自动驾驶之——77G Radar方案

把毫米波雷达安装在汽车上,可以测量从雷达到被测物体之间的距离、角度和相对速度等。利用毫米波雷达可以实现自适应巡航控制(Adaptive CruiseControl),前向防撞报警(Forward Collision Warning),盲点检测(Blind SpotDetection),辅助停车(Parking aid),辅助变道(Lane changeassistant),自主巡航控制(ACC)等高级驾驶辅助系统(ADAS)功能。其中24GHz 雷达系统主要实现近距离探测(SRR),而77GHz 系统主要实现远距离的探测(LRR)。

本文转载自模拟世界(Analog_World)

在无人驾驶架构中,传感层被比作为汽车的“眼睛”,包括车载摄像头等视觉系传感器和车载毫米波雷达、车载激光雷达和车载超声波雷达等雷达系传感器。为了实现自动驾驶和V2X的梦想,早在上个世纪毫米波雷达就已经用在高档汽车当中,但当时较低的工艺水平和较高的成本影响了毫米波雷达在汽车智能化中的应用和普及。

随着工艺和技术的提升,体积更小、功耗更低、性能更好、价格更低,技术比较成熟的毫米波雷达又一次展现出在自动驾驶汽车应用中的重要性,率先成为无人驾驶系统主力传感器。

把毫米波雷达安装在汽车上,可以测量从雷达到被测物体之间的距离、角度和相对速度等。毫米波雷达目前主要应用于中高端车型,随着大众对汽车主动安全性能的认可度增加,ADAS相关产品将逐渐向低端车型普及。利用毫米波雷达可以实现自适应巡航控制(Adaptive CruiseControl),前向防撞报警(Forward Collision Warning),盲点检测(Blind SpotDetection),辅助停车(Parking aid),辅助变道(Lane changeassistant),自主巡航控制(ACC)等高级驾驶辅助系统(ADAS)功能。其中24GHz 雷达系统主要实现近距离探测(SRR),而77GHz 系统主要实现远距离的探测(LRR)。

作为汽车ADAS系统和无人驾驶技术的重要传感器,77GHz毫米波雷达正在替代24GHz成为主流。而集成度更高、价格更有优势的CMOS制程毫米波雷达也逐渐成为下一代77G毫米波雷达方案的首选。

为了实现自动驾驶,77GHz毫米波雷达是必不可少的。如今,业界将自动驾驶的实现寄希望于多传感器融合。多传感器融合可以分为分布式、集中式以及分布集中式。但是无论采用哪种融合方式,77GHz毫米波雷达是必不可少的。目前汽车中常用的几类传感器中,视觉传感器价格便宜,但得到的是二维信息,没有深度信息。激光雷达受环境限制较小,精度和准确度也比较高,不过价格昂贵。毫米波雷达具备深度信息可以提供目标的距离,通过检测其多普勒频移可将目标的速度提取出来,更重要的是相比激光雷达,毫米波雷达成本更容易被接受。目前汽车安装的雷达传感器数量也在不断增加,一般来说至少要1长(LRR )+4中短(SRR)共5个毫米波雷达,中短毫米波雷达主要以24GHz为主,而长程雷达必须是77Ghz。

下图是SRR和LRR结合应用图

想要完全实现ADAS各项功能一般需要“1长+4中短”5个毫米波雷达。以自动跟车型(Stop & Go)ACC功能为例,一般需要3个毫米波雷达。车正中间一个77GHz的LRR,探测距离在150-250米之间,角度为10度左右;车两侧各一个24GHz的MRR,角度都为30度,探测距离在50-70米之间。AEB是最有实际意义的ADAS功能,未来会成为中高档汽车的标配,需要1个77GHz LRR。

在汽车所需毫米波雷达数量增加的背景下,需要体积更小、功耗更低、价格更低的毫米波雷达。从应用上开看,24GHz毫米波雷达主要应用于侧向,探测距离在50-70米之间,77GHz则主要应用于前向,探测距离在150-250米之间。两种频段的雷达内部系统和信号处理检测方法一致,主要区别为硬件差异,前端单片集成电路MMIC和雷达天线高频PCB板是毫米波雷达的硬件核心。77GHz最大的优势是天线是24GHz的三分之一,同样的体积可以做更多的通道,识别精度也更高,穿透能力也更强。

77GHz频段比24GHz频段的法定带宽更宽、物理波长更短,分辨能力能提升三倍以上,雷达体积也能做得更小。目前,24GHz只能识别50厘米以上的物体,而77GHz能识别20厘米以上的物体,这个差别最重要的意义在于做到50厘米以下更容易识别行人,增加安全性。77GHz做中短距离雷达的挑战在于波束宽带小,在短距离内,覆盖范围不如24GHz雷达广,需要增加雷达数量。

目前各个国家对车载毫米波雷达分配的频段各有不同,但主要集中在24GHz和77GHz,少数国家(如日本)采用60GHz频段。由于77G相对于24G的诸多优势,未来全球车载毫米波雷达的频段会趋同于77GHz频段(76-81GHz)。

从原理上来说, 77G雷达系统和24G雷达系统基本相似, 没有上面根本性的区别。对于FMCW雷达系统,则主要包括收发天线、射频前端、调制信号、信号处理模块等。毫米波雷达通过接收信号和发射信号的相关处理实现对目标的探测距离、方位、相对速度。

最新的77G雷达系统方案一般都已经实现了高度集成化,射频、调制等电路都集成到一颗MMIC芯片(单片式微波集成电路Monolithic MicrowaveIntegrated Circuit),则雷达系统主要包括天线PCB板(板上天线)、MMIC收发器和数字信号处理模块。MMIC具有电路损耗低、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、抗电磁辐射能力强等特点。它包括多种功能电路,如低噪声放大器(LNA)、功率放大器、混频器、检波器、调制器、压控振荡器(VCO)、移相器等。

新的77G MMIC芯片一般选择CMOS工艺。CMOS制程,是77GHz雷达的后起之秀,它的优势在于功耗低,数字电路属性便于微型化集成,而缺点就是噪声较大,动态范围较小。从市场角度,消费者更喜欢外观漂亮的产品,所以在主机车厂做工业设计的时候,不希望外观受雷达影响。在性能过关的前提下,体积更小的CMOS雷达会更受青睐,所以未来的市场将会是CMOS的。同时,基于CMOS工艺,也有方案把MMIC和数字处理芯片再做集成,实现单芯片77G雷达方案。

当然,在CMOS MMIC研发生产过程中,CMOS与锗硅的差异点,也就是难点所在,一个就是在CMOS本身能承受的功率较少,在低功率下要保证距离范围的覆盖需要一些技术手段,另一个就是CMOS噪声较大,需要在硬件设计和降噪算法上多下功夫。这两点也是不同芯片供应商提供的MMIC的性能差异之所在。目前市场主流的77G MMIC供应商包括 NXP,英飞凌,ADI,以及TI等传统模拟大厂。

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