4000字帶你全面認識毫米波雷達！

當前最火的行業(yè)當屬新能源汽車，而新能源汽車一個最最最重要的特點就是——智能化，自動駕駛，智能感知可以說是新能源汽車的一個大大的買點。就比如最新發(fā)布的小米Su7，理想L6和問界M5，智能化就是其最大的賣點，而智能化除了軟件的支持外，還有一個最重要的部件就是雷達，激光雷達，毫米波雷達，超聲波雷達都是新能源汽車智能感知的重要組成部分。

在問界M5智駕版的介紹中，就應用到了1個高精度激光雷達，3個毫米波雷達和12個超聲波雷達組成。

那么什么是毫米波雷達？他究竟有哪些神奇之處？我們今天一起來學習一下。

No.1?什么是雷達？

我們習慣了雷達這個詞，其實雷達是一個外來詞，一個音譯詞，來源于英語Radar，發(fā)音/?re?.dɑ?r/，而雷達也不是在英語中一開始就有的，它是一個首字母縮寫詞，全稱為 Radio Detection and Ranging，也就是無線電探測與測距。這也是雷達這個詞的基本意義，利用無線電來發(fā)現(xiàn)目標和測量距離。

隨著技術的發(fā)展，雷達的應用和功能早已超脫了探測和測距這個基本范圍，比如測速，測角，目標識別，目標成像，戰(zhàn)場偵察等等。但是只要用到電磁波來進行探測的技術，我們依然稱為雷達。

所以雷達，它不姓雷，他姓Radio，也就是無線電波，應用最為廣泛的電磁波頻段。

電磁波的頻譜如下，除了無線電波Radio之外還有紅外線，可見光，紫外線以及更高頻的x射線和伽瑪射線。

而無線電波中根據(jù)電磁波波長，又可分為長波，短波，米波，厘米波，毫米波以及亞毫米波，如下圖所示。

那么毫米波雷達，就是利用無線電波里的毫米波來進行探測和測距的裝置，電磁波波長為10mm到1mm，對應的頻率為30GHz到300GHz。除了毫米波雷達，還有厘米波雷達，以及米波雷達。

雷達的工作原理如下圖所示

發(fā)射機產生的雷達信號經由天線發(fā)射出去，目標截獲并反射一部分雷達信號，有一部分反射信號被雷達接收機接收，雷達天線收集回波信號，經接收機放大 和濾波處理后發(fā)送至信號處理機和數(shù)據(jù) 處理機進行處理，最終輸入到顯示器上。

雷達按照不同的維度可以分為不同類別，比如按照電磁波信號類型可分為脈沖雷達，連續(xù)波CW雷達和調頻連續(xù)FMCW波雷達。

按照使用場景又可分為軍用雷達和民用雷達；

按照天線配置可分為單站雷達，雙基地雷達和電子掃描陣列雷達；

按照載波又可分為厘米波雷達，毫米波雷達，激光雷達，寬帶雷達等；

不同的雷達，其功能和應用場景也不同。

No.2?雷達的歷史

講到雷達，就不得不提電磁波的歷史。

這種看不到摸不著的東西，確實讓人們煞費苦心，要不是天才科學家麥克斯韋的預言，我想，有可能現(xiàn)在我們還處于通信基本靠吼的時代。

磁的應用比較早，我們的祖先黃帝就是用了磁鐵制造了司南，打敗了蚩尤；而典的認知更多的是早期人們對閃電的恐懼；電和磁在奧斯特的實驗中發(fā)生了第一次握手，而后在法拉第的電磁實驗中產生了更緊密的耦合，一直到天才物理學家麥克斯韋推導出了麥克斯韋方程組，電和磁才真正走到了一起，進而推導出了電磁波的存在。

一直到1885年-1889年，赫茲通過一系列實驗證明了電磁波的存在，并成功測量了電磁波的波長和速度，電磁波才真真正正的走入人們的視野，也逐漸進入人們的生活，直到今天，不可替代。

我們都知道回聲的原理，當我們對著高大的建筑物或者大山大聲說話的時候，我們的聲波會被建筑物反射回來，形成回聲。利用回聲的時差，人們可以粗略的估算大山的距離。

所以，當赫茲證實電磁波的存在之后，研究者最先用到的就是電磁波的反射波原理來測量距離。

1904年，德國工程師斯蒂安·胡爾斯邁爾（Christian Hülsmeyer）正是基于赫茲的原理，發(fā)明了障礙物探測器和船舶導航裝置，也就是最早的雷達，發(fā)明示意圖如下圖所示。

胡爾斯邁爾還建造了一座”雷達“，并公開演示了這個神奇的裝置，并且成功將電磁波信號發(fā)射到一艘正在靠近的船上，并且成功接收到了反射信號。

只可惜，那個時候還相對和平，沒有什么人對他的設備感興趣。

直到1927年，Hans E Hollmann 博士進一步研究了該設備，并建造了第一個厘米波長的發(fā)射器和接收器，這就是第一個“微波”通信系統(tǒng)。漢斯-卡爾·馮·威爾森（Hans-Karl?von Willsen）與霍爾曼（Hollmann）和第三位科學家岡瑟·埃爾布斯洛（Gunther Erbsloeh）合作，完善了一種設備，可以探測到大約8公里外的船只和大約30公里外在500米高空飛行的飛機。海洋系統(tǒng)被稱為“Seetakt”，陸地系統(tǒng)被稱為“Freya”——這三個系統(tǒng)可以說是創(chuàng)造了我們最常與雷達聯(lián)系在一起的應用——探測和評估物體的距離。

真正的雷達就誕生了，伴隨著第二次世界大戰(zhàn)，雷達的技術和應用都得到了飛速的發(fā)展。

直到今天，最先進的雷達技術仍然是服務于戰(zhàn)爭的需要。

而隨著自動駕駛技術的發(fā)展，毫米波雷達也成為了民用最廣泛的一種雷達設備。

No.3 毫米波雷達的原理

毫米波雷達，就是利用毫米波來進行探測的裝置，我們先來說一下毫米波的優(yōu)點和缺點。

毫米波的工作波長在10mm到1mm之間，對應的工作頻率為30GHz到300GHz，是處于微波和光波之間的一段電磁波頻譜，所以呢，毫米波雷達兼具微波和光波的雙重優(yōu)點，總結如下：

當然也有其劣勢，比如雨、霧和濕雪等高潮濕環(huán)境的衰減，以及大功率器件和插損的影響降低了毫米波雷達的探測距離；樹叢穿透能力差，相比微波，對密樹叢穿透力低；元器件成本高，加工精度相對要求高，單片收發(fā)集成電路的開發(fā)相對遲緩。

取其有點，去其糟粕，毫米波雷達的應用主要在：

所以呢，毫米波雷達在導彈制導，炮火控制，等軍事領域得到了廣泛的應用，同樣配合激光雷達和攝像頭的應用，毫米波雷達在智能汽車和自動駕駛上也得到了廣泛的應用。

毫米波雷達在智能汽車上的應用，主要在測距，測速和測角三個方面。以 FMCW 雷達系統(tǒng)為例，其基本功能實現(xiàn)原理為：

FMCW雷達的信號的頻率隨時間線性上升，如下圖所示，這種類型的信號也稱為線性調頻脈沖。

下圖是FMCW信號的波形，振幅A和隨時間的變化。

如果以頻率作為時間的函數(shù)的話，其波形如下圖所示：

MCW 雷達系統(tǒng)發(fā)射線性調頻脈沖信號，并捕捉其發(fā)射路徑中的物體反射的信號。其發(fā)射頻率和接收頻率隨時間的函數(shù)如下圖所示

那么利用這個時間差，就能夠快速得到目標的距離。

同樣道理，我們利用兩個FMCW信號就可以得到目標的速度。

FMCW雷達利用水平面也可以估算反射信號的角度，如下圖所示，這個角度也叫做達到角（AoA）

當然，對于移動的物體，在計算中要考慮多普勒效應。

No.4 車載毫米波雷達

車載毫米波雷達目前常用的工作頻率有24GHz、60GHz、77GHz、80GHz，頻率越高，波長越短，其精度也就越高。

在華為官網(wǎng)上有介紹一款ASN850毫米波感知雷達，工作頻率在80GHz，探測距離大于1000米，探測寬度可達到10車道，詳細的性能指標如下圖所示。

像上文提到的測距，測速，測角這三種功能，在這款雷達上都具備，行業(yè)內也稱這種類型的雷達為3D雷達，但是沒有高度信息，這個在智能駕駛中也會引起誤判，也是傳說中特斯拉當初棄用毫米波雷達的原因之一。

不過隨著技術的發(fā)展，4D雷達開始顯露頭角，在傳統(tǒng)的測距，測速，測角的基礎上，加上了測高度的功能。

相比傳統(tǒng)毫米波雷達僅能判斷出前方有障礙物，4D毫米波雷達增加了縱向天線及處理器，可以接收更多信息返回點，并像激光雷達一樣呈點云圖，能呈現(xiàn)出更多細節(jié)信息，探測出障礙物的形狀，彌補了傳統(tǒng)雷達難以識別靜態(tài)障礙物的短板。

基于TI的AWR2243芯片的4D雷達城市道路交通參與者目標分類與檢測研究，包括同濟大學測試場采集的目標檢測與分類數(shù)據(jù)集可視化結果表明，4D雷達可以輸出有高度的目標點云，反映目標的輪廓外形。雖然與激光雷達點云成像原理不同，僅從毫米波雷達的點云還無法準確判斷一個目標額外形等特征，但是其點云的散射特征具備一定規(guī)律。

隨著4D成像雷達技術的發(fā)展，毫米波雷達在智能駕駛中的應用也越來越廣泛。

參考資料：

1，一文讀懂4D毫米波雷達；

2，深度聊聊4D毫米波雷達技術及發(fā)展

3，車載毫米波雷達——高階自動駕駛的標配

4，ASN850-毫米波雷達-企業(yè)微波-華為企業(yè)業(yè)務 (huawei.com)；

5，毫米波雷達_百度百科 (baidu.com)；

6，工業(yè)毫米波雷達傳感器 | TI.com.cn；

7，Radar - Detection, Military, Technology | Britannica