智能網聯汽車基礎(六)
——ADAS毫米雷達波

一、毫米波雷達相關術語和要求

1.毫米波雷達模組術語

毫米波雷達模組(millimeter- wave radar module)：通過毫米波雷達模組信號發送接收,可以完成目標的速度、角度、位置識別的裝置。這是中國汽車工業協會的團體標準《車載毫米波雷達模組檢測方法》中對毫米波的相關定義。

2.毫米波雷達探測范圍

上海市地方標準《車載毫米波雷達技術要求及測試方法》中規定毫米波雷達水平探測范圍、垂直探測范圍、速度范圍，以及單目標檢測精度，均能夠實現相關ADAS(先進駕駛輔助系統)功能要求的水平探測能力范圍。

(1)距離精度：單目標檢測距離能夠實現相關ADAS功能要求的目標距離識別精度,目標的準確上報率不低于90%。

(2)角度精度：單目標檢測角度能夠實現相關ADAS功能要求的目標角度識別精度,目標的準確上報率不低于90%。

(3)速度精度：單目標檢測速度能夠實現相關ADAS功能要求的目標速度識別精度,目標的準確上報率不低于90%。

3.毫米波雷達使用頻段

車載毫米波的使用頻段涉及24GHz、77GHz。

國際電信聯盟國際頻率登記委員(IFRB)會根據不同波段電磁波的特性盡量合理地將不同頻段分配給不同的領域，有害的干擾減至最小，保證在特別擁擠的無線電頻段中應用盡可能多的無線電路，規定了相關領域的使用頻段。在毫米波頻段中,24GHz是國際通用的ISM頻段，即：工業(Industrial)、科學(Scientific)和醫學(Medical)領域使用(60GHz在部分國家也屬于ISM頻段)，而76～776Hz則是專門劃歸車載應用使用的頻段。這也就是我們常見的車載毫米雷達,主要都是24GHz或77GHz的原因。頻段79GHz的更遠程的毫米波雷達很可能在未來的智能網聯汽車中應用。

車內生命體監控系統就是利用安裝在車內的79GHz毫米波雷達傳感器，在駕駛員離開或鎖定車輛后，持續感應車內的生命體和活動物體；在車內有生命體，如兒童、寵物被遺留的情況下，該系統會通過車聯網、5G云端大數據平臺等渠道，發送報警信息給駕駛員和管理平臺，同時亦可啟動車輛的應急處理系統，如開啟通風、開啟車窗、聲光報警等，從而有效地避免因為被遺留在車內造成的生命安全風險。

在我國GB/T36654—2018《76 GHz車輛無線電設備射頻指標技術要求及測試方法》中也規定的適用范圍是工作在76 ～77 GHz頻率范圍內的車輛無線電設備。

目前歐盟已經在逐步取代24GHz車載毫米波雷達(短距離毫米波雷達≤60m)，新出廠車型需轉為77GHz毫米波雷達(10m＜長距離毫米波雷達≤250m)，而現有24GHz毫米波雷達可以在生命周期內正常使用。我國5G建設目前采用4.9GHz頻段，對24GHz毫米波雷達沒有影響。

除了頻段分配的原因，同功率水平下24GHz收發天線較77GHz雷達更大，增加24GHz毫米波雷達探測距離會使得整個雷達體積偏大。此外，24GHz電磁波更長的波長有更好的繞行能力，受氣候等因素影響更小。但同時指向性會變得更差，角分辨率會受到影響。24GHz毫米波雷達在長距離上對目標位置的判斷，有可能會出現偏離車道的誤差，這樣的話探測的意義也就不大了。因此，長距離毫米波雷達普遍選擇77GHz。

電磁波頻段作為一種稀缺資源，對車載毫米波雷達頻段選擇影響最大的，仍然是各國法規的限制。IFRB國際頻率登記委員會的分配并非強制，各國會根據國情制定更為細化的法規，保證在擁擠的無線電中擁有盡量多的電路，同時減少相互之間的干擾。因此在不同國家和地區，對毫米波雷達頻段的選擇也可能略有差異。

二、毫米波雷達技術特點

1.毫米波雷達測距、測速精度高，遠距離仍然可以精確遙感。

2.距離分辨率和帶寬相關。毫米波技術的角度分辨率的提高需要添加更多的收發單元以及使用更高的帶寬，現在主要受限于(高寬帶硬件成本較高)毫米波芯片、處理器以及頻率資源。當使用高帶寬，也可以實現更高分辨率的應用。

三、毫米波雷達的安裝位置

24GHz的毫米波雷達測量距離較短，主要應用于汽車后方，如開門預警(圖1)；77GHz的毫米波雷達測量距離較長主要應用于汽車前方和兩側(圖2)，如表1所示。

77GHz雷達由于其體積較小，更容易實現單芯片的集成，且具有更高的識別精度、更高的信噪比以及更強的穿透能力，已經成為毫米波雷達行業的主流。

根據美國 F C C 和歐洲E S T 規劃，2 4 G H z 的寬頻段(21.65～26.65GHz)將在2022年過期。因此，隨著規模的擴大和成本的進一步下降，77GHz將成為毫米波雷達未來市場的發展趨勢。

四、毫米波雷達結構原理

1.結構原理

毫米波雷達和傳統的無線電雷達有相同的結構。毫米波雷達工作原理是通過天線向外發射毫米波，并接收目標反射信號，通過對信號進行對比和處理，最終完成對目標的分類識別。毫米波雷達外部結構見圖3。

毫米波雷達主要包括雷達射頻、接受和信號處理。前端收發組件MMIC是毫米波雷達的核心部分，負責毫米波信號的調制、發射、接收以及回波信號的解調。收發組件包含了放大器、振蕩器、開關、混頻器等多個電子元器件。毫米波雷達結構見圖4。

電源板(PCB)內部有ASIC芯片，芯片里面集成了一個安全控制器。毫米波雷達PCB(正面)如圖5所示，雷達PCB板主要包括一個帶雙核浮點MCU和一個Radar ASIC芯片，可進行控制和自我診斷的獨立的前置放大器，SiGe MMIC的單元和PLL單元，具有四個混頻器的SiGe ASIC(MRX)，用于接收信號。

毫米波雷達PCB的背面是天線，用于發射和接收毫米波，如圖6所示的微帶陣列，在印刷電路PCB板上，鋪上微帶線，形成微帶貼片天線。

毫米波雷達在工作狀態時，發射模塊通過天線將電信號(電能)轉化為電磁波發出；接收模塊接收到射頻信號后，將射頻電信號轉換為低頻信號；再由信號處理模塊從信號中獲取距離、速度和角度等信息。毫米波雷達工作示意如圖7所示。

從硬件上看，和傳統的無線電波雷達和毫米波雷達兩者均包含天線和射頻前端、中頻電路、模數轉換電路和數字信號處理以及對外通信數據總線。其中，天線和射頻前端的作用是產生、發送和接收毫米波無線電信號。接收到的信號經過下變頻，被中頻電路調理放大，經模數轉換器轉換為數字信號供數字信號處理，解算出目標的距離、速度和方位角，這些信息會被進一步處理以滿足汽車應用的要求。和傳統無線電雷達相比，車載雷達的探測距離相對較短、距離分辨率更高、對速度的探測精度要求更高。

相比于光波，毫米波的波長較長，所以毫米波可以輕易穿過尺寸比其波長小的障礙物。例如，毫米波穿過6mm水珠的電場分布(圖8)，這個特點使得車載毫米波雷達具有全天候的特性，不易受到雨水、大霧的干擾。

絕大多數的車載毫米波雷達的機制都是基于線性調頻波(FMCW)的，其原理如圖9所示。發射機發射一個頻率隨時間線性變化的調頻波，并同時把發射的信號和接收的信號混頻，由于接收到的信號是由于目標反射造成的，所以相比于發射信號存在時延，因此，在同一個時刻，發射信號和接收到的信號的頻率是不同的。通過識別這個頻率差我們可以判斷目標物體的距離。

2.毫米波雷達性能

下述為舉例幾個知名汽車配件生產廠的主要毫米波雷達產品技術參數，在毫米波雷達技術路線上各有不同(表2)。

(1)博世的毫米波雷達產品主要以76～77GHz為主，產品技術先進，主要包括 MRR(中距離)和 LRR(遠距離)兩個系列，其中LLR4產品最大探測距離可以達到250m，在同類產品中處于領先位置。

(2)大陸的毫米波雷達產品全面覆蓋24GHz和77GHz兩個頻率，且以77GHz產品為主，產品類別豐富，包括ARS441、ARS510、SRR520、SRR320等多個系列。大陸 ARS441遠程毫米波雷達的最大探測距離可以達到250m，在同類產品中領先。大陸的毫米波雷達產品的探測視角在對比中也較為突出。

(3)海拉同樣也是毫米波雷達的最大的幾家供應商之一，其實早在2004年，海拉的第一代24GHz毫米波雷達即進行量產。目前海拉的毫米波產品主要以24GHz為主，是市場上的重要生產商。

(4)德爾福公司的毫米波雷達產品也主要以77GHz產品為主，從探測距離上來看主要以中近程為主。

五、4D毫米波雷達

毫米波雷達這個已經相當成熟的感知硬件，相關業務各大公司繼續研究開發分辨率更高、同時具備府仰角分辨率的米波雷達，這也就是4D成像雷達。傳統的毫米波雷達具有同時探測距離、水平角度及速度三個參數的能力，在增加高度信息后便被稱為4D亳米波雷達。而4D成像毫米波雷達則同時還追求更高的分辨率,保證能夠區分目標是機動車、非機動車還是行人等。目前華為公司、德國大陸公司都已發布了4D毫米波成像雷達。

六、毫米波雷達控制

毫米波雷達安裝在保險杠側角、中網格柵內、保險杠牌照架下側位置(圖10、圖11)、有些隱藏集成在車燈內、有的把毫米波雷達做成車標形式安裝在車標位置(毫米波雷達車標)等多種位置布局，隨著智能網聯汽車的自動駕駛級別的提高，雷達的數量增多，可能未來如翼子板區域、車門、B柱板側等都有可能布局毫米波雷達或者激光雷達等感知傳感器。

目前市場上常見的一般是安裝在保險杠側角和保險杠牌照架下側位置。圖12所示為某智能網聯汽車毫米波雷達系統安裝在前后保險杠的四個側角位置，用在前/后側來車預警及輔助等系統功能。

1.監測預警

以盲區監測預警系統(BSD)為例，當駕駛員有轉向傾向(如撥動轉向燈開關或轉動方向盤)時，如果轉向側的外后視鏡盲區內存在目標物，或者轉向側的后方探測到有快速接近的目標物時，對應側后視鏡上盲區監測指示燈閃爍提示報警，避免危險發生。就圖13毫米波雷達而言，BSD系統能夠探測到的目標物包括小汽車、卡車、尺寸大于2m×0.7m(長×寬）的摩托車等。

2.報警條件

當駕駛員有轉向傾向且以下任一條件滿足時，BSD功能會向駕駛員發出預警，如表3所示。

①轉向側的外后視鏡盲區內存在目標物，且目標物運動的時間超過300ms；目標物速度比本車快，目標物從后方接近本車，相對速度≤4.0m/s，TTC≤標定值。

②轉向側的外后視鏡盲區內存在目標物，且目標物運動的時間超過300ms；目標物速度比本車慢，本車從前方超過目標物，相對速度≤4.0m/s，TTC≤標定值。

③轉向側的后方快速接近車輛的最大探測范圍內存在目標物，且目標物運動的時間超過300ms；目標物速度比本車快，目標物從后方接近本車，且目標物與本車的相對距離小于表中的閾值。

當以上條件均不滿足時，BSD系統會在1s內解除報警。

3.控制原理

指受BSD監測的整個區域，系統的覆蓋區由以下特定區域子集組成BSD的軟件集成在左/右后向毫米波雷達中。BSD通過左/右后向毫米波雷達探測本車側后方的車輛。左/右后向毫米波雷達通過CCAN接收ESP、EPS、VCU、BCM發出的信號，通過SCAN2接收SCU轉發的信號，SCU通過BCA接收CDU發出的信號；通過SCAN2發送信號給SCU，SCU通過BCAN轉發給CDU。毫米波雷達控制原理圖如圖14所示。

七、毫米波雷達可能的故障

1.雷達失明不能探測目標故障

雷達失明，不能探測目標的故障，依次按以下排序檢查故障點。

(1)檢查毫米波雷達是否被污物覆蓋，是否被遮擋；

(2)檢查低壓電池電壓是正常；

(3)檢查線束和接插件；

(4)檢查CAN總線狀態；

(5)檢查網關；

(6)更換毫米波雷達。

2.硬件錯誤故障

雷達硬件錯誤故障，首先重新上低壓電來重啟雷達，如果故障仍然未解決，一般情況下是毫米波雷達本身內部故障，需更換毫米波雷達。

3.標定和匹配故障

如果顯示“下線標定從未做”或“下線標定沒有完成”以及“雷達位置不匹配”的故障，一般需要起動車輛，使用故障診斷儀執行故障診斷，根據診斷儀提示進行雷達標定程序來解決。

在開始校準前，確保車輛橫擺角傳感器、方向盤轉角傳感器、輪速傳感器標定狀態正常，車輛無雷達校準相關外的其它故障碼。確保雷達及覆蓋件或保險杠正確安裝，檢查車況如油液、胎壓、座椅等，保證在公共道路駕駛的安全性。

(1)毫米波雷達標定程序

①將診斷儀設備連接到車輛OBD的診斷口。

②進入診斷儀主界面。

③選擇一個有效的VCI并點擊右下角的“確認”按鈕。

④選擇自動識別VIN碼進入下一步。

⑤點擊“車輛標定”，進入車輛標定主界面。

⑥點擊“SRR_FL標定/SRR_FR標定/SRR_RL標定/SRR_RR標定”，進入下一步(以左前角毫米波雷達為例)。

⑦根據診斷儀的提示按照動態駕駛校準的駕駛條件的要求進行駕駛，直到校準進度條達到100%。(注意：一般情況下，校準進度條達到100%應在5min以內，具體取決于道路條件和反射目標數量。)

⑧如果單次動態駕駛校準超過30min仍未校準成功，請檢查校準環境、駕駛行為、安裝位置等是否正確遵照了相關要求，確認無誤后重復上述步驟。

⑨如果行駛一段時間后診斷儀顯示雷達偏置角度過大，請檢查雷達的安裝位置、環境并進行相應調整，確認無誤后重復上述步驟。

(2)校準的誤差

雷達安裝誤差(±3°)，誤差包括水平方向和垂直方向。雷達動態校準的誤差包括測量誤差和雷達的安裝、保險杠的安裝等造成的誤差。

(未完待續)

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