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毫米波車載雷達發展趨勢

2023-07-04 20:46:55

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毫米波車載雷達



一、車載雷達的發展


      隨著 ADAS 市場滲透率快速提升,核心零部件的毫米波雷達市場需求也進入快速上升通道。在L1-L3級自動駕駛中,毫米波雷達被用于目標偵測和目標分離,從而實現各種ADAS主動安全應用,在L4-L5級自動駕駛系統中搭載毫米波雷達成像技術。隨著自動駕駛等級的提高和多種主動安全應用的搭載,長距(LRR)、中距(MRR)、短距(SRR)車用毫米波雷達的裝配數量會大幅提升,并最終實現360度全覆蓋化。相比于國外企業,車載毫米波雷達在國內仍處于起步階段,民用的毫米波雷達追求系統的小型化和低成本。90 年代,77GHz 毫米波雷達采用的還是砷化鎵 (GaAs) 的工藝,一個毫米波雷達中,配7-8顆以上的前端射頻芯片,再配上3-4顆基帶芯片,成本非常昂貴;2000 年初,鍺硅 (SiGe) 工藝快速發展,同時也得益于集成度的提高,毫米波雷達成本不斷下探,但依舊不夠親民;由于技術水平提高、應用場景拓展,需求量的激增又降低了產品成本,最終將 CMOS 工藝的毫米波雷達芯片推上了歷史舞臺。

圖一  毫米波雷達的發展歷程

二、車載毫米波雷達工作原理
      毫米波雷達通過天線發射調頻連續波(FMCW),經目標反射后接收到的回波與發射波存在一個時間差,利用該時間差可計算出目標距離。通過信號處理器分析發射與反射信號的頻率差異,基于多普勒原理,可以精確測量目標相對于雷達的運動速度,進一步通過多目標檢測與跟蹤算法,實現多目標分離與跟蹤。
       車載毫米波雷達通過天線向外發射毫米波,接收目標反射信號,經后方處理后快速準確地獲取汽車車身周圍的物理環境信息(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),然后根據所探知的物體信息進行目標追蹤和識別分類,進而結合車身動態信息進行數據融合,最終通過中央處理單元(ECU)進行智能處理。經合理決策后,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,從而保證駕駛過程的安全性和舒適性,減少事故發生率。
圖二  毫米波雷達在自動駕駛中的工作流程 

三、主流應用頻段
     目前,車載毫米波雷達工作頻率一般為 24GHz 和 77GHz, 24GHz 毫米波雷達應用于盲區探測(BSD)、輔助變道(LCA)等場景,77GHz 毫米波 雷達應用于前向碰撞預警(FCA)、自適應巡航(ACC)等場景。根據歐洲電信標準協會(ETSI)和聯邦通信委員會(FCC)制定的頻譜法規和標準,24 GHz 車載雷達將逐漸退出美國和歐洲市場,被 77 GHz 車載雷達取代。Yole Développement 預測,全球車載雷達市場到 2025 年將達到 86 億美元,年復合年增長率達 15.6%如圖三所示。此外,波長更短、探測精度更高的 79GHz 毫米波 雷達是未來行業突破的熱點之一。隨著技術的發展與成熟,毫米波雷達天花板日益凸顯,未來技術領域突破較小。
圖三   Yole Développement對球車載雷達市場的預測
     長期來看,車用毫米波雷達最終會統一到76-81GHz頻段上,原因主要有兩方面:
    (1)24GHz在帶寬和使用范圍上受限。我國工信部對24GHz車用雷達的頻段劃分為24.25-26.65GHz,帶寬為2.4GHz,擴展空間有限。另外,我國射電天文臺址周圍5公里范圍內,禁止使用24GHz短距離車用雷達設備。
    (2)76GHz-81GHz技術優勢。76GHz-81GHz相比于24GHz,物體分辨準確度提高2-4倍,測速和測距精確度提高3-5倍,能檢測行人和自行車;且設備體積更小,更便于在車輛上安裝和部署;該頻段是全球裝配永久認可的權威頻段,因此更適用于全球車輛平臺。采用MIMO(多輸入多輸出)陣列掃描技術的79GHz成像雷達還可以獲得目標的高度信息,從而實現真正意義的毫米波成像,79GHz成像雷達將成為未來車用中短距離MRR和SRR的主流,與攝像頭、激光雷達結合實現多傳感器融合。
      77GHz毫米波雷達的優勢:
     √帶寬更寬:與可用頻率為24GHz的200 MHz帶寬相比,77GHz的帶寬明顯更高;
     √尺寸更?。合嗤膽脳l件下,77GHz天線板的尺寸更??;
     √波束更窄:77GHz具有較高的RF頻率,在相同的應用下實現更窄的波束。

四、毫米波雷達將如何發展?
      1.高分辨率
      高分辨率一直是毫米波雷達的技術指標,這里有兩條技術路線:
    (1)增加帶寬,如76-81GHz,最大帶寬可達5GHz。
    (2)多級聯,增加通道數。
     在2017年,德州儀器推出了號稱全球精度最高單芯片毫米波雷達傳感器,也就是工作與76-81GHz的AWR1x和WR1x收發器,然后基于這兩片收發器推出了數個76-81GHz毫米波雷達前端,包括AWR124、AWR1443、AWR1642。
      2.MIMO
     MIMO雷達基本含義:雷達采用多個發射天線,同時發射相互正交的信號,對目標進行照射,再用多個接受天線接收目標回波信號并進行綜合處理,提取目標空間位置,運動狀態等信息。
      3.CMOS RF工藝
     毫米波雷達最突出的優勢是價格低廉,即便是和視覺系統相比價格也不高。同時毫米波雷達是主動型器件,而視覺系統是被動型器件,主動型器件有比較廣闊的挖掘潛力,而被動型器件CMOS圖像傳感器自問世以來,整體結構未有變化。而收發器從Sige轉換為硅基CMOS后,性價比進一步提升。



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