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技術(shù)專題：車用毫米波雷達(dá)技術(shù)趨勢(shì)及發(fā)展現(xiàn)狀

2018-12-17 21:29:40·  來(lái)源：國(guó)汽智聯(lián)  
　
【摘要】本報(bào)告節(jié)選于《智能網(wǎng)聯(lián)汽車藍(lán)皮書（2018）》中車用毫米波雷達(dá)技術(shù)趨勢(shì)的部分內(nèi)容，原文題目是《車用雷達(dá)技術(shù)動(dòng)態(tài)與發(fā)展》。報(bào)告從自動(dòng)駕駛與主動(dòng)安全的
【摘要】本報(bào)告節(jié)選于《智能網(wǎng)聯(lián)汽車藍(lán)皮書（2018）》中車用毫米波雷達(dá)技術(shù)趨勢(shì)的部分內(nèi)容，原文題目是《車用雷達(dá)技術(shù)動(dòng)態(tài)與發(fā)展》。報(bào)告從自動(dòng)駕駛與主動(dòng)安全的應(yīng)用需求出發(fā)，系統(tǒng)地介紹了車用雷達(dá)技術(shù)在環(huán)境感知系統(tǒng)中的應(yīng)用與技術(shù)動(dòng)態(tài)，深入探討和分析了車用毫米波雷達(dá)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展、應(yīng)用現(xiàn)狀與技術(shù)路線。
 
作者簡(jiǎn)介：張雷，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，清華大學(xué)微電子與納電子學(xué)系，研究方向?yàn)楹撩撞ɡ走_(dá)芯片與系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。
 
一、車用毫米波雷達(dá)優(yōu)劣及潛在應(yīng)用
1、車用毫米波雷達(dá)工作原理
毫米波雷達(dá)通過天線發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波（FMCW），經(jīng)目標(biāo)反射后接收到的回波與發(fā)射波存在一個(gè)時(shí)間差，利用該時(shí)間差可計(jì)算出目標(biāo)距離。通過信號(hào)處理器分析發(fā)射與反射信號(hào)的頻率差異，基于多普勒原理，可以精確測(cè)量目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)一步通過多目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)分離與跟蹤。
車用毫米波雷達(dá)原理框圖
2、毫米波雷達(dá)優(yōu)劣及應(yīng)用預(yù)測(cè)
 
毫米波雷達(dá)檢測(cè)距離遠(yuǎn)、精度高、具有全天候應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，且量產(chǎn)后成本已降至100美元以內(nèi)，是當(dāng)今主流高級(jí)駕駛輔助（ADAS）與自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中必不可少的傳感器。
 
各種車用傳感器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)比分析
在L1-L3級(jí)自動(dòng)駕駛中，毫米波雷達(dá)被用于目標(biāo)偵測(cè)和目標(biāo)分離，從而實(shí)現(xiàn)各種ADAS主動(dòng)安全應(yīng)用。在L4-L5級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中搭載毫米波雷達(dá)成像技術(shù)。隨著自動(dòng)駕駛等級(jí)的提高和多種主動(dòng)安全應(yīng)用的搭載，長(zhǎng)距（LRR）、中距（MRR）、短距（SRR）車用毫米波雷達(dá)的裝配數(shù)量會(huì)大幅提升，并最終實(shí)現(xiàn)360度全覆蓋化。
 
車用毫米波雷達(dá)在各個(gè)自動(dòng)駕駛等級(jí)下的應(yīng)用
二、毫米波雷達(dá)技術(shù)趨勢(shì)
車用毫米波雷達(dá)的總體技術(shù)路線包括頻段、單片微波集成電路（MMIC）芯片、天線與模塊、整機(jī)等方面的內(nèi)容，如下圖所示。
車用毫米波雷達(dá)總體技術(shù)路線圖
1、頻率：向76-81GHz頻段統(tǒng)一
目前國(guó)際上主流使用的車用毫米波雷達(dá)按照其頻率的不同，主要可分為兩種：24GHz 毫米波雷達(dá)和 77GHz 毫米波雷達(dá)。通常 24GHz 雷達(dá)檢測(cè)范圍為中短距離（70米以內(nèi)），用作實(shí)現(xiàn) BSD、LCA、PA等，而 77GHz 長(zhǎng)程雷達(dá)（70米~200米）則用作實(shí)現(xiàn) ACC、FCW和AEB等。
24GHz 雷達(dá)與 77GHz 雷達(dá)
 
實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)駕駛功能
長(zhǎng)期來(lái)看，車用毫米波雷達(dá)最終會(huì)統(tǒng)一到76-81GHz頻段上，原因主要有兩方面：
（1）24GHz在帶寬和使用范圍上受限。 我國(guó)工信部對(duì)24GHz車用雷達(dá)的頻段劃分為24.25-26.65GHz，帶寬為2.4GHz，擴(kuò)展空間有限。另外，我國(guó)射電天文臺(tái)址周圍5公里范圍內(nèi)，禁止使用24GHz短距離車用雷達(dá)設(shè)備。
 
（2）76GHz~81GHz技術(shù)優(yōu)勢(shì)。 76GHz~81GHz相比于24GHz，物體分辨準(zhǔn)確度提高2-4倍，測(cè)速和測(cè)距精確度提高3-5倍，能檢測(cè)行人和自行車；且設(shè)備體積更小，更便于在車輛上安裝和部署；該頻段是全球裝配永久認(rèn)可的權(quán)威頻段，因此更適用于全球車輛平臺(tái)。采用MIMO（多輸入多輸出）陣列掃描技術(shù)的79GHz成像雷達(dá)還可以獲得目標(biāo)的高度信息，從而實(shí)現(xiàn)真正意義的毫米波成像，79GHz成像雷達(dá)將成為未來(lái)車用中短距離MRR和SRR的主流，與攝像頭、激光雷達(dá)結(jié)合實(shí)現(xiàn)多傳感器融合。
 
77GHz毫米波測(cè)距雷達(dá)與79GHz毫米波成像雷達(dá)
2、芯片：向硅基CMOS技術(shù)演進(jìn)
 
高集成、低成本
車用毫米波雷達(dá)芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它包括多種功能電路，如低噪聲放大器（LNA）、功率放大器（PA）、混頻器、壓控振蕩器（VCO）、鎖相環(huán)頻率綜合器（PLL）、本振鏈路（LO）、移相器、倍頻器、分頻器、可編程增益放大器（PGA）、濾波器、甚至收發(fā)天線等，需要具備射頻損耗小、噪聲低、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、輸出功率大、功率附加效率高、抗電磁輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
 
當(dāng)今量產(chǎn)的76GHz~81GHz毫米波雷達(dá)芯片技術(shù)大都采用SiGe制程，接收通道、發(fā)射通道和本振通道分開實(shí)現(xiàn)。目前正在向成本更低、集成度更高的硅基CMOS技術(shù)演進(jìn)，從65nm、40nm逐步向28nm、16nm工藝演進(jìn)，同時(shí)集成度進(jìn)一步提高，實(shí)現(xiàn)射頻前端、ADC、MCU和存儲(chǔ)器單片全集成，如圖所示，達(dá)到成本低、封裝小、重量輕、功耗低的設(shè)計(jì)要求。
車用毫米波雷達(dá)核心芯片技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
3、雷達(dá)模塊：基于多芯片級(jí)聯(lián)的
79GHz MIMO是產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向
毫米波雷達(dá)天線的主流方案是微帶陣列，利用較小的高頻印刷電路板（PCB）空間產(chǎn)生足夠的天線輻射強(qiáng)度，并實(shí)現(xiàn)與芯片的互連，如圖所示。
車用毫米波雷達(dá)天線與模塊的主要技術(shù)路線
基于多芯片級(jí)聯(lián)的79GHz MIMO毫米波成像雷達(dá)是未來(lái)產(chǎn)業(yè)化方向。采用多芯片級(jí)聯(lián)和微型化PCB板載天線陣列，加上雷達(dá)信號(hào)處理，可以實(shí)現(xiàn)面向高精度多維成像的79GHz MIMO虛擬陣列雷達(dá)，將識(shí)別精度進(jìn)一步提升到微米級(jí)別，支持距離、速度、角度、高度測(cè)量和多視角可調(diào)多工作模式，實(shí)現(xiàn)全天候下的多維毫米波成像。
 
三、國(guó)內(nèi)外技術(shù)水平對(duì)比
 
由于我國(guó)在傳感器相關(guān)領(lǐng)域起步相對(duì)較晚，毫米波雷達(dá)面臨國(guó)外產(chǎn)業(yè)巨頭的先發(fā)優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)業(yè)鏈壟斷的問題。毫米波雷達(dá)方面，博世、大陸、德爾福、電裝等企業(yè)占據(jù)了60%以上的市場(chǎng)份額，且產(chǎn)業(yè)鏈的上游核心芯片為國(guó)外壟斷，面臨禁運(yùn)、限制出貨等不利局面。
1、芯片技術(shù)國(guó)內(nèi)外對(duì)比
 
芯片與國(guó)外技術(shù)差距比較大，國(guó)內(nèi)多處于樣片階段。國(guó)內(nèi)的車用毫米波雷達(dá)科研院所和芯片廠商，清華大學(xué)、加特蘭已完成了硅基CMOS 76GHz~81GHz毫米波雷達(dá)全集成芯片的研發(fā)，東南大學(xué)、廈門意行等也推出了SiGe工藝的毫米波雷達(dá)芯片，均處于小批量生產(chǎn)階段，并將會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。
國(guó)內(nèi)外芯片企業(yè)及技術(shù)水平對(duì)比
2、雷達(dá)模塊技術(shù)國(guó)內(nèi)外對(duì)比
雷達(dá)模塊的核心部件還被外資壟斷。車用毫米波雷達(dá)天線與模塊技術(shù)，目前主要掌握在博世、大陸、德爾福等零部件巨頭手中；77GHz毫米波雷達(dá)使用的高頻PCB 板材目前全球僅羅杰斯、松下、Schweizer 等少數(shù)公司擁有相關(guān)技術(shù)。
 
3、毫米波雷達(dá)產(chǎn)品及應(yīng)用對(duì)比
在一級(jí)供應(yīng)商層級(jí)，國(guó)內(nèi)24GHz可以量產(chǎn)，與國(guó)外沒有差距，而77GHz的產(chǎn)品雖然可以量產(chǎn)，但是關(guān)鍵芯片還需要依靠進(jìn)口。
在整車應(yīng)用層面，國(guó)內(nèi)外差距較大，可能與國(guó)內(nèi)整車產(chǎn)品大多定位于中低端相關(guān)。
國(guó)內(nèi)外芯片企業(yè)及技術(shù)水平對(duì)比
 
 
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