毫米波雷达不如激光雷达？看它如何助力自动驾驶

易车原创 往期内容中，当我们谈论自动驾驶的时候，一个“自带流量”的传感器经常被我们提及，它就是激光雷达。

这几年由于激光雷达能对周围环境进行3D感知而备受自动驾驶主流参与者的拥护，不过无论是激光雷达、摄像头还是超声波传感器，都容易受到恶劣天气环境影响导致性能降低甚至失效，因而都存在“致命”缺陷！

这时候，硬件“老大哥”——毫米波雷达凭借可穿透尘雾、雨雪、不受恶劣天气影响的绝对优势，且唯一能够“全天候全天时”工作的超能力，成为汽车ADAS不可或缺的核心传感器之一。

近年来，毫米波雷达被广泛应用在高级驾驶辅助系统（ADAS）中，再度成为了零部件供应商们的焦点战场。ADAS系统需要多种传感器配合工作，毫米波雷达由于其众多优势，成为自动驾驶和无人驾驶的关键传感器。

在自动驾驶传感器领域，看上去有些沉寂的毫米波雷达开始变得热门。相比昂贵的激光雷达，毫米波雷达无疑更接地气，在技术上也较为成熟。

现在大家购车基本上，都要有以下的辅助驾驶功能：

1、ACC（自适应巡航）

2、BSD&LCA（盲点监测和变道辅助）

3、AEB（自动紧急制动，通常配合摄像头进行数据融合）

而基本上这些功能都是摄像头同毫米波雷达辅助一起完成的，理论上只有摄像头也可以完成，但是使用毫米波雷达可以让整个系统更加稳定和安全。

毫米波雷达的研制是从20世纪40年代开始的，到1950年代，美国出现了用于机场交通管制和船用导航的毫米波雷达，但由于功率效率低，传输损失大，发展受到限制。

1960年代，美国NHTSA对毫米波雷达和制动系统做了组合系统的验证研究，毫米波雷达开始在车载领域中应用。

1973年，德国的AEG Telefunken和博世公司共同开始投资研究汽车防撞雷达技术，由于价格昂贵没有后续发展。

1970年代中后期，毫米波技术得到很大的发展，在功率源、高增益天线、集成电路等方面取得进步，并首先应用于军事系统中，如直升机、防空系统、导弹制导系统等。

1980年代初期，美国许多著名大学、研究机构以及几百家企业逐渐开始投入毫米波雷达技术研究，毫米波雷达进入高速发展期。

1986年，欧洲在“欧洲高效安全交通系统计划（PROMETHEUS)”指导下重新开始了车载毫米波雷达的研制。

1980年代后期，关于汽车毫米波防撞雷达研究开始活跃起来，单脉冲和连续调制波两种体制的雷达已在美、日、欧汽车中广泛应用。

1992年，美国交通部门在灰狗公交车上安装了1500套毫米波雷达，到1993年取得了立竿见影的效果，交通事故发生率下降了25%。

1999年，奔驰率先开始在S级轿车上使用77GHz自适应巡航系统（ACC）。

进入21世纪以来，随着汽车市场需求及技术进步，车载毫米波雷达进入蓬勃发展时期。

毫米波雷达的原理，可能需要各位回想一下初高中的物理知识了，毫米波实质上是波长介于1-10mm的电磁波。毫米波的频段比较特殊，其频段高于无线电，低于可见光和红外线，频率大致范围在10GHz—200GHz。

车载毫米波雷达的工作原理

通过天线向外发射毫米波，接收目标反射信号，经后方处理后快速准确地获取汽车周围的物理环境信息，然后根据所探知的物体信息进行目标追踪和识别分类，进而结合车身动态信息进行数据融合，最终通过中央处理单元（ECU）进行智能处理。经合理决策后，以声、光及触觉等多种方式告知或警告驾驶员，或及时对汽车做出主动干预，从而保证驾驶过程的安全性和舒适性，减少事故发生几率。

毫米波雷达的工作体制

根据辐射电磁波方式不同，毫米波雷达主要有脉冲体制以及连续波体制两种工作体制。其中连续波又可以分为FSK（频移键控）、PSK（相移键控）、CW（恒频连续波）、FMCW（调频连续波）等方式。

其中FMCW雷达可以说是最常用的车载毫米波雷达。能同时测出多个目标的距离和速度信息，可对目标连续跟踪，系统敏感性高，错误报警率低；不易受外界电磁噪声的干扰；测量距离远，分辨率高；所需发射功率低；成本较低；信号处理难易程度及实时性可达到系统要求。

FMCW雷达系统主要包括收发天线、射频前端、调制信号源和信号处理模块等。

车载毫米波雷达的应用：把毫米波雷达安装在汽车上，可以测量从雷达到被测物体之间的距离、角度和相对速度等。毫米波雷达目前主要应用于中高端车型，随着人们对汽车主动安全性能的认可度增加，ADAS相关产品已经逐渐向低端车型普及。

利用毫米波雷达可以实现自适应巡航、前向防撞报警、盲点检测、辅助停车、辅助变道等高级驾驶辅助系统功能。

激光雷达的工作原理

激光雷达在之前的文章中我们也有详细的介绍。其实激光雷达的工作原理与毫米波雷达类似，只不过它是以激光作为信号源，由激光器发射出的激光束来探测目标的距离、方位、高度、速度、姿态等特征量，由于光的波长大约比无线电的波长小10万倍，所以与普通雷达相比，激光雷达的精度和分辨率都更高。激光雷达在工作时，激光束不断地扫描目标物，还可以得到目标物上全部目标点的数据，用此数据进行成像处理后，可得到精确的三维立体图像。因而在自动驾驶领域，激光雷达被称为“无人车之眼”。

通过以上对比可知，这两种技术方向不同的雷达各有专长。

从探测距离和受环境影响的方面来看，毫米波雷达的表现会更突出一些。由于波长的原因，毫米波雷达的探测距离可以轻松超过200米，激光雷达目前随着技术进步也可达到这一水平，在高速行驶的场景里，毫米波雷达更适合。此外在雾霾、雨雪等极端天气中，毫米波雷达的穿透雾、烟、灰尘的能力也要更强一些。

在人工智能的算法还不够成熟，纯视觉传感器在无人驾驶方案的安全上还存在较多问题的背景下，雷达对于无人车不可或缺。

毫米波雷达和激光雷达通常会被组合起来使用，取长补短。为了争取能在无人车上有更多的部署，这两种雷达一直在暗地较劲，毫米波雷达厂商在芯片、系统设计和算法上大做文章，努力提高自己的探测精度；激光雷达就想方设法降低成本，毕竟毫米波雷达最早出现时的价格也在十万美元以上。

目前主流使用的车载毫米波雷达，按照其频率不同，主要可分为两种：24GHz和77GHz。

24GHz频段，能够实现的ADAS功能有盲点检测、变道辅助等，在自动驾驶系统中常用于感知车辆近处的障碍物，为变道决策提供感知信息。因为侦测距离不够远，因此大部分用来做盲区、障碍物的侦测。

24GHz

而77GHz频段，性能良好，最大检测距离可以达到160米以上，因此常被安装在前保险杠上，正对汽车的行驶方向。长距离雷达能够用于实现紧急制动、高速公路跟车等ADAS功能，同时也能满足自动驾驶领域，对障碍物距离、速度和角度的测量需求。与24GHz频段雷达相比，77GHz频段雷达在带宽、探测距离、功耗等方面都有不小的优势。

77GHz

车载24GHz与77GHz毫米波雷达性能对比：

1、频率不同，24GHz毫米波雷达的波长大于10cm，严格来讲属于厘米波雷达；

2、相比于24GHz，77GHz同时满足高传输功率和宽工作带宽，同时满足这两点使其可以同时做到长距离探测和高距离分辨率；

3、相比于24GHz，77GHz在物体分辨率、测速和测距精确度具有显著优势；

4、相比于24GHz，77GHz雷达体积更小，其波长不到24GHz的三分之一，所以收发天线面积大幅减小，整个雷达尺寸有效下降。

毫米波雷达是通过电磁波束对于目标进行探测。但是毫米波雷达发射功率、探测距离以及天线排布、探测角度之间互相制约。因此毫米波雷达很难具备大角度和远距离的性能，因此汽车领域的毫米波雷达被分为了三类：远距LRR、中距MRR、近距SRR。

车载毫米波雷达未来趋势：77GHz频段

长期来看，最终车载毫米波雷达将会统一于77GHz频段（76-81GHz），该频段带宽更大、功率水平更高、探测距离更远；相比于24GHz，物体分辨准确度提高2-4倍，测速和测距精确度提高3-5倍，能检测行人和自行车；且设备体积更小，更便于在车辆上安装和部署。

77GHz频率范围是全球装配永久认可的权威频段，因此更适用于全球车辆平台。

其中76-77GHz主要用于长距离毫米波雷达，77-81GHz主要用于中短距离毫米波雷达。

未来79GHz频段（77-81GHz）中短距离毫米波雷达会成为中距离MRR的主流，且有望全面替代24GHz短距离雷达，取代周期取决于各国工业水平、市场趋势及政策力度。

一直以来，毫米波雷达都无法实现高密度点云成像，有效地解析目标的轮廓与类别，检测静止目标、较小目标，同时存在分辨率低等性能问题。

因此毫米波雷达被认为是自动驾驶的辅助传感器，在L2以上自动驾驶系统中应用有限。但4D高精成像毫米波雷达出现后，将彻底改变这一局面。

4D之前，先聊聊什么是3D雷达：

1、其信号天线只在二维方向上排布，因此其对目标的探测只有二维水平坐标（x,y)，没有高度信息(z)；再加上通过多普勒效应探测到的物体速度信息，输出量即为：X / Y/ V；

2、目前量产应用的车载毫米波雷达均为3D雷达。

 4D雷达：

1、水平与垂直方向上，都布置了天线，因此能够额外实现对物体高度的探测，谓之4D，可输出X、Y、Z坐标和速度矢量；

2、可以检测不同高度，不同水平面上的运动物体。

4D高精成像技术增加了雷达对目标俯仰高度数据的探测和解析，可实现俯仰角、时间、距离、方位角的信息感知。4D高精成像毫米波增加时间维度信息后可以有效地解析目标的行为、大小轮廓、类别等。这对L2以上的自动驾驶系统内的视觉和昂贵的激光雷达形成最有效的补充，4D高精成像毫米波雷达将成为L2以上自动驾驶的主传感器。

另外4D高精成像毫米波雷达通过增加虚拟通道，大幅提升分辨率以及目标检测的置信度和检测范围（如距离和FOV），同时进化出激光雷达一样的高密度点云，可带来丰富的感知增强应用。

在识别较小的物体，对遮挡物体、静止物体和横向移动障碍物的检测，以及应用更多的复杂路况时，4D高精成像毫米波雷达对视觉和激光雷达提供不能获取的更有价值的路况信息，从而提高系统融合后的安全性。

4D高精成像毫米波雷达在现有雷达优点的基础上，通过四个维度感知环境，提供比传统毫米波雷达更丰富的数据；4D高精成像毫米波雷达进入大规模量产后，成本仅是激光雷达的1/10。因此4D高精成像雷达有望成为自动驾驶核心传感器，进而代替低端激光雷达，也许会在未来的自动驾驶方案中占据主导地位，实现低成本，高性能可大规模的量产自动驾驶方案。

4D雷达研发难点及遇到的问题：

1、在有体积要求的毫米波雷达上，垂直与水平方向天线紧密排布会相互产生严重的信号干扰，这需要长期的经验积累开发的算法予以解决；

2、雷达信号接收量大大增加，对模数转换器（ADC）的性能要求将会增加；

3、信号处理算法的可靠性、实时性需要保证，传统的毫米波雷达ECU可能无法胜任大规模点云的处理；

4、数据存储需求将会加大，需要额外添置存储单元。

博世毫米波雷达

基于对无人驾驶市场的良好预期，很多厂商都扎入到毫米波雷达赛道。目前，国外毫米波雷达市场几乎由这几家所把持，包括博世、大陆、采埃孚和安波福。

随着毫米波雷达技术的发展，以及发展中的自动驾驶市场，给行业内的新兴势力提供了冒头的机会。比如行易道、苏州豪米波、深圳安智杰、湖南莫之比、杭州智波等一大批初创企业在近几年涌现，他们在不断挑战传统势力的过程中“跑马圈地”，努力使自己成为能够割据一方的强硬势力。

未来，无论是高级辅助驾驶系统产业，还是无人驾驶行业，毫米波雷达都会是汽车最核心的传感器之一。期待国产毫米波雷达更多的装车量产，使我国汽车毫米波雷达产业在全世界享有一席之地。