汽車?yán)走_(dá)傳感器的種類和應(yīng)用

國(guó)產(chǎn)特斯拉的雷達(dá)傳感器

NO.1

特斯拉最近賣得很火，最近參與了國(guó)產(chǎn)特斯拉的拆解分析，希望能更深入了解其安全系統(tǒng)配置，我主要關(guān)注的是特斯拉安全系統(tǒng)的傳感器。拆解發(fā)現(xiàn)即使是其低配車型，主動(dòng)安全系統(tǒng)的傳感器除了圖像傳感器（攝像頭）和超聲波傳感器，還配備了毫米波雷達(dá)傳感器。

圖1 傳感器

這也進(jìn)一步印證了《2019-2020年全球與中國(guó)汽車毫米波雷達(dá)產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告》的數(shù)據(jù)，報(bào)告中2019年全年中國(guó)乘用車市場(chǎng)毫米波雷達(dá)安裝量達(dá)517萬(wàn)顆，同比增長(zhǎng)44.37%。尤其是77GHz增速達(dá)到69.3%，特斯拉的前置遠(yuǎn)程雷達(dá)傳感器正是77GHz的毫米波傳感器。

汽車?yán)走_(dá)傳感器的種類和應(yīng)用

NO.2

目前的汽車?yán)走_(dá)主要分為超聲波雷達(dá)、電磁波雷達(dá)和激光雷達(dá)。

01

超聲波泊車?yán)走_(dá)

圖2 超聲波雷達(dá)

如圖2是超聲波泊車?yán)走_(dá)，目前汽車基本已普及，前后保險(xiǎn)杠的圓形孔位，就是安裝的超聲波雷達(dá)傳感器。

但由于超聲波散射角大，方向性較差，在空氣中傳播損耗也大，在測(cè)量較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)時(shí)，測(cè)量精度比較低；另外超聲波傳播速度相對(duì)較低，因此探測(cè)高速移動(dòng)的物體時(shí)延遲較大，誤差嚴(yán)重，所以不適合高速移動(dòng)的物體測(cè)距。但對(duì)低速短距離測(cè)量時(shí)，超聲波雷達(dá)優(yōu)勢(shì)明顯，所以超聲波雷達(dá)一般只作為泊車?yán)走_(dá)使用。

圖3 超聲波雷達(dá)泊車

02

毫米波雷達(dá)

毫米波雷達(dá)是利用無(wú)線電波對(duì)移動(dòng)物體進(jìn)行探測(cè)感知和定位。其探測(cè)距離比超聲波遠(yuǎn)，尤其是測(cè)量遠(yuǎn)距離高速移動(dòng)目標(biāo)時(shí)，反應(yīng)速度快且精度高，因此毫米波雷達(dá)主要應(yīng)用在盲點(diǎn)檢測(cè)、碰撞預(yù)警和防撞、剎車輔助與緊急剎車、車距和車道保持等方面。

現(xiàn)在有些豪華車已配有5個(gè)毫米波雷達(dá)傳感器：車的前面配備3個(gè)，一個(gè)長(zhǎng)距離77GHz毫米波雷達(dá)，前部和后部?jī)蓚?cè)各布置1個(gè)短距離毫米波雷達(dá)（通常是24GHz），如圖4就是毫米波雷達(dá)應(yīng)用模式，圖5是特斯拉的毫米波傳感器。

圖4 汽車毫米波雷達(dá)應(yīng)用

圖5 特斯拉毫米波傳感器

03

激光雷達(dá)

激光雷達(dá)（包括影像）易受環(huán)境因素影響，還在快速的技術(shù)迭代升級(jí)，不在此進(jìn)行討論。

圖6 激光雷達(dá)

對(duì)比這三種傳感器，目前只有汽車毫米波雷達(dá)技術(shù)能在晴天、雨天、白天和黑夜完成短距離和遠(yuǎn)程距離的目標(biāo)探測(cè)，因此市場(chǎng)應(yīng)用即將進(jìn)入爆發(fā)期，但是國(guó)產(chǎn)化方面的差距卻很大。

毫米波汽車?yán)走_(dá)測(cè)距測(cè)速原理

NO.3

毫米波是指波長(zhǎng)在1-10mm的電磁波，其帶寬大，分辨率高，天線部件尺寸小，能適應(yīng)惡劣天氣和環(huán)境。

汽車毫米波雷達(dá)一般是FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)信號(hào)雷達(dá)，相比軍用脈沖信號(hào)雷達(dá)電路實(shí)現(xiàn)要簡(jiǎn)單一些。

圖7FMCW工作原理

下面以三角波調(diào)頻連續(xù)波為例來(lái)簡(jiǎn)單介紹雷達(dá)的測(cè)距/測(cè)速原理。

天線向外發(fā)出一系列連續(xù)調(diào)頻毫米波，頻率隨時(shí)間按調(diào)制電壓的規(guī)律變化，發(fā)射與接收信號(hào)如圖8所示。

圖8 FMCW發(fā)射與反射信號(hào)

圖中實(shí)線是發(fā)射信號(hào)，虛線是相對(duì)靜止和相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的反射信號(hào)。反射與發(fā)射信號(hào)波形相同，只是差一個(gè)延時(shí)時(shí)間td=2R/C，式中，R為目標(biāo)距離，c光速。

發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)在某一時(shí)刻的頻差即為混頻輸出的中頻頻率fb。相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體反射信號(hào)由于多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻移的原因。

在三角波的上升沿與下降沿輸出的中頻頻率分別為fb+、fb-。以下公式就是雷達(dá)測(cè)試距、測(cè)速的理論依據(jù)：

圖9 公式

由上面公式可以計(jì)算得到目標(biāo)車輛的距離R與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v。中頻頻率fb的確定是求出R、V的關(guān)鍵。fb的確定即是對(duì)發(fā)射和反射信號(hào)的頻差進(jìn)行頻譜分析。

信號(hào)的頻譜分析主要有FFT法。所謂FFT法，即是對(duì)被分析的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，將其從時(shí)域變到頻域，在頻域進(jìn)行分析。

這種方法比較成熟、現(xiàn)容易、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，適合于汽車運(yùn)行狀況下信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。

毫米波雷達(dá)原理仿真和實(shí)現(xiàn)框圖

NO.4

汽車毫米波一般是基于頻率調(diào)制的連續(xù)波（FMCW）。W1905 SystemVue 雷達(dá)庫(kù)可用于汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的原型機(jī)的系統(tǒng)仿真和測(cè)試驗(yàn)證。

圖10 SystemVue 的FMCW雷達(dá)系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真分為5個(gè)子系 統(tǒng)，包括發(fā)射機(jī)、傳播環(huán)境、接收機(jī)、信號(hào)處理器以及距離和速度信息的估計(jì)測(cè)量。

圖11中A就是軟件生成的三角形信號(hào)波形，B是三角形信號(hào)的群時(shí)延即頻率與時(shí)間關(guān)系。

圖11 SystemVue 生成的線性 FMCW 三角形信號(hào)

圖12是SystemVue雷達(dá)系統(tǒng)仿真的發(fā)射機(jī)輸出24GHz頻譜。

圖12 24GHz頻譜

現(xiàn)在國(guó)際一些知名半導(dǎo)體公司，已推出了車規(guī)級(jí)毫米波傳感器的芯片，目前已商用的毫米波雷達(dá)傳感器，都是采用這些半導(dǎo)體公司的芯片開發(fā)而成的。

這些毫米波汽車?yán)走_(dá)芯片是完全開放的，擁有不同資源的廠商可以根據(jù)自己條件，跳過(guò)原型機(jī)的開發(fā)和驗(yàn)證，盡快推出自己的產(chǎn)品，抓住毫米波雷達(dá)普及應(yīng)用的爆發(fā)期。

圖13 某77GHz汽車毫米波雷達(dá)傳感器套片原理框圖

圖14 某77GHz毫米波雷達(dá)單路收發(fā)信機(jī)構(gòu)成框圖

77G毫米波汽車?yán)走_(dá)

的主要參考指標(biāo)

NO.5

應(yīng)用指標(biāo)包括：

01

射頻性能評(píng)估參數(shù)

圖15參數(shù)表

雷達(dá)發(fā)射機(jī)測(cè)試主要包含:

①發(fā)射信號(hào)輸出頻率及穩(wěn)定度

②發(fā)射信號(hào)功率及穩(wěn)定度

③調(diào)制信號(hào)質(zhì)量

雷達(dá)接收機(jī)測(cè)試指標(biāo)主要包含:

①接收機(jī)靈敏度

②接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍

③抗干擾性能

02

采用某公司收發(fā)信機(jī)芯片開發(fā)的毫米波前端demo

圖16 毫米波前端demo

性能測(cè)試和驗(yàn)證

NO.6

01

原型機(jī)的性能測(cè)試

在研發(fā)早期可以采用SystemVue仿真加儀器的驗(yàn)證平臺(tái)，來(lái)診斷和解決跨域問(wèn)題，減少基帶/ 數(shù)字信號(hào)處理和射頻收發(fā)信機(jī)中的設(shè)計(jì)裕量。

驗(yàn)證系統(tǒng)框圖如下：

圖17 原型機(jī)性能驗(yàn)證系統(tǒng)框圖

02

產(chǎn)品化開發(fā)性能測(cè)試

如果是采用毫米波雷達(dá)傳感器芯片開發(fā)產(chǎn)品，現(xiàn)在有商用測(cè)試系統(tǒng)，可以根據(jù)自己有儀器，搭建自己的測(cè)試系統(tǒng)。

①發(fā)射機(jī)測(cè)試

圖18

②接收機(jī)測(cè)試

圖19 接收機(jī)測(cè)試

03

整體性能測(cè)試

①方向圖和輻射功率測(cè)試

圖20方向圖和輻射功率測(cè)試

②雷達(dá)探測(cè)及目標(biāo)跟蹤性能測(cè)試

圖21雷達(dá)探測(cè)及目標(biāo)跟蹤性能測(cè)試

人們對(duì)汽車駕駛安全有著不懈的追求，再加上5G網(wǎng)絡(luò)的普及和自動(dòng)駕駛技術(shù)日趨提升，汽車將是下一個(gè)“移動(dòng)智能終端”。

毫無(wú)疑問(wèn)，汽車毫米波雷達(dá)市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)已經(jīng)形成，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的汽車部件供應(yīng)商將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)！盡快突破毫米波傳感器高性能、低成本、大批量生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，市場(chǎng)前景無(wú)疑是值得期待的。

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