差不超過5°。另外，在某些特殊情況下，正向毫米波雷達(dá)無法布置在車輛中軸線上時(shí)，允許正Y向最大偏置距離為300mm，偏置距離過大會(huì)影響雷達(dá)的有效探測范圍。

（2）側(cè)向毫米波雷達(dá)布置。側(cè)向毫米波雷達(dá)在車輛四角呈左右對(duì)稱布置，前側(cè)向毫米波雷達(dá)與車輛行駛方向成45°夾角，后側(cè)向毫米波雷達(dá)與車輛行駛方向成30°夾角，雷達(dá)波束的中心平面與路面基本平行，角度最大偏差仍需控制在5°以內(nèi)。

（3）毫米波雷達(dá)布置高度。毫米波雷達(dá)在垂直方向探測角度一般只有±5°，雷達(dá)安裝高度太高會(huì)導(dǎo)致下盲區(qū)增大，太低又會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)波束射向地面，地面反射帶來雜波干擾，影響雷達(dá)的判斷。因此，毫米波雷達(dá)的布置高度（即地面到雷達(dá)模塊中心點(diǎn)的距離），一般建議為500（滿載狀態(tài)）～800mm（空載狀態(tài)）。

毫米波雷達(dá)在布置時(shí)，還需要兼顧考慮其他因素，如雷達(dá)區(qū)域外造型的美觀性，對(duì)行人保護(hù)的影響，設(shè)計(jì)安裝結(jié)構(gòu)的可行性，雷達(dá)調(diào)試的便利性，售后維修成本等。

7. 毫米波雷達(dá)的主要指標(biāo)

短程、中程和遠(yuǎn)程毫米波雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo)見表2-2。

表2-2　短程、中程和遠(yuǎn)程毫米波雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo)

77GHz毫米波雷達(dá)的主要指標(biāo)見表2-3。

表2-3　77GHz毫米波雷達(dá)的主要指標(biāo)參數(shù)

美國德爾福公司開發(fā)的ESR高頻電子掃描毫米波雷達(dá)采用連續(xù)調(diào)制方式，應(yīng)用多普勒測試原理，能夠掃描最遠(yuǎn)范圍175m以內(nèi)的64個(gè)目標(biāo)。

ESR毫米波雷達(dá)能夠提供目標(biāo)的距離、相對(duì)速度和角度等信息。它從CAN總線獲取所需的車速、橫擺角速度、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角等自車信息，掃描后將目標(biāo)的信息，如距離、相對(duì)速度等同樣通過CAN總線傳遞給車載計(jì)算機(jī)。

ESR毫米波雷達(dá)同時(shí)具有中距離掃描和長距離掃描的功能，并將所掃描的目標(biāo)數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的內(nèi)存地址，其主要指標(biāo)見表2-4。

表2-4　ESR毫米波雷達(dá)的主要指標(biāo)

不同廠家生產(chǎn)的毫米波雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo)是不一樣的，即使同一廠家生產(chǎn)的毫米波雷達(dá)，也會(huì)不斷進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，所以表中所列毫米波雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo)僅供參考，最終應(yīng)以廠家提供的毫米波雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)為準(zhǔn)。

8. 毫米波雷達(dá)的應(yīng)用

毫米波雷達(dá)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用主要有自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)、前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)、自動(dòng)制動(dòng)輔助系統(tǒng)、盲區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)、自動(dòng)泊車輔助系統(tǒng)、變道輔助系統(tǒng)等先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）。

例如：奔馳S級(jí)采用6個(gè)毫米波雷達(dá)（1個(gè)遠(yuǎn)程+1個(gè)中程+4個(gè)短程），分別分布在前向雙模遠(yuǎn)程毫米波雷達(dá)1個(gè)，后向中程毫米波雷達(dá)1個(gè)，前/后保險(xiǎn)杠左右短程毫米波雷達(dá)共4個(gè)?！岸坛?中程+遠(yuǎn)程”毫米波雷達(dá)三者結(jié)合一起共同完成自適應(yīng)巡航（ACC）、前向/后向碰撞預(yù)警（FCW/BCW）、自動(dòng)制動(dòng)輔助（AEB）、盲區(qū)監(jiān)測（BSD）、變道輔助（LCA）、倒車輔助（BPA）、自動(dòng)泊車輔助（PA）等多種ADAS功能。這些功能是如何實(shí)現(xiàn)的？下面將詳細(xì)介紹。

（1）自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)。自適應(yīng)巡航控制（ACC）系統(tǒng)是一種可以依據(jù)設(shè)定的車速或距離跟隨前方車輛行駛，或根據(jù)前車速度主動(dòng)控制本車行駛速度，最終將車輛與前車保持在安全距離的輔助駕駛功能，該功能最大的優(yōu)點(diǎn)是可以有效地解放駕駛員的雙腳，提高駕駛的舒適性，如圖2-26所示。

圖2-26　基于毫米波雷達(dá)的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)

ACC的實(shí)現(xiàn)原理：在車輛行駛過程中，安裝在車輛前部的毫米波雷達(dá)傳感器持續(xù)掃描車輛前方道路，同時(shí)輪速傳感器采集車速信號(hào)。當(dāng)與前車之間的距離過小時(shí)，ACC系統(tǒng)可以通過與制動(dòng)防抱死系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)動(dòng)作，使車輪適當(dāng)制動(dòng)，并使發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率下降，以使車輛與前方車輛始終保持安全距離。ACC系統(tǒng)在控制車輛制動(dòng)時(shí)，通常會(huì)將制動(dòng)減速限制在不影響舒適度的程度，當(dāng)需要更大的減速時(shí)，ACC系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲、光預(yù)警信號(hào)，通知駕駛員主動(dòng)采取制動(dòng)操作

（2）前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)。前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)是通過毫米波雷達(dá)和前置攝像頭不斷監(jiān)測前方的車輛，判斷本車與前車之間的距離、方位及相對(duì)速度，探測到前方潛在的碰撞危險(xiǎn)，當(dāng)駕駛員沒有采取制動(dòng)措施時(shí)，儀表會(huì)顯示報(bào)警信息并伴隨聲音報(bào)警，警告駕駛員務(wù)必采取應(yīng)對(duì)措施，如圖2-27所示。當(dāng)判斷到事故即將發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)讓制動(dòng)自動(dòng)介入工作，從而避免事故發(fā)生或降低事故可能造成的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2-27　基于毫米波雷達(dá)的前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)

（3）自動(dòng)制動(dòng)輔助系統(tǒng)。自動(dòng)制動(dòng)輔助（AEB）系統(tǒng)是利用毫米波雷達(dá)測出與前車或障礙物的距離，然后利用數(shù)據(jù)分析模塊將測出的距離與警報(bào)距離、安全距離進(jìn)行比較，小于警報(bào)距離時(shí)就進(jìn)行警報(bào)提示，而小于安全距離時(shí)，即使在駕駛員沒有來得及踩制動(dòng)踏板的情況下，該系統(tǒng)也會(huì)啟動(dòng)，使汽車自動(dòng)制動(dòng)，從而確保駕駛安全，如圖2-28所示。

圖2-28　基于毫米波雷達(dá)的自動(dòng)制動(dòng)輔助系統(tǒng)

據(jù)研究表明，90%的交通事故是由于駕駛員的注意力不集中而引起的，AEB技術(shù)能減少38%的追尾碰撞。且無論是在城市道路（限速60km/h）還是郊區(qū)道路行駛的情況下，效果都顯著。

（4）盲區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)。盲區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)毫米波雷達(dá)判斷移動(dòng)物體所處的相對(duì)位置及與本車的相對(duì)速度，當(dāng)處于本車的盲區(qū)范圍內(nèi)，及時(shí)提醒駕駛員注意變道出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，如圖2-29所示。

圖2-29　基于毫米波雷達(dá)的盲區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)

（5）自動(dòng)泊車輔助系統(tǒng)。自動(dòng)泊車輔助系統(tǒng)是利用毫米波雷達(dá)探測環(huán)境信息，如尋找可用車位，在泊車過程中實(shí)時(shí)探測車輛的位置信息和車身狀態(tài)信息。在車位探測階段，采集車位的長度和寬度；在泊車階段，監(jiān)測汽車相對(duì)于目標(biāo)停車位的位置坐標(biāo)，進(jìn)而用于計(jì)算車身的角度和轉(zhuǎn)角等信息，確保泊車過程的安全可靠，如圖2-30所示。

圖2-30　基于毫米波雷達(dá)的自動(dòng)泊車輔助系統(tǒng)

（6）變道輔助系統(tǒng)。變道輔助系統(tǒng)是通過毫米波雷達(dá)、攝像頭等傳感器，對(duì)車輛相鄰兩側(cè)車道及后方進(jìn)行探測，獲取車輛側(cè)方及后方物體的運(yùn)動(dòng)信息，并結(jié)合當(dāng)前車輛的狀態(tài)進(jìn)行判斷，最終以聲、光等方式提醒駕駛員，讓駕駛員掌握最佳變道時(shí)機(jī)，防止變道引發(fā)的交通事故，同時(shí)對(duì)后向碰撞也有比較好的預(yù)防作用。

變道輔助系統(tǒng)包括“盲區(qū)監(jiān)測（BSD）”“變道預(yù)警（LCA）”“后向碰撞預(yù)警（RCW）”3個(gè)功能，可以有效地防止變道、轉(zhuǎn)彎、后方追尾等交通事故的發(fā)生，極大提升汽車變道操作的安全性能，如圖2-31所示。

圖2-31　基于毫米波雷達(dá)的變道輔助系統(tǒng)

（7）后向碰撞預(yù)警系統(tǒng)。后向碰撞預(yù)警系統(tǒng)是指安裝在車輛后方的毫米波雷達(dá)檢測到同一車道后方有快速接近的移動(dòng)物體，并有碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，及時(shí)通過聲、光等方式，通知駕駛員采取措施，避免發(fā)生碰撞或減小碰撞帶來的傷害，如圖2-32所示

圖2-32　基于毫米波雷達(dá)的后向碰撞預(yù)警系統(tǒng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)應(yīng)用的毫米波雷達(dá)見表2-5。

為了滿足不同距離范圍的探測需要，一輛汽車上會(huì)安裝多個(gè)近距離、中距離和遠(yuǎn)距離毫米波雷達(dá)。其中24GHz毫米波雷達(dá)主要實(shí)現(xiàn)短程（SRR）探測，77GHz毫米波雷達(dá)主要實(shí)現(xiàn)中程（MRR）和遠(yuǎn)程（LRR）的探測。不同的毫米波雷達(dá)在車輛前方、側(cè)方和后方發(fā)揮不同的作用。

目前，德國的海拉公司、博世公司和法國的法雷奧公司占據(jù)我國24GHz毫米波雷達(dá)市場60%以上的出貨量；德國的大陸公司、博世公司和美國的德爾福公司占據(jù)我國77GHz毫米波雷達(dá)市場80%以上的出貨量；國內(nèi)企業(yè)實(shí)現(xiàn)了24GHz毫米波雷達(dá)的批量生產(chǎn)；完成了77GHz毫米波雷達(dá)的樣機(jī)測試。