毫米波和激光技术在无人车领域中的应用介绍

毫米波无疑是今年的一大热点，一时间渗透入生活的方方面面，如毫米波雷达、毫米波通信等。当前热门的5G技术，同样无法脱离毫米波而存在。但本文对毫米波的介绍主要聚焦于毫米波雷达，并向大家介绍毫米波雷达在无人车上的应用。

毫米波、激光技术在无人车领域皆具有重要应用，目前尤以毫米波相关技术更为火热。无人车驾驶研发过程中，常以毫米波雷达作为无人驾驶传感器之一。原因在于，毫米波传感器相比较激光雷达以及摄像头而言，测量距离较远，且在雨雪等恶劣天气情形下还能维持稳定工作。由此可见，毫米波技术在无人车领域内所发挥的重要作用。这篇文章中，将向大家详细介绍毫米波雷达的相关知识以及如何将毫米波运用在无人车当中。

目前毫米波雷达技术主要由大陆、博世、电装、奥托立夫、Denso、德尔福等传统零部件巨头所垄断，特别是77GHz毫米波雷达，只有博世、大陆、德尔福、电装、TRW、富士通天、Hitachi等公司掌握。2015年，博世及大陆汽车雷达市场占有率均为22%，并列全球第一。

博世的长距离毫米波雷达产品是其核心产品，探测距离可以达到250米，是目前探测距离最远的长距离毫米波雷达，主要用在自巡航控制系统ACC中。大陆较为全面，其主力产品则为24GHz毫米波雷达。Hella则是以24GHz雷达为其核心，客户范围最广，24GHz领域市场占有率全球第一。

在毫米波雷达的频率选择上，各个国家主要有三种波段——24GHz、60 GHz、77 GHz，而目前正在向77GHz靠拢。欧洲和美国选择的是对77GHz的集中研究，而日本则选用了60GHz的频段，随着世界范围77G Hz毫米波雷达的广泛应用，日本也逐渐转入了77GHz毫米波雷达的开发。

目前毫米波雷达主要是以24GHz SRR(Short Range Radar)系统+77GHz LRR(Long Range Radar)系统的形式出现，24GHz毫米波雷达主要负责短距离探测，而77GHz毫米波雷达主要负责远距离探测。

1、77GHz雷达相对于24GHz雷达体积更小。77GHz雷达波长不到24GHz的三分之一，所以收发天线面积大幅减小，整个雷达的尺寸有效下降，对于追求小型化非常有利。

2、77GHz雷达可以同时满足高传输功率和宽工作带宽，同时满足这两点使得其可以同时做到长距离探测和高距离分辨率。

3、77GHz雷达在天线、射频电路、芯片等的设计和制造难度更大，技术成熟度较低，目前成本更高。

另外， ITU在2015年将79GHz划归为汽车安全领域应用，此频段可检测行人并可针对多个目标，未来可能替代24GHz成为短距离雷达，被广泛应用。

毫米波雷达具有波长短、频带宽(频率范围大)，穿透能力强的特点，这些特点形成了毫米波雷达的优势：

1、穿透能力强，不受天气影响。大气对雷达波段的传播具有衰减作用，毫米波雷达无论在洁净空气中还是在雨雾、烟尘、污染中的衰减都弱于红外线、微波等，具有更强的穿透能力。毫米波雷达波束窄、频带宽、分辨率高，在大气窗口频段不受白天和黑夜的影响具有全天候的特点。

2、体积小巧紧凑，识别精度较高。毫米波波长短，天线口径小，元器件尺寸小，这使得毫米波雷达系统体积小重量轻，容易安装在汽车上。对于相同的物体，毫米波雷达的截面积大、灵敏度较高，可探测和定位小目标。

3、可实现远距离感知与探测。毫米波雷达分为远距离雷达(LRR)和近距离雷达(SRR)，由于毫米波在大气中衰减弱，所以可以探测感知到更远的距离，其中远距离雷达可以实现超过200m的感知与探测。

毫米波雷达的多项优势，其目前在汽车防撞传感器中占比较大，根据IHS的数据，毫米波/微波雷达+摄像头在汽车防撞传感器中占比达到了70%。

国际巨头在毫米波雷达领域研究历史久，技术积累深厚，在全球市场占据支配地位。车载毫米波雷达的研究主要在以德国、美国及日本为代表的一些发达国家内展开。目前，毫米波雷达的技术主要由博世、大陆、电装、奥托立夫、德尔福等传统零部件巨头所垄断。下图所示为部分国外厂商关于毫米波雷达的相关情况。

对于人类及其他生物而言，眼睛与耳朵是获取外界环境信息不可或缺的设备。然而无人驾驶车辆要依靠机器来获取外界信息，因此其相关设备也就替换成了雷达。信息传播的载体也因此从光变成了无线电波。然而无论是光还是无线电波其本质都是电磁波，其在真空中的传播速度相同。

尽管雷达的结构与种类不尽相同，但其基本形式是一致的，即都具备发射机、发射天线、接收机、接收天线，处理部分以及显示器。

工作时，首先通过发射机搭载的天线将电波向某个方向发射，电波在传播过程中如果遇到障碍物会发生反射，而天线接受到此反射波后会交给接收设备进行处理，进而获取障碍物的相关信息，如通过多普勒效应计算障碍物的速度，通过发射与接受之间的时间差计算与障碍物之间的距离等。

通常，车辆的驾驶员都是拥有驾驶证的人，其可以通过眼睛与耳朵对外界环境做出判断，从而驾驶车辆前进、转弯、躲避障碍。而无人驾驶车辆的驾驶员却从人变成了机器，所以相应的，获取外部信息的设备也就从眼睛与耳朵替换成了雷达。无人车通过搭载在其上的雷达设备获取外界信息，经过分析后做出对相应事件的回应。

在实际情况中，雷达的表现又如何呢?以通用Cruise无人车为例。通用Cruise使用了5个激光雷达和21个毫米波雷达，分别安置在车身的四周。21个毫米波雷达中有12个是由日本ALPS提供的79GHz雷达，4个ARS-408雷达两两安置在车身的前后，5个高分辨率雷达安装在前后左右四个方向，其分辨率可达到4厘米。

12个79GHz毫米波雷达采用级联方式工作，即某个对象执行操作时判断被关联对象是否同步执行操作，这种工作方式可以让无人驾驶车辆清楚地感知到周围360°的信息，还可以同时跟踪上千个目标，这就极大地提高了无人驾驶车辆应对突发事件的能力。这12个79GHz毫米波雷达构成了冗余系统，尽管会提高制造成本并且使得系统看起来稍显臃肿，但和其带来的安全性能提升得利益一比也就显得微不足道了。

诸多雷达构成的系统可以时时更新无人驾驶车辆周边的地图。因此，在某种程度上，无人驾驶车辆要显得比人驾驶的车辆更安全。再老道的司机也不可能做到能够时刻关注前后左右各个方位的路况，但机器驾驶员则可以无差别的对四面八方的情况做出冷静的判断并作出最优解。