ADAS和自动驾驶需要雷达的理由

通信和传感技术已经改变了汽车行业。越来越多的汽车包含与环境交互的功能和系统，获得对周围空间的认识，相互之间和与基础设施联网，以及检测可能的危险源。我们可以认为车辆已经获得了自己的“感觉”：它们知道自己在哪里，现在可以看到、听到和感觉到周围发生的事情。

图 1：传感器、导航和通信：汽车的“感官”。

汽车传感器是提高道路交通安全和达到自动驾驶 4 级和 5 级的关键。使用先进的传感器技术将允许通过警告信号和自动安全功能预防事故，从而实现愿景 0 目标：到 2050 年交通事故死亡人数为零。从这个意义上说，欧洲议会于 2019 年批准了一项法律，制定了安全功能，例如从 2022 年 5 月起，新车型和 2024 年 5 月起，所有新车都必须配备智能速度辅助、先进的紧急制动系统和车道保持系统。

此外，购买汽车时，安全措施也变得越来越重要。出于这个原因，欧洲新车评估计划 （Euro NCAP） 将自 2020 年以来的紧急制动系统纳入其评估。这迫使该行业加大努力，并在其车辆中加入新的检测功能。

1. 用于 ADAS/AS 的汽车传感器

有不同的选项可用于感测车辆周围的环境。然而，对于完全自动驾驶，需要结合不同的传感技术，才能提供完整的 360° 检测。整个系统可以看作是汽车的“感官”，提供与周围环境互动的手段，并创造一个安全“茧”。每种技术都有其优点和缺点，如下表 1 所示，因此完全自动驾驶需要结合不同的来源，如图 2 所示。

表 1：汽车应用中不同传感器技术的优缺点

图 2：ADAS/AD 系统趋势：传感器集成。

2、汽车雷达

雷达是一项众所周知的技术，它依靠发送和接收电磁波来测量、检测和定位环境中的障碍物。雷达特别适用于汽车应用，因为车辆是电磁波的良好反射器，因此可以准确地确定它们的距离、位置和速度。

在汽车环境中，调频连续波 （FMCW） 雷达用于不同的频段，具体取决于应用。FMCW雷达的原理将在下一篇雷达博文中讲解。雷达的基本拓扑如图 3 所示。它包括一个或多个雷达 MMIC 收发器，连接到高性能处理单元（MCU 或 SoC）。拓扑结构和芯片数量将取决于雷达模块在车辆上的位置及其必须覆盖的应用，如图 4 所示。

图 3：雷达架构示例

图 4：不同雷达应用的组合。

国际电信联盟 （ITU） 根据其功能定义了两类汽车雷达系统：

类别 1：它包括为驾驶员提供舒适功能的雷达系统，使驾驶更加轻松。此类别包括自适应巡航控制 （ACC） 和防撞 （CA） 雷达，测量范围可达 250 米。

2 类：它定义了用于高分辨率应用的传感器，这些传感器增加了车辆的被动和主动安全性，例如盲点检测、车道变换辅助和后方交通交叉警报、行人和自行车附近的检测车辆。范围低于 1 类，最大为 50m 至 100m，具体取决于应用。这些系统的目的是通过提高车辆的被动和主动安全性来改善交通安全。

雷达的类型也可以根据测量范围进行分类（图 5）：

短程雷达 （SRR），具有大视场和高分辨率，范围可达 50 m。

中程雷达 （MRR），具有中等视野，范围可达 100 m，

远程雷达 （LRR），它不需要高分辨率或宽视场，但目标是尽可能高的范围，高达 250m。

图 5：汽车雷达的典型范围和视场。

为了提供 360° 覆盖，需要在汽车上放置具有不同功能的不同雷达传感器，如图 6 所示。必须将获取的数据结合起来，以获得实时准确的周围环境信息。

图 6：在汽车上放置雷达传感器以实现 360° 覆盖。

雷达传感器可以很容易地安装在汽车的常见元素后面，比如保险杠或公司标志，这样它们就看不见了，不影响美观。随着工作频率的提高，这种集成变得更容易，因为决定模块尺寸的天线尺寸与波长成线性比例，因此与工作频率成反比。汽车雷达系统曾经使用四个主要频段，两个在 K 波段（大约 24GHz）和两个在 E 波段（在 76 和 81GHz 之间），如图 7 所示。

图 7：汽车雷达的频段。

然而，由于对射电天文和地球探测应用的干扰，24GHz 频段将被停用。作为替代方案，76 GHz 至 81 GHz 频段已被大多数国家接受为汽车雷达的频段。在那里，为 LRR（76 至 77GHz）保留 1GHz 带宽，而 4GHz 带宽可用于需要更高分辨率的应用，如表 2 所示。

表 2：根据 ITU 建议 ITU-R M.2057-0 在 76-81 GHz 频段内的典型汽车雷达特性

3.雷达市场

新车辆中新的安全和舒适功能的集成导致雷达市场激增。汽车是该市场增长最快的部分，预计到 2025 年将超过 100 亿美元，如图 8 所示。

图 8：雷达市场的演变（来源：Yole Report 2020）

如果仅考虑雷达 MMIC 收发器，市场预测超过 12 亿美元，GaAs 技术几乎消失，CMOS 将快速增长，到 2025 年成为主导技术。

图 9：每种技术的雷达 MMIC 市场的演变（来源：Yole Report 2020）

4。结论

雷达模块已成为现代车辆的标准配置。虽然它们在距离分辨率方面相对于其他技术存在一些缺点，但它们的可靠性和多功能性使其成为现代 ADAS/AD 系统中不可替代的部分。从 76 GHz 到 81 GHz 向更高频率的转变带来了新的技术挑战，但这也使其成为半导体行业新发展的激动人心的领域。

审核编辑：郭婷