77G毫米波雷達(dá)ADAS應(yīng)用及方案分析

袁沂 周升輝

（1.睿馭汽車（北京）有限公司，北京 100015；2是德科技（中國(guó)）有限公司，北京 100102）

主題詞：毫米波雷達(dá) 自動(dòng)駕駛 高級(jí)輔助駕駛

縮略語：

ADAS Advanced Driving Assistant System（高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)）

AD Autonomous driving（自動(dòng)駕駛系統(tǒng)）

AEB Advanced Emergency Brake（先進(jìn)緊急剎車）

ACC Adaptive Cruise Control（自適應(yīng)巡航）

AP Automated Parking（自動(dòng)泊車）

BSD Blind Spot Detection（盲點(diǎn)檢測(cè)）

CA Collision Avoidance（碰撞避免）

CW Continuous Wave（連續(xù)波）

EBA Emergency Brake Assist（緊急剎車輔助）

FCW Forward Collision Warning（前向碰撞警報(bào)）

FMCWFrequency Modulated Continuous Wave（調(diào)頻連續(xù)波）

SVM Surround View Monitor（環(huán)視系統(tǒng)）

TSR Traffic Sign Recognition（交通標(biāo)志識(shí)別）

UPA Ultrasonic Parking Assistant超聲波雷達(dá)泊車輔助系）

LCA Lane Change Assist（變道輔助系統(tǒng)）

LDW Lane Departure Warning（車道偏移報(bào)警）

OD Obstacle Detection（障礙物檢測(cè)）

PA Parking Assist（停車輔助）

PCW Pedestrian Collision Warning（行人碰撞報(bào)警）

PED Pedestrian Detection（行人檢測(cè)）

RCW Rear Collision Warning（追尾報(bào)警）

RCTA Rear Cross Traffic Alert（倒車橫穿警報(bào)）

0 前言

自汽車誕生之日起，駕駛安全問題就一直困擾著人類。車載微波雷達(dá)技術(shù)作為減少交通事故的有效手段，發(fā)展已經(jīng)有30多年的歷史。近年來，伴隨著毫米波雷達(dá)射頻器件片上集成技術(shù)的發(fā)展，使得車載雷達(dá)體積減小，價(jià)格低廉，性能大幅提升。毫米波雷達(dá)相比其他傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)，分辨率高、反應(yīng)快、受惡劣天氣影響小的特點(diǎn)，成為各主機(jī)廠研發(fā)高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）和自動(dòng)駕駛技術(shù)的必選傳感器。

實(shí)際早在90年代初，美國(guó)就開始在校車和長(zhǎng)途巴士上安裝24 GHz頻段的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)。它們能夠提供諸如前向碰撞報(bào)警FCW和防撞制動(dòng)CA等被動(dòng)或主動(dòng)的安全功能，且事實(shí)上對(duì)降低追尾事故和減少傷亡表現(xiàn)出顯著的效果。而后，歐美各大車廠開始研發(fā)通過毫米波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)基于安全和舒適駕駛目的ACC（Adaptive Cruise Control）自適應(yīng)巡航功能。從1995年開始西方主要車企業(yè)陸續(xù)在其高端轎車上安裝ACC系統(tǒng)。1999年梅賽德斯率先在其S級(jí)轎車上安裝了77 GHz ACC雷達(dá)。接下來其他車廠相繼跟進(jìn)，如寶馬7系、捷豹、奧迪A8和大眾的輝騰等系列也安裝了用以實(shí)現(xiàn)ACC功能的77 GHz毫米波雷達(dá)[1]。至此汽車的ADAS時(shí)代正式拉開序幕。

隨著AI技術(shù)的興起，近年來ADAS功能逐步趨向于自動(dòng)駕駛場(chǎng)景。此時(shí)自動(dòng)駕駛汽車對(duì)環(huán)境感知能力的要求也進(jìn)一步提高，多種類型的空間探測(cè)傳感器被引入系統(tǒng)。基于機(jī)器視覺算法的攝像頭和高精度點(diǎn)云成像的激光雷達(dá)成為和毫米波雷比肩的同行者。但在面對(duì)復(fù)雜的交通環(huán)境、天氣及晝夜的變化，毫米波雷達(dá)表現(xiàn)卓越的性能更加搶眼、使之成為當(dāng)前自動(dòng)駕駛技術(shù)方案的標(biāo)配。

本文基于毫米雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)比目前主流芯片廠商的集成方式，以及雷達(dá)模組廠商的主要產(chǎn)品，給出毫米波雷達(dá)選擇準(zhǔn)則和配置規(guī)律。本文主要包括3部分內(nèi)容，第一節(jié)介紹毫米波雷達(dá)的工作原理和前端電路結(jié)構(gòu)。第二節(jié)介紹76～81 GHz毫米波雷達(dá)在ADAS功能和AD自動(dòng)駕駛中的角色和功能，重點(diǎn)介紹相較激光雷達(dá)和攝像頭兩種技術(shù)方案毫米波雷達(dá)的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。第三節(jié)重點(diǎn)介紹和對(duì)比主要雷達(dá)前端半導(dǎo)體廠商的77 GHz雷達(dá)方案和特點(diǎn)，為汽車?yán)走_(dá)研發(fā)人員提供方案選型依據(jù)。

1 車載毫米波雷達(dá)工作原理

1.1 毫米波雷達(dá)可測(cè)量物理量

作為ADAS或AD自動(dòng)駕駛汽車空間感知系統(tǒng)的重要組件，毫米波雷達(dá)可為主機(jī)車輛提供多種高精度的路面空間信息，如目標(biāo)車輛的距離、方位角和相對(duì)速度等。這些信息對(duì)車輛主動(dòng)控速、避讓其他車輛，甚至執(zhí)行緊急安全措施都具有非常重大的意義。

圖1 前向毫米波雷達(dá)測(cè)量應(yīng)用示意

圖1 為例，展示了車載雷達(dá)的3個(gè)主要的測(cè)量能力，即與目標(biāo)車輛（物體）的距離、方位角和相對(duì)徑向速度。而對(duì)于高分辨率雷達(dá)還具有一定物體特征的檢測(cè)能力，從而判斷目標(biāo)的性質(zhì)，比如轎車、卡車、行人、路燈桿、冰面路等。

從原理上說，傳統(tǒng)的脈沖雷達(dá)是通過測(cè)量發(fā)射波和反射波之間的傳輸延時(shí)求得與目標(biāo)物體的距離參數(shù)[2]；通過水平旋轉(zhuǎn)雷達(dá)天線的發(fā)射面實(shí)現(xiàn)機(jī)械掃描來獲取目標(biāo)的方位角度；對(duì)于被測(cè)目標(biāo)的速度，則必須采用發(fā)射連續(xù)波，經(jīng)過測(cè)量反射波的多普勒頻移并計(jì)算獲得。可以看出，單一測(cè)量目的的雷達(dá)原理并不復(fù)雜，但是如何將它們集成到一具雷達(dá)組件上，并且具有的小型化、輕量化、低功耗和耐震動(dòng)的特點(diǎn)就是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)了。這也成為各大廠商摒棄機(jī)械雷達(dá)，不約而同的選擇固態(tài)毫米波雷達(dá)的主要原因。

首先，毫米波波長(zhǎng)短，收發(fā)天線尺寸小，組件裝置就可以做的很小；其次，伴隨著射頻技術(shù)的發(fā)展，毫米波半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)比較成熟，雷達(dá)前端電子器件集成度很高，雷達(dá)模組重量輕，抗震性能理想。而且隨著雷達(dá)芯片的大規(guī)模量產(chǎn)，組件成本低，可以在車身上安裝多組、級(jí)聯(lián)和拼接后實(shí)現(xiàn)360°環(huán)視，這樣就無需復(fù)雜而精密的機(jī)械掃描構(gòu)造；而且從信號(hào)處理的角度，毫米波雷達(dá)采用的特殊調(diào)制方式，可以在極短時(shí)間內(nèi)完成距離和角度的雙重測(cè)量，效率非常高。而且通過反射波的微多普勒特征，通過算法可以判斷目標(biāo)物體屬性，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別。而這種“特殊的調(diào)制方式”就是下面介紹的FMCW調(diào)頻連續(xù)波。

1.2 FMCW調(diào)頻連續(xù)波

FMCW“調(diào)頻連續(xù)波”從字面上就可以理解此信號(hào)的特點(diǎn)：它是一種調(diào)頻信號(hào)，且波形連續(xù)非離散。這就與前文提到的離散脈沖雷達(dá)完全不同。如圖2的下側(cè)波形就是調(diào)制后的FMCW雷達(dá)發(fā)射信號(hào)。它是通過圖2上端的Tx三角波來調(diào)制VCO壓控振蕩器，使其輸出形成周期內(nèi)頻率單調(diào)增加或減小的FMCW信號(hào)。

下面介紹FMCW的基本原理。

圖2 FMCW信號(hào)聯(lián)合測(cè)量法[3]

如圖3發(fā)射波Tx到達(dá)被測(cè)物體后部分反射波Rx回到雷達(dá)的接收天線。如果能獲得Tx到Rx的延遲時(shí)間T，便可通過光速算出電磁波的往返路程，除2即可得出與被測(cè)物體之間的距離R。

式1中C為光速，fB為收發(fā)信號(hào)的頻率差，fH為發(fā)射信號(hào)的最大頻率，Tc為到達(dá)最大頻率的周期。

但是對(duì)車輛這樣的移動(dòng)目標(biāo)，問題就變得復(fù)雜一些。因?yàn)檐囕v之間有相對(duì)速度Vr，反射波存在多普勒頻移fD，公式1無法求解。此時(shí)將有兩個(gè)未知數(shù)R和Vr出現(xiàn)，需要通過二次測(cè)量建立方程組進(jìn)行計(jì)算。分別在發(fā)射信號(hào)頻率的上升和下降階段進(jìn)行兩次測(cè)量，得到fB1和fB2兩個(gè)頻差。

圖3 FMCW雷達(dá)信號(hào)測(cè)距原理[3]

其方程如下：

通過求解方程可快速獲得Vr和R兩個(gè)目標(biāo)參數(shù)。但是三角波FMCW也存在缺陷，在多目標(biāo)檢測(cè)時(shí)，會(huì)有多個(gè)反射波出現(xiàn)，同時(shí)測(cè)得多個(gè)fB頻差和產(chǎn)生多個(gè)解。其中就存在假目標(biāo)，就是所謂的鬼影。此問題需要進(jìn)行多次測(cè)量才能消除，雷達(dá)系統(tǒng)的效率被一定程度的降低。

三角波FMCW的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)測(cè)量目標(biāo)的距離和徑向速度，但局限是在多目標(biāo)測(cè)試中容易出現(xiàn)混疊或者鬼影，而且測(cè)量刷新率低，受限于2Tc，通常為幾十毫秒。

1.3 啁啾Chirp序列雷達(dá)

相對(duì)于測(cè)量周期有幾十毫秒的三角波FMCW雷達(dá)，近年來一種啁啾Chirp毫米波雷達(dá)被研制出來。如圖4，它采用一種超快速的三角波序列作為調(diào)制信號(hào)，每個(gè)Chirp序列是由n個(gè)三角波組成的鋸齒波。其單個(gè)Chirp信號(hào)的周期非常短，而整個(gè)序列的周期為TCPI=N·TChirp。因?yàn)閱蝹€(gè)Chirp信號(hào)的多普勒頻移也非常小，可以忽略不計(jì)。一個(gè)周期Chirp信號(hào)就可以來測(cè)頻差，而算出目標(biāo)物體的距離。同時(shí)徑向速度Vr取決于Chirp序列收發(fā)信號(hào)的相位比較。

圖4 Chirp序列信號(hào)[3]

一般情況下Chirp序列的N在100～1 000之間，單個(gè)Chirp信號(hào)TChirp＜10 μs。

式（5）的約等號(hào)就是表示忽略單個(gè)Chirp信號(hào)的多普勒相移求解距離R的方法。而徑向速度Vr是通過對(duì)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)的Chirp序列之間的相位比較，這些需要通過之后的數(shù)字處理執(zhí)行FFT離散傅里葉變換計(jì)算。

近年來，三角波調(diào)制的FMCW雷達(dá)已經(jīng)初步被Chirp序列雷達(dá)取代。其優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）同時(shí)測(cè)量目標(biāo)距離R和徑向速度Vr

（2）R和Vr測(cè)量時(shí)具有目標(biāo)分辨率

（3）測(cè)量精度高

（4）測(cè)量時(shí)間短

（5）假目標(biāo)識(shí)別能力強(qiáng)

雖然看起來Chirp序列雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜度較三角波FMCW要高很多，但是其復(fù)雜性主要集中在波形發(fā)生和數(shù)字處理部分。而當(dāng)前采用RFCMOS和BiCMOS工藝的高集成度的數(shù)模混合IC，執(zhí)行算法的數(shù)字處理器被集成進(jìn)雷達(dá)芯片組，計(jì)算能力本身早已不是問題。

1.4 車載雷達(dá)收發(fā)器結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的脈沖雷達(dá)是通過測(cè)量收發(fā)信號(hào)的脈沖時(shí)間差來算出與目標(biāo)距離。但是三角FMCW或Chirp雷達(dá)卻是要測(cè)量發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)之間的頻率差，這就需要在雷達(dá)收發(fā)器中加入一個(gè)混頻器，將收發(fā)信號(hào)進(jìn)行混頻得到頻率差（也可稱為IF中頻信號(hào)）。毫米波雷達(dá)組件是如何實(shí)現(xiàn)它的功能的呢？下邊需要介紹一下雷達(dá)的電路結(jié)構(gòu)。

圖5 毫米波雷達(dá)原理[4]

如圖5展示了基本的毫米波雷達(dá)原理框圖。三角波發(fā)生器通過控制鎖相環(huán)PLL內(nèi)的VOC壓控振蕩器產(chǎn)生一個(gè)周期性的調(diào)頻信號(hào)。經(jīng)過n倍頻器將其變換到76 GHz～81 GHz的發(fā)射頻率。經(jīng)過PA放大，由Tx天線將雷達(dá)波束發(fā)射出去照射目標(biāo)物體。雷達(dá)波經(jīng)物體反射回到Rx天線。微弱的反射信號(hào)再經(jīng)過LNA低噪聲放大器再與Tx信號(hào)進(jìn)行混頻，從而得到IF差頻信號(hào)fB。以上在整個(gè)毫米波雷達(dá)系統(tǒng)中被稱為“射頻前端”（RF FE）。而后模擬的IF信號(hào)通過“數(shù)字前端”的ADC電路進(jìn)行采樣和量化轉(zhuǎn)換數(shù)字基帶信號(hào)。接下來的數(shù)字型號(hào)通過總線接口傳輸給執(zhí)行FFT運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)處理器DSP，最終計(jì)算獲得目標(biāo)物體的距離、方位和速度等信息。

從電路結(jié)構(gòu)來看，在數(shù)字處理之前是被稱為“雷達(dá)收發(fā)器”的部分，也是各車載雷達(dá)芯片公司主要的戰(zhàn)場(chǎng)。而之所以將車載毫米波雷達(dá)系統(tǒng)劃分成射頻前端、數(shù)字前端和數(shù)字處理這三部分，主要是因?yàn)楦骼走_(dá)半導(dǎo)體廠商通過對(duì)這三部分電路的集成和分割來體現(xiàn)各自在半導(dǎo)體工藝、雷達(dá)性能和集成度方面的差異化和優(yōu)勢(shì)化。這方面的討論將在本文在第三節(jié)進(jìn)行詳述。

以上第一節(jié)作為基礎(chǔ)，介紹了毫米波雷達(dá)的測(cè)距測(cè)速的原理以及基本電路結(jié)構(gòu)。之后的兩章是本文的重點(diǎn)，主要聚焦在當(dāng)前毫米波雷達(dá)在ADAS和自動(dòng)駕駛上的應(yīng)用，以及具體芯片廠商的方案特點(diǎn)和差異。

2 最新車載毫米波雷達(dá)的分類和應(yīng)用

2.1 ADAS/AD對(duì)車載雷達(dá)的需求

雷達(dá)自發(fā)明以來一直是搜索和跟蹤的利器，伴隨著雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，它們已經(jīng)不限于軍事和科研目的，更成為民用空間感知技術(shù)的重要組成部分，特別是在自動(dòng)駕駛或機(jī)器人這種對(duì)空間地圖重建強(qiáng)需求的領(lǐng)域。從市場(chǎng)角度，恰逢百年汽車行業(yè)的變革，全球汽車工業(yè)朝著電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的方向發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)具有ADAS功能的汽車需求增加，也帶來了車載雷達(dá)需求總量的激增。這期間各大IC廠商紛紛進(jìn)入，與汽車部件供應(yīng)商和車廠一起建立了一套完整的車載雷達(dá)技術(shù)與供給產(chǎn)業(yè)鏈。同時(shí)單車?yán)走_(dá)的數(shù)量、性能和安裝位置也已經(jīng)與具體的ADAS任務(wù)之間產(chǎn)生了特定關(guān)系。

表1 ADAS-AD車身探測(cè)雷達(dá)/傳感器數(shù)量[5]

從雷達(dá)裝備數(shù)量來看，表1展示了NXP恩智浦半導(dǎo)體公司預(yù)估自動(dòng)駕駛Level 1～Level 5各級(jí)車載雷達(dá)及其他傳感器數(shù)量需求。ADAS至自動(dòng)駕駛Level 1～Level 5級(jí)的進(jìn)階是汽車駕駛朝著自動(dòng)化和智能化升級(jí)的過程，它同時(shí)伴隨著車身雷達(dá)Radar和攝像頭Camera數(shù)量的增加。可以看出毫米波雷達(dá)和攝像頭的數(shù)量遠(yuǎn)大于同程度的激光雷達(dá)LiDAR。這不只是原理和用途上的差異，更是成本的考量。可以說未來車載毫米波雷達(dá)使用的普遍性、總裝數(shù)量和市場(chǎng)都會(huì)非常的龐大。

2.2 車載雷達(dá)及傳感器種類

毫米波雷達(dá)是通過電磁波束對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的，因?yàn)榘l(fā)射功率與探測(cè)距離，天線排布與探測(cè)角度之間制約關(guān)系，很難讓一具雷達(dá)同時(shí)具備大角度和遠(yuǎn)距離的性能。所以毫米波雷達(dá)根據(jù)不同的探測(cè)需要被分為遠(yuǎn)距LRR、中距MRR和近距SRR 3個(gè)類型，如表2所示。

表2 各種車載探測(cè)傳感器的作用距離和視場(chǎng)角度[6][7]

作為ACC自適應(yīng)巡航功能的前視雷達(dá)采用LRR，它要看的足夠遠(yuǎn)以保證車輛在高速行駛過程中有足夠的減速時(shí)間和制動(dòng)距離，但LRR的波束集中限制了它的視場(chǎng)角。而MRR中距雷達(dá)主要支持如LCA變道輔助等功能。它可以提前檢測(cè)目標(biāo)車道的路面情況，確定其他車輛的位置和速度，車載計(jì)算機(jī)通過計(jì)算就可以制定變道時(shí)機(jī)、切入角度和速度等行駛動(dòng)作策略。SSR則和當(dāng)前很多車輛的超聲波雷達(dá)的功能有一定重合，主要支持車身環(huán)視、自動(dòng)泊車和障礙物檢測(cè)功能。同時(shí)較Ultrasonic超聲波雷達(dá)，SRR其探測(cè)范圍更大，可以精確定位車身周圍行人或障礙物的位置。

除了上述提到的從功能上劃分，當(dāng)前車載毫米波雷達(dá)還可以從波段和帶寬上劃分（表3）。

表3 毫米波雷達(dá)頻點(diǎn)和帶寬分類[4]

車載毫米波雷達(dá)中心頻率從24G提高到77G除了考慮各國(guó)頻段資源分配的法規(guī)，更重要的是77G可以承載的更高的工作帶寬，從而提供更高分辨率和目標(biāo)檢測(cè)能力。比如，77G雷達(dá)在1G的帶寬時(shí)，在前方250 m的范圍內(nèi)分辨行人和車輛，這對(duì)車輛駕駛決策具有非常重要的意義。

2.3 車載毫米波雷達(dá)在ADAS上對(duì)應(yīng)的具體功能

當(dāng)前帶有高級(jí)輔助駕駛功能的汽車，會(huì)根據(jù)其支持的項(xiàng)目來部署車載雷達(dá)和其他傳感器(表4)。

表4 各種車載車身傳感器對(duì)應(yīng)ADAS功能

表4總結(jié)了當(dāng)前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的L3級(jí)ADAS的主要功能。其中9項(xiàng)需采用毫米波雷達(dá)的支持。可以說毫米波雷達(dá)是未來高級(jí)輔助駕駛和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的“標(biāo)配”。毫米波雷達(dá)在全天候條件下，測(cè)量效率和系統(tǒng)成本優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)高于激光雷達(dá)和攝像頭。但其在交通標(biāo)志、標(biāo)線和物體識(shí)別方面的缺陷，則要由攝像頭傳感器來支撐。

圖6 車身雷達(dá)探測(cè)和作用范圍

如圖6所示，當(dāng)前車載毫米波雷達(dá)Radar都是固態(tài)的，安裝在車身的固定位置，并探測(cè)車外相應(yīng)區(qū)域，如前視MRR中距雷達(dá)、后視MRR中距雷達(dá)和近距SRR環(huán)視雷達(dá)。攝像頭也同樣采用固定職位安裝，并監(jiān)視相應(yīng)的區(qū)域。而當(dāng)前比較成熟激光雷達(dá)基本采用機(jī)械掃描方式，一般安裝在車頂以此實(shí)現(xiàn)360°掃描。

2.4 毫米波雷達(dá)和其他傳感器的比較

從目標(biāo)探測(cè)和跟蹤范圍來看，毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭和超聲波雷達(dá)不論從性能還是應(yīng)用上都互有重疊，但卻無法相互取代，這與它們各自的性能和適應(yīng)環(huán)境有著密切的關(guān)系。本文通過適用環(huán)境、功能應(yīng)用和成本因素3個(gè)方面對(duì)毫米波雷達(dá)和其他傳感器做以比較。

（1）適用環(huán)境（毫米波PK攝像頭）

毫米波雷達(dá)的全天候能力是攝像頭無法取代的。特別是在夜間和雨霧雪等天氣，對(duì)毫米波雷達(dá)測(cè)量性能影響很小，而對(duì)攝像頭和激光雷達(dá)的影響會(huì)非常大。但是，毫米波雷達(dá)完全沒有視覺識(shí)別能力，無法完成類似標(biāo)志標(biāo)線的提取和識(shí)別，這樣就無法單獨(dú)完成例如車道保持和變道等的ADAS應(yīng)用。

（2）功能應(yīng)用（毫米波PK攝像頭）

ADAS的各種功能都是基于安全的智能應(yīng)用，車輛和行人的安全是前提保證。毫米波雷達(dá)探測(cè)距離遠(yuǎn)且可以直接快速獲取目標(biāo)的距離速度信息，系統(tǒng)響應(yīng)快速而且可靠，非常適用于各種安全報(bào)警和事故預(yù)防的ADAS功能。而攝像頭在獲取圖像后，需要通過車載計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行感知運(yùn)算，需要處理時(shí)間響應(yīng)且延遲較大。所以，如ACC自適應(yīng)巡航、EBA緊急剎車輔助和RCW追尾報(bào)警燈都首選毫米波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)。

（3）成本因素（毫米波PK激光雷達(dá)）

激光雷達(dá)具備探測(cè)精度高（毫米級(jí)）和距離大的優(yōu)勢(shì)，且可生成點(diǎn)云圖像，擁有高分辨率和一定的物體識(shí)別能力。但是相對(duì)于高性能就是它的高價(jià)格。從商業(yè)化量產(chǎn)的角度，激光雷達(dá)并不是適于對(duì)成本敏感的居民出行車輛的大規(guī)模裝備。

本章是從功能應(yīng)用的角度，介紹了最新的ADAS技術(shù)對(duì)車載雷達(dá)特別是毫米波雷達(dá)的需求。同時(shí)細(xì)分了車載毫米波雷達(dá)的種類和對(duì)應(yīng)具體功能。最后通過對(duì)比其他兩種空間傳感器，突出了毫米波雷達(dá)在環(huán)境適應(yīng)能力、技術(shù)特點(diǎn)和成本上的優(yōu)勢(shì)。可以說，未來整個(gè)自動(dòng)駕駛市場(chǎng)對(duì)毫米波雷達(dá)充滿了期待。那么各個(gè)毫米波雷達(dá)部件供應(yīng)商，特別處于核心技術(shù)的雷達(dá)收發(fā)器IC廠商都在做什么？它們的產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)是怎樣的？將在第三節(jié)詳解。

3 77G毫米波雷達(dá)方案

3.1 典型ADAS/AD駕駛雷達(dá)方案

為了更好的了解最新毫米波雷達(dá)的硬件方案，我們先關(guān)注一下前沿的ADAS/自動(dòng)駕駛感知系統(tǒng)的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖7 ADAS/自動(dòng)駕駛空間傳感器系統(tǒng)[8]

如圖7展示，首先明確的將固態(tài)激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和攝像頭傳感器分成獨(dú)立的3個(gè)域，每個(gè)域有一個(gè)單獨(dú)的域控制器（Sensor Domain Processor）。而一個(gè)域控制器下掛多個(gè)同類的傳感器或雷達(dá)。比如，毫米波雷達(dá)域就有2組共6具雷達(dá)收發(fā)器。要說明的是最新的車載毫米波雷達(dá)支持級(jí)聯(lián)技術(shù)，它通過將多個(gè)收發(fā)器串聯(lián)在一起，增加某一方向上收發(fā)天線數(shù)量，通過域控制器的同步使這個(gè)方向的雷達(dá)具有更大的視場(chǎng)角度和探測(cè)能力。如圖7中，6個(gè)SRR/MRR中短毫米波雷達(dá)就是3個(gè)一組的級(jí)聯(lián)方式，2組分別負(fù)責(zé)不同的探測(cè)方向。同時(shí)LRR遠(yuǎn)距毫米波雷達(dá)被獨(dú)立出來，因?yàn)榍翱蠢走_(dá)采用寬帶高分辨率窄波束模式，專門負(fù)責(zé)ACC和AEB等高安全級(jí)別功能。其數(shù)據(jù)接口要滿足大帶寬和低延時(shí)要求，因此直接鏈接融合控制器，而不經(jīng)由域控制器的分支。

當(dāng)然，這種以控制融合單元（Control Fusion Unite）為中心的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以拓展多個(gè)域控制器，結(jié)構(gòu)非常靈活。不同類型的雷達(dá)或傳感器獲取的空間數(shù)據(jù)在這個(gè)單元中進(jìn)行融合計(jì)算，最終建立起一個(gè)三維空間地圖，實(shí)現(xiàn)如安全預(yù)警、變道、環(huán)視和自動(dòng)泊車等ADAS功能。

3.2 77/79G雷達(dá)系統(tǒng)方案

如1.4節(jié)所展示的，一個(gè)完整車載毫米波雷達(dá)收發(fā)器模塊，包括射頻前端（含天線）、數(shù)字前端、數(shù)字處理DSP以及電源這4個(gè)部分。毫米波雷達(dá)作為整車前裝部件，且單車裝備數(shù)量多，所以整車廠對(duì)其成本非常敏感。早期的毫米波雷達(dá)方案，由于受到射頻半導(dǎo)體工藝的限制，其電路主要由分離器件搭建，性能和質(zhì)量并不穩(wěn)定，成本也下不來。但隨著MMIC微波芯片技術(shù)和制造工藝的提高，不同的半導(dǎo)體公司都提出各自特點(diǎn)的集成方案。

表5 歐美主要雷達(dá)芯片廠最新方案

如歐洲的英飛凌（Infineon）其車載雷達(dá)方案發(fā)展的較早，他們最早采用離散器件電路，后逐步集成形成今天基于BiCMOS工藝收發(fā)器+數(shù)字DSP的套片方案。歐洲的另外一個(gè)廠商恩智浦（NXP）2017年開始從BiCMOS轉(zhuǎn)向集成度更高的RFCMOS收發(fā)器+數(shù)字DSP的方案。而大洋彼岸的美國(guó)德州儀器（TI）則從一開始就采用RFCOMS技術(shù)制造集成數(shù)字處理后端的單芯片方案。這里可以看出從工藝角度有BiCMOS vs RFCMOS兩大流派；從結(jié)構(gòu)上有“套片方案”vs“單芯片方案”2種方案。下面就從成本和優(yōu)缺點(diǎn)來分析這3種典型毫米波雷達(dá)IC方案。

3.2.1 BiCMOS vs RFCMOS

BiCMOS主要為SiGe（硅鍺）工藝，BiCOMS是當(dāng)前MMIC領(lǐng)域一種比較成熟的模擬制程。它是將雙極型BJT晶體管和0.5 μm的CMOS技術(shù)結(jié)合在一起，讓芯片既擁有硅工藝一定的集成度、較高的優(yōu)良品率和較低的成本，又具備第3到第5類半導(dǎo)體在高截止頻率、高功率、高線性度、低噪聲等優(yōu)良射頻性能。BiCMOS非常適合制造毫米波雷達(dá)射頻收發(fā)器IC。而采用RFCMOS工藝的優(yōu)勢(shì)是可以將射頻前端，運(yùn)算處理與存儲(chǔ)器等數(shù)字組件制作在一塊晶片上。這就意味著可以將雷達(dá)系統(tǒng)的模擬前端、數(shù)字前端和數(shù)字處理這3部分完全集成在一顆芯片里，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的單芯片化和低成本目標(biāo)。但是由于將系統(tǒng)的模擬模塊和數(shù)字模塊集成在一起，引入的開關(guān)噪聲和RFCMOS自身的高噪聲問題與改善性能所需增加的成本等問題，成為擺在RFCMOS雷達(dá)芯片面前的突出障礙。從另一個(gè)角度也正是因?yàn)殚L(zhǎng)期的積累和采用BiCMOS工藝，確立了英飛凌在LRR遠(yuǎn)距離毫米波雷達(dá)上的優(yōu)勢(shì)，包括兼?zhèn)涮綔y(cè)距離遠(yuǎn)和接收靈敏度高等特點(diǎn)。但是正如圖7所示，LRR在ADAS系統(tǒng)上的需求有限，而環(huán)視和角雷達(dá)等SRR和MRR中近距離的毫米波雷達(dá)需求數(shù)量很大，而RFCOMS的高集成度和高優(yōu)良品率帶來的成本優(yōu)勢(shì)將會(huì)在未來逐漸顯現(xiàn)出來，所以恩智浦近年來改變BiCOMS路線，開始全面推廣RFCOMS工藝的中近距離雷達(dá)方案。但是NXP不同于TI方案，沒有直接一步邁入射頻前端和數(shù)字后端集成在一起的單芯片方案，而是RFCOMS的收發(fā)器和數(shù)字處理分制在兩個(gè)芯片上，這樣既可以有效的隔離數(shù)字后端的噪聲，保證雷達(dá)的靈敏度，防止假目標(biāo)出現(xiàn)，又可以一定程度降低成本，創(chuàng)造一些價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

總結(jié)來看BiCOMS的車載毫米波雷達(dá)在探測(cè)距離和接收靈敏度上較RFCOMS雷達(dá)優(yōu)勢(shì)明顯，但是RFCOMS雷達(dá)成本低，在布置總量更大的中近距離雷達(dá)市場(chǎng)更有優(yōu)勢(shì)。

3.2.2 英飛凌RXS8160PL方案

Infineon英飛凌方案采用3發(fā)4收天線陣列和BiCMOS制程（圖8）。

當(dāng)前，英飛凌最新的77G車載雷達(dá)方案包括收發(fā)器前端（RF FE）RXS8160PL、第二代AURIX多核內(nèi)嵌DSP的專用MCU以及TLF30684電源管理芯片PMIC的套片方案。

英飛凌在上一代離散的模擬前端的基礎(chǔ)上，將VCO、發(fā)射通道、接收通道和ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器集成在一顆BiCMOS制成的MMIC上。而后級(jí)的MCU主要是執(zhí)行雷達(dá)的FFT快速傅里葉變換來獲得頻差和多普勒頻移等信息，通過計(jì)算獲取目標(biāo)物體的空間數(shù)據(jù)。

圖8 英飛凌Infineon RXS8160PL+TC3xx套片方案[9]

因?yàn)槭瞻l(fā)器中的中頻電路對(duì)電源數(shù)字噪聲就非常敏感，如果不能很好的隔離，在FFT后會(huì)出現(xiàn)虛假目標(biāo)。為了保證目標(biāo)識(shí)別的穩(wěn)定，采用一顆PMIC芯片將整車的12 V轉(zhuǎn)換為多路相互獨(dú)立的電源輸出，有效保證模擬電源對(duì)數(shù)字噪聲的隔離。

3.2.3 恩智浦TEF810E方案

NXP的Dolphin 77/81G車載雷達(dá)方案也采用3發(fā)4收的天線陣列和Infineon相同模擬數(shù)字分離的套片方案。但是NXP的收發(fā)前端采用的是RFCOMS工藝。之前文章提到過RFCMOS的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)模混合集成，可以將DSP集成和模擬前端集成在一起。但是NXP依然采用模數(shù)分離的套片方案，除了上節(jié)提到靈敏度和假目標(biāo)的原因，還有是從功耗和方面的考慮。BiCMOS的晶體管電路需要偏執(zhí)電壓保證靜態(tài)工作點(diǎn)和放大電路的線性度，所以前端電壓不能做到很低。而RFCMOS的前端電路中VCO、LNA、PA、混頻器和分頻器的電源電壓可以做到1.1 V左右，這樣最極大限度的降低收發(fā)器電路的功耗。如圖9，TEF810供電可低至1.1 V，而SiGe的BiCMOS最低只能做到2.5 V（Infineon方案為3.3 V）。從2017年開始NXP的TEF810x采用RFCMOS方案，替換BiCMOS的MR2001分離套片方案。其中一個(gè)目的就是降低系統(tǒng)功耗，使其更適合車載能耗需求，特別是在電力消耗更為苛刻的新能源汽車上。

圖9 NXP恩智浦TEF810E+RaceRunner套片方案[10]

（注：MR2001方案是NXP 2016年對(duì)出的76～77G車載雷達(dá)方案，其射頻前端有發(fā)射器Tx，接收器Rx和壓控震蕩器VOC三個(gè)獨(dú)立的IC組成的套片方案）

3.2.4 德州儀器AWR1443單芯片方案

德州儀器作為專注數(shù)模混合器件的美國(guó)半導(dǎo)體公司，其進(jìn)入車載毫米波雷達(dá)領(lǐng)域時(shí)間較晚。但是多年在RFCMOS上的積累，讓它一開始就著眼于低成本低功耗的單芯片方案上。TI的AWR1443（圖10）將內(nèi)部電路分為RF/Analog系統(tǒng)、數(shù)字前端和Master主控器子系統(tǒng)3部分，這是對(duì)應(yīng)毫米波雷達(dá)的模擬前端、數(shù)字前端和數(shù)字處理3個(gè)模塊。AWR1443得益于RFCMOS技術(shù)才把數(shù)模混合電路、DSP、CPU和各種內(nèi)存以及接口電路集成在一起。

圖10 德州儀器TI AWR1443單芯片77G雷達(dá)方案[11]

但是也是由于較高的數(shù)模混合集成度使得模擬雷達(dá)收發(fā)器的性能受到了一定的影響。從表5可以看出，相較Infineon和NXP方案，TI的AWR1443雷達(dá)信號(hào)接受靈敏度較弱（16 dB@77～81 GHz）。這也限制了TI方案在LRR上的性能，如最大探測(cè)距離等。但隨著算法能力的提高，特別是數(shù)字濾波處理，能讓RFCMOS技術(shù)的雷達(dá)芯片，盡量接近BiCMOS方案的性能。

可以說車載毫米波的芯片始終是以市場(chǎng)為導(dǎo)向，出于各廠家在技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，尋找有利于自己的市場(chǎng)空間。英飛凌Infineon作為歐洲汽車電子零部件供應(yīng)商，很早進(jìn)入車載雷達(dá)市場(chǎng)，當(dāng)時(shí)主要是為德系汽車配套ACC、AEB這樣的長(zhǎng)距雷達(dá)。但是隨著ADAS的功能更加豐富，包括未來的自動(dòng)駕駛在內(nèi)對(duì)中近距離雷達(dá)的需求增量會(huì)非常巨大。性能良好，集成度高，方案擴(kuò)展性更靈活的低成本雷達(dá)方案將越來越受到歡迎。BiCMOS還會(huì)占據(jù)LRR市場(chǎng)，而RFCMOS將在MRR和SRR領(lǐng)域逐漸替代BiCMOS產(chǎn)品。對(duì)于套片方案在不久的未來，將會(huì)被單芯片方案代替。這個(gè)時(shí)間取決于，是否能盡早克服RFCMOS在噪聲和靈敏度上的劣勢(shì)。而解決這個(gè)問題將會(huì)主要從算法軟件的層面推進(jìn)。

4 結(jié)束語

4.1 毫米波雷達(dá)技術(shù)自身完善

當(dāng)前毫米波雷達(dá)在ADAS上的功能主要集中在安全應(yīng)用和自適應(yīng)巡航等基礎(chǔ)功能。隨著雷達(dá)在多目標(biāo)跟蹤和物體識(shí)別技術(shù)方面的成熟，勢(shì)必要在輔助和Level 3級(jí)以上的自動(dòng)駕駛發(fā)揮更大的作用，執(zhí)行更豐富和復(fù)雜的功能。

4.2 與其他空間傳感器之間的競(jìng)爭(zhēng)

相較于激光雷達(dá)，隨著高精度大帶寬的毫米波雷達(dá)方案出現(xiàn)，未來它們之間在高精度探測(cè)上的距離將逐漸縮小。高效的算法和新的級(jí)聯(lián)技術(shù)將使毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)在可見的未來產(chǎn)生某種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，甚至通過毫米波+攝像頭的融合方案，完全取代激光雷達(dá)在Level 3級(jí)以上自動(dòng)駕駛應(yīng)用存在可能。此時(shí)毫米波雷達(dá)在成本上的優(yōu)勢(shì)得到釋放。

4.3 毫米波雷達(dá)方案半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢(shì)

針對(duì)毫米波雷達(dá)的方案，各大半導(dǎo)體公司結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)會(huì)最大程度進(jìn)行電路的集成，無論是單芯片方案，還是前后端套片方案，目標(biāo)都是提高系統(tǒng)的靈敏度，抑制各種噪聲對(duì)目標(biāo)識(shí)別的影響。整體降低雷達(dá)主機(jī)硬件成本，加大在車身上的布置數(shù)量和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)用。

4.4 市場(chǎng)前景整車廠和自動(dòng)駕駛技術(shù)應(yīng)用

車載毫米波雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展并不算短，但是一直沒有得到大范圍的應(yīng)用。這是由于過去汽車輔助駕駛并不普遍。整車廠僅僅把它作為高端車型的一個(gè)附加功能，或者針對(duì)某些安全法規(guī)有特殊要求的車輛。但是，隨著ADAS和自動(dòng)駕駛市場(chǎng)和商用局面的打開，毫米波雷達(dá)的應(yīng)用顯得越來越重要。對(duì)于整車廠和部件供應(yīng)商毫米波雷達(dá)的市場(chǎng)潛力巨大，而且即便是在高級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，機(jī)器視覺和高精度感知成為新的技術(shù)亮點(diǎn)，但是毫米波雷達(dá)在安全高效和成本方面表現(xiàn)出非常大的優(yōu)勢(shì)，而無法被替代。

近年已經(jīng)有很多雷達(dá)公司，開始進(jìn)行毫米波雷達(dá)成像的技術(shù)攻關(guān)。相信隨著技術(shù)的進(jìn)步車載毫米波雷達(dá)和其代表的空間傳感技術(shù)在創(chuàng)新和想象力方面會(huì)有更大的空間。