毫米波雷达在汽车自动驾驶中的应用与展望

　　摘要：从毫米波雷达技术和汽车自动驾驶的现状出发，总结了毫米波雷达在汽车自动驾驶中的应用现状，展望了发展趋势，分析了关键技术，以期为该行业相关人员提供参考。

　　关键词：汽车自动驾驶;毫米波雷达;应用现状;关键技术

　　一、引言

　　毫米波雷达原理是利用雷达天线由发射机发射电磁波，采用障碍物反射再由接收机接收的工作原理，根据收发之间的时间差测得目标位置数据。毫米波雷达研制开始于20世纪40年代，而实际的应用在20世纪50年代才开始展现。进入21世纪后，得益于MMIC、DSP芯片及MCU技术的快速发展，毫米波雷达在民用领域的应用才开始逐步显现。由于其窄波束、小孔径天线及高天线增益等特性，使其具备了精度高、识别力强、全天候、全天时及抗干扰等诸多优势，成为了目标识别、测量、定位不可或缺的重要手段。

　　汽车自动驾驶技术是利用传感器包括摄像头、雷达和超声波来感知周边交通情况，辅以地图路线规划，通过人工智能决策实现车辆自动驾驶。目前环境感知、精准定位、高精地图及测试验证技术己步入高速发展时期，综合技术整体处于L2到L3的转变阶段，即部分自动驾驶到有条件自动驾驶的轉变阶段。由于决策规划及控制执行属于人工智能范畴且发展刚起步，随着信息化水平、计算机能力、SG技术的提升，人工智能将助推自动驾驶从L3跨越到L4、L5，预计在2025～2030年全面实现汽车全自动驾驶。

　　本文将对毫米波雷达在汽车自动驾驶中的应用情况进行总结和分析，并给出关键技术和发展趋势。

　　二、毫米波雷达和汽车自动驾驶的现状

　　(一)毫米波雷达

　　毫米波雷达系统核心包括天线、前端收发组件、数字信号处理器。

　　1.天线

　　目前毫米波雷达天线的主流方案是微带阵列，设计集成在PCB板的微带贴片天线。由于毫米波的波长较短，电路极易发射色散和产生高次模，而且基板材料的介电常数和损耗随频率的增加也变化非常明显，因此需要介电常数稳定、损耗特性低等高性能的高频PCB基材，目前雷达天线PCB技术由国外少数公司掌握，国内高频PCB板厂商暂无技术储备，只能根据图纸代加工，仍需国外进口

　　2.前端收发组件

　　前端收发组件目前集成的主要方法是MMIC，MMIC简化了雷达系统结构，集成度高、成本低且成品率高，适合于大规模生产。基于CMOS工艺的MMIC芯片为行业主流方案，可实现高的集成度，降低系统尺寸、功率和成本，还能嵌入更多的功能。虽然CMOS工艺面临速度和低频噪声等问题，随着深亚微米和纳米工艺的不断发展，硅基工艺特征尺寸不断减小，栅长的缩短弥补了电子迁移率的不足，使晶体管截止频率和最大振荡频率不断提高，使得CMOS工艺在毫米波雷达应用方面不断地取得突破。目前MMIC技术主要由国外半导体公司掌控，随着近些年国内厂商逐渐增长，部分关键技术己取得了突破。

　　3.数字信号处理器

　　数字信号处理系统主要通过DSP芯片或FPGA芯片来实现，DSP适用于较复杂得多算法任务，而FPGA通过较大规模的组合逻辑电路设计完成复杂的时序逻辑功能。在雷达信号处理、数字图像处理等领域中，信号处理的实时性至关重要。由于FPGA芯片在大数据量的底层算法处理上的优势及DSP芯片在复杂算法处理上的优势，融合DSP+FPGA的实时信号处理系统的应用是发展趋势。目前高端DSP芯片和FPGA芯片主要被国外企业垄断，国内技术实力欠缺。

　　(二)汽车自动驾驶

　　近年来，众多车商纷纷推出了各自的自动驾驶解决方案，希望在商业蓝海中搏杀出一片天地，Waymo.特斯拉作为行业引领者，其发展布局万众瞩目。谷歌旗下子公司Waymo;早在2009年就开始布局全自动驾驶领域，历经十年的探索发展，目前已成为汽车自动驾驶领域中技术最为成熟的企业，其下的Waymo～车型于2018年在美国凤凰城郊区投入运营，提供全自动无人驾驶出租车收费服务，2019年7月Waymo获得了美国加州监管机构许可，正式在加州开展无人驾驶出租车运营，标志着全自动无人驾驶技术进入了商业应用阶段。特斯拉作为自动驾驶技术应用于商业最为激进的企业，2016年搭载Autopliot模块的全系车型开始量产，可为驾驶员提供全场景、全路况自动驾驶应用，无论在城市、乡村、高速公路，均可实现车辆完全自动驾驶(LS)，成为了最早实现全场景、全路况无人驾驶的汽车制造商。

　　三、毫米波雷达在汽车自动驾驶中的应用及趋势

　　(一)毫米波雷达在汽车自动驾驶中的应用现状

　　汽车自动驾驶过程需要环境感知传感器为决策执行提供依据，目前主流的环境感知传感器包含视觉摄像头、毫米波雷达、声波雷达及激光雷达等，由于毫米波雷达受恶劣天气及光线影响较少，可以穿透雨雪、浓雾、尘霾进行全天候、全天时工作，使之成为必不可少的环境感知传感器。

　　毫米波车载雷达通常指工作在30300GHz频域的雷达，目前主要用于L1阶段，提供前车防撞预警、自适应巡航控制、变道辅助及盲点监测等辅助驾驶功能，频段主要有24GHz和77G1z两种，技术及应用已相当成熟;在L2～L5阶段，毫米波雷达辅助摄

　　作者简介：陆叶(1982-)，男，四川成都人，硕士，工程师，主要从事电子信息管控等相关市场工作。像头、激光雷达等进行探测补充，为车辆自动驾驶决策提供环境数据，技术及应用也逐步成熟。

　　作为汽车自动驾驶领军的Waymo及特斯拉就采用了两种不同的方案，Waymo使用激光雷达为主(5个激光雷达+4个毫米波雷达+1个摄像头)，而特斯拉则使用视频摄像头为主(8个摄像头+1个毫米波雷达+12个超声波雷达)。由此可见，毫米波雷达由于其不可替代性及成本可控，已成为自动驾驶解决方案中必不可少的传感器，其作用主要是辅助探测，与其他传感器互补，暂无法撼动视觉摄像头或激光雷达核心传感器地位，如果未来毫米波雷达要在汽车自动驾驶领域得到更好的应用，还需要解决分辨率及成像等难题。

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