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在无人驾驶架构中,传感层被比作为汽车的“眼睛”, 包括车载摄像头等视觉系传感器和车载毫米波雷达、车载激光雷达和车载超声波雷达等雷达系传感器。毫米波雷达由于成本较低、技术比较成熟率先成为无人驾驶系统主力传感器。本文将从技术、方案、应用等角度为您详细介绍毫米波雷达。
2014年全球的车载毫米波雷达市场出货量在1900万颗,预计到2020年将增长至7200万颗,年复合增长率达到25%,处于市场快速增长期。其中安全法规和智能网联趋势是市场增长重要推动力。
(资料图片)
什么是毫米波雷达
毫米波是指波长介于1-10mm的电磁波,波长短、频段宽,比较容易实现窄波束,雷达分辨率高,不易受干扰。毫米波雷达是测量被测物体相对距离、现对速度、方位的高精度传感器,早期被应用于军事领域,随着雷达技术的发展与进步,毫米波雷达传感器开始应用于汽车电子、无人机、智能交通等多个领域。
目前各个国家对车载毫米波雷达分配的频段各有不同,但主要集中在24GHz和77GHz,少数国家(如日本)采用60GHz频段。由于77G相对于24G的诸多优势,未来全球车载毫米波雷达的频段会趋同于77GHz频段(76-81GHz)。
车载毫米波雷达的原理
车载毫米波雷达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车身周围的物理环境信息(如汽车与其他物体之间的相对距离、相对速度、角度、运动方向等),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。
毫米波雷达工作路径简图
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。
由于可测量多个目标、分辨率较高、信号处理复杂度低、成本低廉、技术成熟,FWCW雷达成为最常用的车载毫米波雷达,德尔福、电装、博世等Tier 1供应商均采用FMCW调制方式。
FMCW雷达系统主要包括收发天线、射频前端、调制信号、信号处理模块等。毫米波雷达通过接收信号和发射信号的相关处理实现对目标的探测距离、方位、相对速度。
车载毫米波雷达的核心零部件
MMIC芯片和天线PCB板是毫米波雷达的硬件核心,以FMCW汽车雷达系统为例,主要包括天线、收发模块、信号处理模块。
1、MMIC(单片微波集成电路)
MMIC具有电路损耗低、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、抗电磁辐射能力强等特点。它包括多种功能电路,如低噪声放大器(LNA)、功率放大器、混频器、检波器、调制器、压控振荡器(VCO)、移相器等。
毫米波雷达的关键部件前端单片微波集成电路(MMIC)技术由在国外半导体公司掌控,而高频的MMIC只掌握在英飞凌、飞思卡尔等极少数国外芯片厂商手中。国内的MMIC仍处于起步状态,厦门意行和南京米勒为正在研发雷达MMIC,相关性能仍有待验证。另外唯一的豪米波雷达国家重点实验室-东南大学也一直在研发77GHz毫米波集成电路。
2、雷达天线高频PCB板
天线是汽车毫米波雷达有效工作的关键设计之一, 同时也是毫米波车用雷达能否赢得市场的关键。毫米波雷达天线的主流方案是微带阵列,简单说将高频PCB板集成在普通的PCB基板上实现天线的功能,需要在较小的集成空间中保持天线足够的信号强度。77Ghz雷达更高规格的高频PCB板,77GHz雷达的大范围运用将带来相应高频PCB板的巨大需求。例如博世的LRR3,相比于第2代LRR需要用几个砷化镓芯片生成、放大并检测77GHz微波,Bosch第3代LRR极大简化了雷达天线PCB板,仅使用1或2个英飞凌硅锗芯片。
由于ADAS的功能,往往是通过传感器+处理器的方式捆绑销售,使得系统供应商在里面担当了产业链中核心角色,基于毫米波雷达的ADAS技术主要由大陆、博世、电装、奥托立夫等传统零部件系统供应商巨头所垄断。国内高频PCB板厂商暂无技术储备,只能根据图纸代加工,元器件仍需国外进口。沪电股份是大陆和博世的板材供应商,目前已就24GHz和77GHz高频雷达用PCB产品与国际顶尖厂商Schweizer开展合作。
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,随着大众对汽车主动安全性能的认可度增加,ADAS相关产品将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控制(Adaptive Cruise Control),前向防撞报警(Forward Collision Warning),盲点检测(Blind Spot Detection),辅助停车(Parking aid),辅助变道(Lane change assistant),自主巡航控制(ACC)等高级驾驶辅助系统(ADAS)功能。其中24GHz 雷达系统主要实现近距离探测(SRR),而77GHz 系统主要实现远距离的探测(LRR)。
SRR应用图
SRR和LRR结合应用图
想要完全实现ADAS各项功能一般需要“1长+4中短”5个毫米波雷达。目前全新奥迪
A4(参数|图片)采用5个毫米波雷达(1长+4短),奔驰的
S级(参数|图片)采用7个毫米波雷达(1长+6短)。
以自动跟车型(Stop & Go)ACC功能为例,一般需要3个毫米波雷达。车正中间一个77GHz的LRR,探测距离在150-250米之间,角度为10度左右;车两侧各一个24GHz的MRR,角度都为30度,探测距离在50-70米之间。AEB是最有实际意义的ADAS功能,未来会成为中高档汽车的标配,需要1个77GHz LRR。
车载毫米波雷达国内外市场格局
目前毫米波雷达技术主要由大陆、博世、电装、奥托立夫、Denso、德尔福等传统零部件巨头所垄断,特别是77GHz毫米波雷达,只有博世、大陆、德尔福、电装、TRW、富士通天、Hitachi等公司掌握。2015年,博世及大陆汽车雷达市场占有率均为22%,并列全球第一。
2015年全球汽车雷达主要厂商市场占有率
目前中国市场中高端汽车装配的毫米波雷达传感器全部依赖进口,市场被美、日、德企业垄断,价格昂贵,自主可控迫在眉睫。国内自主车载毫米波雷达产品总体仍处于研制阶段。因研发成本及难度较低,目前国内厂商研发方向主要集中于24GHz雷达产品。预计2016-2017年,自主品牌车载毫米波雷达传感器可逐步实现批量装车应用。PCB板有望在今年四季度形成批量生产能力
