毫米波雷達
毫米波雷達通過發射無線電信號(毫米波波段的電磁波)并接收反射信號來測定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,完成合理決策,減少事故發生幾率。
毫米波雷達的工作頻段為30~300GHz毫米波,毫米波的波長為波長為1~10mm,介于厘米波和光波之間,因此毫米波兼有微波制導和光電制導的優點。雷達測量的是反射信號的頻率轉變,并計算其速度變化。雷達可以檢測30-100米遠的物體,高端的雷達能夠檢測到很遠的物體。同時,毫米波雷達不受天氣狀況限制,即使是雨雪天都能正常運作,穿透霧、煙、灰塵的能力強。具有全天候、全天時的工作特性,且探測距離遠,探測精度高,被廣泛應用于車載距離探測,如自適應巡航、碰撞預警、盲區探測等。
相比激光雷達,毫米波雷達精度低、可視范圍的角度也偏小,一般需要多個雷達組合使用。雷達傳輸的是電磁波信號,因此它無法檢測上過漆的木頭或是塑料(隱形戰斗機就是通過表面噴漆來躲過雷達信號的),行人的反射波較弱幾乎對雷達“免疫”。同時,雷達對金屬表面非常敏感,如果是一個彎曲的金屬表面,它會被雷達誤認為是一個大型表面。因此,路上一個小小的易拉罐甚至可能會被雷達判斷為巨大的路障。此外,雷達在大橋和隧道里的效果同樣不佳。
毫米波雷達分類
毫米波雷達的可用頻段有24GHz、60GHz、77GHz、79GHz,主流可用頻段為24GHz和77GHz,分別應用于中短距和中長距測量。比于24GHz,77GHz毫米波雷達物體分辨淮確度可提高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。如表3所示,長距離雷達的偵測范圍更廣,可適配開行速度更快的車輛,但是相應地探測精度下降,因此更適用于ACC自適應巡航這類的應用。典型的長距離雷達有博世的一款產品,其探測前向距離為250米;典型的短距離雷達有大陸的一款產品,其探測距離為前向60米后向20米。
為完全實現ADAS各項功能一般需要“1長+4中短”5個毫米波雷達,目前全新奧迪A4采用的就是 “1長+4短”5個毫米波雷達的配置。以自動跟車型ACC功能為例,一般需要3個毫米波雷達。車正中間一個77GHz的LRR,探測距離在150-250米之間,角度為10度左右;車兩側各一個24GHz的 MRR,角度都為30度,探測距離在50-70米之間。圖7是奔馳的S級車型,采用的是7個毫米波雷達(1長+6短)。
電磁波頻率越高,距離和速度的檢測解析度越高,因此頻段發展趨勢是逐漸由24GHz向77GHz過渡的。1997年,歐洲電訊標準學會確認76-77GHz作為防撞雷達專用頻道。早在2005年原信息產業部發布《微功率(短距離)無線電設備的技術要求》將77GHz劃分給車輛測距雷達。2012年,工信部進一步將24GHz劃分給短距車載雷達業務。2015年日內瓦世界無線電通信大會將77.5-78.0GHz頻段劃分給無線電定位業務,以支持短距離高分辨率車載雷達的發展,從而使76-81GHz都可用于車載雷達,為全球車載毫米波雷達的頻率統一指明了方向。至此之后,最終車載毫米波雷達將會統一于77GHz頻段(76-81GHz),該頻段帶寬更大、 功率水平更高、探測距離更遠。
毫米波雷達國內外制造現況
全球汽車毫米波雷達主要供應商為傳統汽車電子優勢企業,如博世、大陸、Hella、富士通天、電裝、TRW、德爾福、Autoliv、法雷奧等傳統優勢企業。
其中,博世核心產品是長距離毫米波雷達,主要用于ACC系統;最新產品LRR4可以探測250米外的車輛,是目前探測距離最遠的毫米波雷達;市場占有率最高,但客戶集中在奧迪和大眾。大陸客戶分布廣,產品線齊全,主力產品為24GHz毫米波雷達,并且在Stop & Go ACC領域占有率極高。Hella在24GHz-ISM領域客戶范圍最廣,24GHz雷達傳感器下線1000萬片,出貨量達650萬片,市場占有率全球第一。第四代24GHz雷達傳感器將在2017年中投入全球化生產。富士通天和電裝主要占據日本市場,其中富士通天略勝一籌。富士通天、松下和電裝是未來79GHz雷達市場領域的強者。
目前中國市場中高端汽車裝配的毫米波雷達傳感器全部依賴進口,國內自主車載毫米波雷達產品總體仍處于研制階段。因研發成本及難度較低,國際市場上24GHz毫米波雷達供應鏈也已相對穩定,目前國內廠商研發方向主要集中于24GHz雷達產品,可從飛思卡爾等供應商獲得24GHz射頻芯片。目前較為成熟的產品僅有湖南納雷、廈門意行、蕪湖森思泰克的24GHz中短距雷達。而77GHz產品設計難度較大,成本較高;并且英飛凌、ST、飛思卡爾等芯片廠商并沒有對中國開放供應77GHz射頻芯片,因此國內77GHz毫米波雷達的開發受到很大限制。
在雷達數據處理芯片領域,主要采用的是恩智浦(NXP)MR2001多通道77GHz雷達收發器芯片組, 包括:MR2011RX、MR2001TX 、MR2001VC;以及意行半導體24GHz 射頻前端MMIC套片產品,包括:SG24T1、SG24R1、SG24TR1。2016年NXP推出了目前全世界最小(7.5×7.5mm)的單晶片 77GHz高解析度RFCMOS IC雷達晶片。該款車用雷達晶片的超小尺寸使其可以近乎隱形地安裝在汽車的任意位置,且其功耗比傳統雷達晶片產品低40%,為汽車傳感器的設計安裝提供了極大便利。