liwen01 20221211

• 1. 毫米波雷達的定義

• 毫米波與紅外波和微波的區(qū)別

• 2. 毫米波雷達的特點

• 毫米波雷達具有以下優(yōu)點

• 毫米波雷達具有以下缺點

• 3. 毫米波雷達的類型

• 4. 毫米波雷達的測量原理

• 5. 毫米波雷達的工作過程

• 6. 毫米波雷達的布置

• 7. 毫米波雷達的主要指標(biāo)

• 8. 毫米波雷達的應(yīng)用

• 說明

1. 毫米波雷達的定義

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

圖2-21　毫米波雷達

毫米波與紅外波和微波的區(qū)別

1. 毫米波位于微波與遠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，同時也有自己獨特的性質(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，但在傳播過程的損耗也越大，傳輸距離越短；
3. 相對地，頻率越低，波長越長，繞射能力越強，傳輸距離越遠。
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，探測性能好。
1. 波長短，頻率高，分辨率高，穿透力強，功耗大，傳輸距離短
5. 與紅外波相比，毫米波的大氣衰減小，對煙霧灰塵具有更好的穿透性，受天氣影響小。
1. 因為毫米波波長較長，繞射能力強，傳輸距離遠

2. 毫米波雷達的特點

毫米波雷達具有以下優(yōu)點

（1）探測距離遠。毫米波雷達探測距離遠，可達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，這會形成很強的電磁反射，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。毫米波具有很強的穿透能力，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。毫米波雷達一般工作在高頻段，而周圍的噪聲和干擾處于中低頻區(qū)，基本上不會影響毫米波雷達的正常運行，因此，毫米波雷達具有抗低頻干擾的特性。

毫米波雷達具有以下缺點

（1）覆蓋區(qū)域呈扇形，有盲點區(qū)域。

（2）無法識別交通標(biāo)志。

（3）無法識別交通信號。

3. 毫米波雷達的類型

毫米波雷達可以按照工作原理、探測距離和頻段進行分類。

（1）按工作原理分類。毫米波雷達按工作原理的不同可以分為脈沖式毫米波雷達與調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達兩類。脈沖式毫米波雷達通過發(fā)射脈沖信號與接收脈沖信號之間的時間差來計算目標(biāo)距離；調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達是利用多普勒效應(yīng)測量得出不同距離的目標(biāo)的速度。脈沖式毫米波雷達測量原理簡單，但由于受技術(shù)、元器件等方面的影響，實際應(yīng)用中很難實現(xiàn)；目前，大多數(shù)車載毫米波雷達都采用調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達。

（2）按探測距離分類。毫米波雷達按探測距離可分為短程（SRR）、中程（MRR）和遠程（LRR）毫米波雷達。短程毫米波雷達一般探測距離小于60m；中程毫米波雷達一般探測距離為100m左右；遠程毫米波雷達探測距離一般大于200m。

（3）按頻段分類。毫米波雷達按采用的毫米波頻段不同，劃分有24GHz、60GHz、77GHz和79GHz毫米波雷達。主流可用頻段為24GHz和77GHz，其中24GHz適合近距離探測，77GHz適合遠距離探測，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

77GHz毫米波雷達與24GHz毫米波雷達相比具有以下不同。

（1）77GHz毫米波雷達探測距離更遠。

（2）77GHz毫米波雷達的體積更小。

（3）77GHz毫米波雷達所需要的工藝更高。

（4）77GHz毫米波雷達的檢測精度更好。

（5）77GHz毫米波雷達的射頻芯片不容易獲取。

4. 毫米波雷達的測量原理

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

（1）脈沖式毫米波雷達。脈沖式毫米波雷達測量原理簡單，但由于受技術(shù)、元器件等方面的影響，實際應(yīng)用中很難實現(xiàn)。脈沖式毫米波雷達需在很短的時間（一般都是微秒的數(shù)量級）內(nèi)發(fā)射大功率的脈沖信號，通過脈沖信號控制雷達發(fā)射裝置發(fā)射出高頻信號，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，其回波信號難免會受到周圍樹木、建筑物的影響，使回波信號衰減，從而降低接收系統(tǒng)的靈敏度。同時，如果收發(fā)采用同一個天線時，在對回波信號進行放大處理之前，應(yīng)將其與發(fā)射信號進行嚴格的隔離，否則會因為發(fā)射信號的竄入，導(dǎo)致回波信號放大器飽和或損壞。為了避免發(fā)射信號竄入接收信號中，需進行隔離技術(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，脈沖式毫米波雷達應(yīng)用較少。

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

調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達是利用多普勒效應(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，并分析發(fā)射信號頻率和反射信號頻率之間的差值，精確測量出目標(biāo)相對于毫米波雷達的運動速度等信息。雷達調(diào)頻器通過天線發(fā)射微波信號，發(fā)射信號遇到目標(biāo)后，經(jīng)目標(biāo)的反射會產(chǎn)生回波信號，發(fā)射信號與回波信號相比形狀相同，時間上存在差值；當(dāng)目標(biāo)與毫米波雷達信號發(fā)射源之間存在相對運行時，發(fā)射信號與回波信號之間除存在時間差外，還會產(chǎn)生多普勒頻率，如圖2-23所示。

圖2-23　調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達測量原理

毫米波雷達測量的距離和速度分別為

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

5. 毫米波雷達的工作過程

毫米波雷達的工作過程如圖2-24所示，它是通過天線向外發(fā)射毫米波，接收機接收目標(biāo)反射信號，經(jīng)信號處理器處理后快速準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距離、相對速度、角度、運動方向等，然后根據(jù)所探知的物體信息進行目標(biāo)追蹤和識別，進而結(jié)合車身動態(tài)信息進行數(shù)據(jù)融合，最終通過中央處理單元（ECU）進行智能處理。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，或及時對汽車做出主動干預(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　毫米波雷達的工作過程

6. 毫米波雷達的布置

毫米波雷達在智能網(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布置、側(cè)向毫米波雷達布置和毫米波雷達布置高度。

（1）正向毫米波雷達布置。正向毫米波雷達一般布置在車輛中軸線上，外露或隱藏在保險杠內(nèi)部。雷達波束的中心平面要求與路面基本平行，考慮雷達系統(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，正向毫米波雷達無法布置在車輛中軸線上時，允許正Y向最大偏置距離為300mm，偏置距離過大會影響雷達的有效探測范圍。

（2）側(cè)向毫米波雷達布置。側(cè)向毫米波雷達在車輛四角呈左右對稱布置，前側(cè)向毫米波雷達與車輛行駛方向成45°夾角，后側(cè)向毫米波雷達與車輛行駛方向成30°夾角，雷達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）毫米波雷達布置高度。毫米波雷達在垂直方向探測角度一般只有±5°，雷達安裝高度太高會導(dǎo)致下盲區(qū)增大，太低又會導(dǎo)致雷達波束射向地面，地面反射帶來雜波干擾，影響雷達的判斷。因此，毫米波雷達的布置高度（即地面到雷達模塊中心點的距離），一般建議為500（滿載狀態(tài)）～800mm（空載狀態(tài)）。

毫米波雷達在布置時，還需要兼顧考慮其他因素，如雷達區(qū)域外造型的美觀性，對行人保護的影響，設(shè)計安裝結(jié)構(gòu)的可行性，雷達調(diào)試的便利性，售后維修成本等。

7. 毫米波雷達的主要指標(biāo)

短程、中程和遠程毫米波雷達的技術(shù)指標(biāo)見表2-2。

表2-2　短程、中程和遠程毫米波雷達的技術(shù)指標(biāo)

77GHz毫米波雷達的主要指標(biāo)見表2-3。

表2-3　77GHz毫米波雷達的主要指標(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，能夠掃描最遠范圍175m以內(nèi)的64個目標(biāo)。

ESR毫米波雷達能夠提供目標(biāo)的距離、相對速度和角度等信息。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、相對速度等同樣通過CAN總線傳遞給車載計算機。

ESR毫米波雷達同時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毫米波雷達的主要指標(biāo)

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

8. 毫米波雷達的應(yīng)用

毫米波雷達在智能網(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)、自動制動輔助系統(tǒng)、盲區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)、自動泊車輔助系統(tǒng)、變道輔助系統(tǒng)等先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）。

例如：奔馳S級采用6個毫米波雷達（1個遠程+1個中程+4個短程），分別分布在前向雙模遠程毫米波雷達1個，后向中程毫米波雷達1個，前/后保險杠左右短程毫米波雷達共4個。“短程+中程+遠程”毫米波雷達三者結(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）、自動制動輔助（AEB）、盲區(qū)監(jiān)測（BSD）、變道輔助（LCA）、倒車輔助（BPA）、自動泊車輔助（PA）等多種ADAS功能。這些功能是如何實現(xiàn)的？下面將詳細介紹。

（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　基于毫米波雷達的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)

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

（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、方位及相對速度，探測到前方潛在的碰撞危險，當(dāng)駕駛員沒有采取制動措施時，儀表會顯示報警信息并伴隨聲音報警，警告駕駛員務(wù)必采取應(yīng)對措施，如圖2-27所示。當(dāng)判斷到事故即將發(fā)生時，系統(tǒng)會讓制動自動介入工作，從而避免事故發(fā)生或降低事故可能造成的風(fēng)險。

圖2-27　基于毫米波雷達的前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)

（3）自動制動輔助系統(tǒng)。自動制動輔助（AEB）系統(tǒng)是利用毫米波雷達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距離、安全距離進行比較，小于警報距離時就進行警報提示，而小于安全距離時，即使在駕駛員沒有來得及踩制動踏板的情況下，該系統(tǒng)也會啟動，使汽車自動制動，從而確保駕駛安全，如圖2-28所示。

圖2-28　基于毫米波雷達的自動制動輔助系統(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)毫米波雷達判斷移動物體所處的相對位置及與本車的相對速度，當(dāng)處于本車的盲區(qū)范圍內(nèi)，及時提醒駕駛員注意變道出現(xiàn)的風(fēng)險，如圖2-29所示。

圖2-29　基于毫米波雷達的盲區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)

（5）自動泊車輔助系統(tǒng)。自動泊車輔助系統(tǒng)是利用毫米波雷達探測環(huán)境信息，如尋找可用車位，在泊車過程中實時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)測汽車相對于目標(biāo)停車位的位置坐標(biāo)，進而用于計算車身的角度和轉(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　基于毫米波雷達的自動泊車輔助系統(tǒng)

（6）變道輔助系統(tǒng)。變道輔助系統(tǒng)是通過毫米波雷達、攝像頭等傳感器，對車輛相鄰兩側(cè)車道及后方進行探測，獲取車輛側(cè)方及后方物體的運動信息，并結(jié)合當(dāng)前車輛的狀態(tài)進行判斷，最終以聲、光等方式提醒駕駛員，讓駕駛員掌握最佳變道時機，防止變道引發(fā)的交通事故，同時對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檢測到同一車道后方有快速接近的移動物體，并有碰撞風(fēng)險時，及時通過聲、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　基于毫米波雷達的后向碰撞預(yù)警系統(tǒng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車先進駕駛輔助系統(tǒng)應(yīng)用的毫米波雷達見表2-5。

為了滿足不同距離范圍的探測需要，一輛汽車上會安裝多個近距離、中距離和遠距離毫米波雷達。其中24GHz毫米波雷達主要實現(xiàn)短程（SRR）探測，77GHz毫米波雷達主要實現(xiàn)中程（MRR）和遠程（LRR）的探測。不同的毫米波雷達在車輛前方、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毫米波雷達市場80%以上的出貨量；國內(nèi)企業(yè)實現(xiàn)了24GHz毫米波雷達的批量生產(chǎn)；完成了77GHz毫米波雷達的樣機測試。