【導讀】此文來自于同濟大學汽車學院白杰教授在2017上海智能網聯新能源汽車高峰論壇上的分享，詳細闡述了車載毫米波雷達對當前智能駕駛的意義，以及對未來雷達技術的發展方向的探討。
智能駕駛的背景與進程
現在對自動駕駛、智能駕駛、智能網聯，有很多各種各樣的定義。在這些定義里面，ADAS 系統是我們通常說的智能駕駛員輔助系統，「ADAS 系統」一般來說在 Level 0 到 Level 1，具備單一的控制功能。當復數的ADAS系統搭載在一輛車里面之后，我們把它定義為「準自動駕駛」，或者說已經接近自動駕駛。如圖1所示，準自動駕駛里面，包括「駕駛員負全責」以及「駕駛員與系統」的切換，這個部分都屬于準自動駕駛的領域。
圖1自動駕駛的內容與定義
「完全自動駕駛」就是說汽車由整個自動駕駛系統負責任，包括加速、轉向、制動都由汽車來操縱。這是自動駕駛大致的內容和定義。圖1中沒有提完全無人駕駛，就是說整個車完全無人的話，應該在這上面還有一層，估計到那個時候，汽車工業可能是另外一種形態，就是說汽車工業可能來到后汽車工業時代，所以沒有把這一部分表達出來。
大家可以看到，自動駕駛進入市場的時間上大致在2020年或者2025年，可能這是限于一些高檔車型以試驗性質來運行的時間。就是說，實際到我們一般人買的車里面出現自動駕駛的話，估計還要更長的時間。
圖2自動駕駛的實現途徑
在自動駕駛里面，我們實現自動駕駛，主要是這么兩種途徑：一個是基于車載自身傳感器的「自主行走控制系統」；還有一個基于V2X獲取前方信息的「協調型行走系統」，也就是所謂的汽車網聯。再往上一層就是智能加上網聯，當智能和網聯這兩個系統聯合在一起，可能就是將來的自動駕駛系統。
2020年或者2025年，這個時間上都是相對來說比較含糊的。為什么？因為網聯這條路，用什么樣的方式，包括什么樣的標準，到目前來說還具有很多模糊性，在技術上還沒有完全準確的時間。所以，要將智能和網聯這兩條線合并到一條線的時間上，就不是那么準確了。
圖3自動駕駛的商業路線
現在在自動駕駛技術的商業化路線方面，我們前面有的初級自動駕駛，也可以說是ADAS系統，在主機廠里面，現在主機廠里面一般采用SAE 1級、2 級，然后往3級、4級方向發展。0級在很早以前，90年代就有了。
然后在中級里面，像現在的特斯拉直接從2級開始。當然特斯拉從SAE 2級、3級開始也有它的產業基礎，在美國那邊汽車公司里面都已經進入了2級，它再從0級出發也是不符合時代的。所以它的表現也是屬于比較正常的，當然特斯拉更多的是從2級自動化用了3級的 HMI（人機界面）系統，這樣有一種跨界的感覺。
圖4汽車環境感知傳感器的特點
自動駕駛里面，智能的這部分更多是車載傳感器的集合、傳感器的融合以及應用。在傳感器里面（如圖4所示），車載傳感器主要是分五種：電子雷達、激光雷達、相機、紅外線相機、超聲波傳感器。其中，超聲波由于探測距離太近，雖然現在搭載率很高，但是將來可能會更多的被取代。
在激光雷達方面，現在多線的激光雷達價格還相對比較高，而且這個價格什么時候降下來并不一定，我們很多人都想激光雷達在未來幾年內價格能降下來，但是這個可能很難做到。當年毫米波雷達也是從90年代開始一直降價降到現在，終于從數萬美金降到―百美金。所以說，這個時間的發展往往不一定如我們所期待的那么順利。
圖5現代車載雷達構成
在汽車電子雷達方面，現在汽車搭載的主要是往前看的前視雷達，有24G和77G兩種遠距離雷達。這個24G的里面，也有往后視的24G的雷達。24G和77G的雷達的區別點在于，24G分窄帶和寬帶兩種雷達，77G 主要是窄帶雷達，它的帶寬比較窄。
77G、76G，雖然法規上允許最大1個GHz，但是77G雷達的帶寬大概在500MHz 以內，帶寬不夠高的話，會帶來距離分解能力不高的問題。24G 的寬帶雷達當時在法規上最大可以到 2個GHz，也有說當時 26G可以用 4個GHz。這里帶寬的提高使得分解能力提高很多。但是由于只有2G帶寬的信息分辨能力、運算速度的限制和EU區域限制，帶寬帶來的效果并沒有表現出來。
智能駕駛毫米波雷達
稍微介紹一下汽車雷達的歷史，其實最早從70年代、80年代，大家就一直在做汽車車載毫米波雷達。汽車的智能化也不是最近才提起的話題，實際上在70年代的時候大家就想做汽車的智能化。
圖6車載毫米波雷達的發展史
在圖6中可以看到，70年代的時候汽車上面背著幾個大臉盆似的天線，這個時候就開始想著做汽車智能化。1990年開始，進入90年代微電子技術的發展，一下子使得雷達小型成為可能，也是在這個時候雷達開始開發得快一點。
圖7雷達芯片的進程
車載雷達里面有一個芯片材料，這個芯片從90年代開始，最早是用GaAs這種材料，現在是SiGe，在將來五到十年可能CMOS芯片會出來。用CMOS做的高頻信號發生器，當材料變得越來越便宜的同時，它的功率、噪聲、功放這方面的表現會越來越難控制，它對生產工藝的相對要求就會越來越高。
現在國外也在往CMOS這個方向轉，但是剛剛起步階段，相對來說制造工藝技術方面要求更高。我們要注意一點，當一種新的材料、新的技術導入的時候，在起步的前幾年，它的價格肯定會比它的上一代暫時貴，例如CMOS芯片比SiGe芯片貴，但這是起步階段必然的問題。
79GHz雷達技術
我們的下一代雷達會是什么？
我們反轉來看過去歷史的發展就會看到，現在我們使用的技術，其實就是十年前各個研究所、大學在開發的技術。也就是說，在將來下一個五年、十年，我們會用的技術基本上目標是定在79G毫米波雷達。國外5到10年前就已經開始做79G。
為什么會用79G？
圖8為何會是79GHz雷達？
如圖8所示，我們現階段用的77G的毫米波雷達，根據雷達的公式，帶寬較窄的情況下，它的距離分辨率大概也就是1米的范圍。
當帶寬提高的話，我們可以看到在79G用了4個GHz，它的距離分辨率可以提高到很多。當距離分辨率提高到了10個厘米，兩個物體前后左右相隔的距離差達到10個厘米也能測量出來的話，就不需要角度的分解了，也就是說不需要相控陣天線就可以把兩個物體分開。這能夠極大地提高道路上各種障礙物的分離檢測能力，而不需要帶上一個強大的相控陣天線。
圖9自動駕駛用下一代車載雷達構成
在今后，由于79G雷達的出現，將來的智能駕駛的汽車就會前向還是24G、77G的遠距離雷達，但在中間側向有 4個79 的毫米波雷達，來實現環視。
79G的毫米波雷達具有高分解能力，使得在某些功能可以逐漸代替一些現有的光學傳感器的性能。也就是說79G除了水平方向的高分解能力之外，同時可以做一個上下方向的79G毫米波雷達，水平和上下同時進行掃描，很容易實現毫米波的成像。
也就是說，很快（大概十年內）將會有一種很強大的毫米波成像雷達，這在很大的程度上會替代現有的光學傳感器。
圖10車載雷達的未來
圖10是目前整個雷達在發展機制上區分出的幾種雷達，這里列出來了24G、77G、79G三種。這幾種雷達里面，主要考慮兩種走向：
距離分辨率跟成本，也就是說在性價比這個方面；
最大檢測距離。
從圖 10的坐標中可以知道，將來的趨勢有可能是從性能更好的方向上來說，會往79G走。還有一個性價比，價格最便宜的方向是24G，這在中國可能在一段時期里面都會存在。這跟歐美市場可能會有不一樣的走向。因為歐美市場的話已經使用77G了，而國內的話，可能采取性能高的往79走、價格便宜的往24G走的路線。
79G的毫米波雷達會有什么好處呢？
圖11研發動態：79GHz雷達的行人檢測
79G的毫米波雷達由于它可以做到4個G的帶寬，在這4個G的帶寬里面可以實現成像。比如說像這個室內，兩個人和反射板（用于表示汽車），把它們放在一起，79G能夠很精準的將其分解出來，當然圖11這是通過機械式掃描來看這個79G的性能會怎樣。在以前的雷達里面是看不到這些東西，與現在在醫院里做CT成像是基本一樣的。
圖12研發動態：79GHz雷達降雨條件下車輛與行人測試
當然79G也是電磁波雷達，由于頻率越來越高，我們要考慮到電波在降雨或者是冰雪條件之下，傳感器的性能也必然會衰減。
比如說行人行為檢測，沒降雨的時候，這一款雷達可以看到50米的話，下中雨的時候，同款雷達看人的距離會縮短到40米。也就是說，會有10米的衰減出現。因此，如果79G雷達要看得更遠的話，在信噪比方面的性能還需要做進一步的增強，還要做很多的努力。
圖13研發動態：79GHz 高分辨率雷達信號雙收技術
剛才講的79G，在沒有相控陣的時候，它的分解能力就很高。而如果同時對79G雷達也做與現在77G 一樣的相控陣天線，多發射多接收的話，這時候對多目標的分離檢測能力除了距離上的分解還會有角度上的分解，對多目標的分離檢測能力將會有大幅度的提高。
當然這個大幅度的提高的同時，也會帶來一個很大的問題，就是多目標的分離檢測?，F在77G雷達用的是32或64個目標，在79G的時候雷達內部信號處理就不是同時跟蹤764個目標，而是128個或者更多的目標數。我們同時跟蹤的目標數越多，對雷達內部的信號處理芯片運算能力要求會成指數增長。這是79G雷達開發需要考慮的問題。
圖14研發動態：雷達信號處理系統硬件概要
雷達信號處理可以集成在一個DSP芯片里面。這在一個芯片里面做信號處理的話，除了剛才多目標數量的影響之外，還有下雨天氣，道路環境噪聲的影響，在這里面除了對多目標的分離檢測信號做分離處理，還要做進一步的跟蹤處理。
圖15研發動態：雷達信號處理系統概要
還有如自動駕駛里的車輛慣導，通過慣導來推算前方障礙物對你來說具有多大的危險性。這個危險性的判斷，是雷達信號處理的一部分。也就是說在雷達信號處理里面，會在雷達的內部做圖15 中所提到的六項信號處理。
隨著現在雷達波形越來越復雜，從第二個階段開始信號處理都已經是運算負荷很重的信號處理，包括我們現在用的最新的雷達，這也是79G雷達需要克服的技術難題。
結論
圖16現在與今后的車載雷達構成對比
如圖16所示，今后我們感覺車載雷達，它肯定會從這么幾個方向來發展。
下一代的感知系統里面，感知系統會往哪個方向走，取決于毫米波雷達成像技術走得有多快。只有毫米波雷達往成像方向走了以后，整個感知系統，對于將來的自動駕駛會起到很多引領作用。
當然毫米波雷達成像，在軍用上早就已經有，只不過是成本方面的問題?，F在79G已經實現了距離方面的掃描，即現在是水平方面，只要加一個垂直方向的維度，也就是最多是以兩個79G的成本來做，就可實現毫米波的成像?，F在79G也就在一兩百美金的范圍，乘以二也就是四五百美金，毫米波雷達的成像在今后五年里面會成功出來。
推薦閱讀：
