毫米波雷達(dá)：自動駕駛?cè)椎恼妗癈位”？

假如現(xiàn)在你要乘坐一輛已經(jīng)沒有安全員的無人駕駛汽車上路，而且還是高速行駛，請問你最關(guān)心什么問題？擔(dān)心車自己迷路？開的太慢？路上太寂寞？

應(yīng)該都不是，你最關(guān)心的大概就是這輛車是不是安全了。相較于依靠駕駛員視覺來保證行駛安全的傳統(tǒng)汽車，自動駕駛汽車就要專門依賴大量的傳感器來行使汽車的“視覺”功能，而且越高級別的自動駕駛就會采用更多冗余的傳感器系統(tǒng)。

超過人類駕駛員的安全可靠性，才是自動駕駛得以成立的根本前提。

目前，為保證安全性，自動駕駛傳感器系統(tǒng)主要由攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)這三件套組成。而這三件套幾乎在現(xiàn)有落地的無人駕駛的傳感器解決方案都可以找到。

然而在現(xiàn)在還處在輔助駕駛階段的車輛上，毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭這三件套并不是板上釘釘?shù)囊粔K。堅(jiān)持走攝像頭路線的特斯拉，其掌門人馬斯克就一直多次 Diss 激光雷達(dá)，但業(yè)界又紛紛反擊，認(rèn)為只有激光雷達(dá)才是自動駕駛傳感器系統(tǒng)的 C 位擔(dān)當(dāng)。

相比之下，毫米波雷達(dá)卻是傳感器三件套中最沒有爭議的存在了。在目前支持自動駕駛以及高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的解決方案里，都采納了毫米波雷達(dá)。

毫米波雷達(dá)具有傳輸距離遠(yuǎn)，性能穩(wěn)定、成本可控等優(yōu)點(diǎn)，但其同樣也存在角度分辨率弱、辨識精度低等缺陷。在現(xiàn)有自動駕駛的多傳感器融合的背景下，搞清楚毫米波雷達(dá)的優(yōu)劣勢，以及最新技術(shù)演進(jìn)的趨勢和在自動駕駛產(chǎn)業(yè)中的價(jià)值，成為我們是否要選擇重點(diǎn)發(fā)展毫米波雷達(dá)的重要依據(jù)。

兩利相衡取其全：毫米波的應(yīng)用優(yōu)勢

毫米波雷達(dá)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用其實(shí)已經(jīng)多年，最初加入汽車傳感器當(dāng)中主要是為了實(shí)現(xiàn)盲點(diǎn)監(jiān)測和定距巡航，而隨著技術(shù)的發(fā)展這兩個(gè)特性也漸漸從高端車型普及到了幾乎所有車型。而隨著自動駕駛以及 ADAS 對于行駛環(huán)境高精度感知的需求，毫米波雷達(dá)憑借多種優(yōu)勢在其中發(fā)揮了重要的作用。

所謂毫米波指波長介于 1~10mm 的電磁波，毫米波的波長介于厘米波和光波之間，因此毫米波兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)。

毫米波雷達(dá)則指工作在毫米波波段的雷達(dá)。毫米波雷達(dá)通過天線向外發(fā)射毫米波，接收目標(biāo)反射信號，經(jīng)計(jì)算后快速準(zhǔn)確地獲取汽車車身與其他物體直接的相對距離、速度、角度、運(yùn)動方向等，再交回車輛的中央處理單元(ECU)進(jìn)行智能處理和決策。

激光雷達(dá)（LiDAR），其工作原理是以激光作為信號源，由激光器發(fā)射出的激光束來探測目標(biāo)的距離、方位、高度、速度、姿態(tài)等特征量。由于激光束不斷地掃描目標(biāo)物，可以得到目標(biāo)物上全部數(shù)據(jù)點(diǎn)，經(jīng)過 3D 成像處理后，還可得到精確的三維立體圖像。

二者的性能特點(diǎn)有哪些明顯的優(yōu)劣勢對比呢？

首先，在探測精度和分辨率上，激光雷達(dá)明顯優(yōu)于毫米波雷達(dá)。例如，毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)同時(shí)發(fā)現(xiàn)道路前方的“障礙”，前者可能只能“看到一個(gè)模糊的形狀，而后者則可以清楚地區(qū)分” 障礙是路肩還是斜坡，而車輛判斷為斜坡后，就可以做出安全前進(jìn)的決策。

其次，在抗環(huán)境干擾上，毫米波雷達(dá)則顯著優(yōu)于激光雷達(dá)。由于激光雷達(dá)使用的是光波段的電磁波，透射與繞射性能補(bǔ)強(qiáng)，在遇到雨雪、霧天、霧霾、灰塵等環(huán)境，其探測性能將大幅下降。而相比較于光學(xué)傳感器，處于毫米波波段的電磁波則不會受到雨、霧、灰塵等常見的環(huán)境因素影響，因此，毫米波具有全天候（除大雨天氣外）、全天時(shí)的強(qiáng)抗干擾的探測性能。

而在抗信源干擾上，與毫米波雷達(dá)易受自然界中的電磁波影響不同，自然界中能對激光雷達(dá)的干擾的信源極少。因此激光雷達(dá)的抗信源干擾能力更強(qiáng)一些。

此外，在探測距離上，由于毫米波在大氣中衰減弱，所以可以探測感知到更遠(yuǎn)的距離，中遠(yuǎn)程毫米波雷達(dá)可以達(dá)到 250 米的探測距離，而激光雷達(dá)最遠(yuǎn)只能達(dá)到 200 米。因此，在高速行駛過程中，毫米波雷達(dá)能夠可以比激光雷達(dá)更早地判斷前方的障礙物的狀況，起到安全提醒或者緊急制動的判斷。

另外，在制作工藝和成本上，毫米波雷達(dá)則明顯優(yōu)于激光雷達(dá)。基于毫米波波長短，天線口徑小，毫米波雷達(dá)具有體積小、重量輕、易集成等特性，容易安裝在汽車上；而激光雷達(dá)由于內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，對制造工藝要求很高，產(chǎn)品體積較大，安裝難度高或者美觀性差。同時(shí)，在成本上，毫米波雷達(dá)的價(jià)格可以控制在千元左右，而性能較好的激光雷達(dá)仍然要到數(shù)萬元。

目前，對于激光雷達(dá)，除了小型化、美觀化的問題外，降低成本成為追求量產(chǎn)的制造商來說就是頭等重要的事情了。而對于毫米波雷達(dá)，提升其測量分辨率和精確度，則成為當(dāng)務(wù)之急。

超長距離+高分辨率，毫米波雷達(dá)的升級新優(yōu)勢

相比較激光雷達(dá)以及攝像頭而言，基于測量距離遠(yuǎn)、全天候穩(wěn)定工作以及成本低的特性，毫米波雷達(dá)毫無疑問地廣泛應(yīng)用于自動駕駛車輛當(dāng)中，但其在探測精度上的短板也需要持續(xù)的技術(shù)迭代來補(bǔ)足。

按照毫米波頻段劃分，目前車載毫米波雷達(dá)頻段主要 3 個(gè)，24GHz、77GHz 和 79GHz。前者主要負(fù)責(zé)短距離探測，后兩個(gè)頻段主要負(fù)責(zé)中長距離探測。

第一個(gè)趨勢是，現(xiàn)在全世界主要廠商都主要向 77GHz 毫米波雷達(dá)的應(yīng)用集中發(fā)力，并向 79GHz 頻段的技術(shù)突破。相對于 24GHz 雷達(dá)，77GHz 毫米波雷達(dá)體積更小；此外，可以同時(shí)滿足高傳輸功率和大工作帶寬，使其可以同時(shí)做到長距離探測和高距離分辨率。

77GHz 毫米波雷達(dá)的領(lǐng)先優(yōu)勢也意味著實(shí)現(xiàn)的技術(shù)門檻很高，其在天線、射頻電路、芯片等的設(shè)計(jì)和制造難度更大，目前僅有美日等國的少數(shù)企業(yè)掌握，而國內(nèi)廠商正處于努力追趕階段， 24GHz 毫米波集成電路已量產(chǎn)試用，而 77GHz 毫米波雷達(dá)芯片的國產(chǎn)化工作仍進(jìn)行中。

而 79GHz 頻段在帶寬上比 77GHz 要高出 3 倍以上，分辨率更強(qiáng)，目前尚未有大規(guī)模量產(chǎn)，國內(nèi)外企業(yè)還處在同一起跑線上。

第二個(gè)趨勢是，在毫米波雷達(dá)的系統(tǒng)集成工藝上，CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）工藝正在成為主流。除了降低成本外，CMOS 主要可以集成 MCU、DSP 等額外數(shù)字模塊，從而讓雷達(dá)芯片的控制甚至數(shù)字信號處理能夠在本地完成，而無需再配備專用的處理器，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。

另外一個(gè)重要趨勢是，毫米波雷達(dá)的空間分辨率的提升。在盲點(diǎn)監(jiān)測中，高分辨率毫米波雷達(dá)要實(shí)現(xiàn)從原來只判斷安全距離內(nèi)有無物體，到形成環(huán)境建模，判斷雷達(dá)點(diǎn)云中每個(gè)點(diǎn)對應(yīng)的具體物體（人或車等）的形狀。實(shí)現(xiàn)這一特性的方式就是在毫米波雷達(dá)芯片中增加集成的收發(fā)機(jī)的數(shù)量。

提升系統(tǒng)集成和增加收發(fā)機(jī)數(shù)量代表著自動駕駛的兩種技術(shù)應(yīng)用方向。前者主要針對輔助駕駛，由于對成本和雷達(dá)模組復(fù)雜度更為敏感，輔助駕駛的汽車更在意 CMOS 系統(tǒng)集成帶來的模組復(fù)雜度的降低。而 L4-L5 自動駕駛，更在意毫米波雷達(dá)對于空間的分辨率以獲取更高精度的點(diǎn)云，因此更在意收發(fā)機(jī)的數(shù)量。

從以上趨勢，我們看到，毫米波雷達(dá)從探測距離到高精度分辨率、空間分辨率都在盡可能彌補(bǔ)缺陷以提高探測精度，從而向激光雷達(dá)發(fā)起挑戰(zhàn)。同時(shí)由于激光雷達(dá)也在盡可能地降低成本以鞏固其市場占有。因此，二者在未來很長仍將會被長期組合使用，與攝像頭、超聲波傳感器等形成多傳感器融合應(yīng)用的態(tài)勢。

多傳感器融合：毫米波雷達(dá)的應(yīng)用終局

以上可知，毫米波雷達(dá)無論對于 L1-L3 輔助駕駛的汽車，還是對于激進(jìn)實(shí)現(xiàn) L4-L5 完全自動駕駛的汽車來說，都仍然是必須的傳感器設(shè)備。

對于新增輔助駕駛來說，毫米波雷達(dá)可以在原有的盲點(diǎn)監(jiān)測、定距巡航等應(yīng)用上，進(jìn)行一些漸進(jìn)式擴(kuò)展，成為像自動換線等輔助駕駛功能的支持傳感器系統(tǒng)。

而對于高級別自動駕駛來說，高精度毫米波雷達(dá)將是其無人駕駛系統(tǒng)可靠性的重要保障，結(jié)合激光雷達(dá)和攝像頭傳感這三件套傳感器融合，可以實(shí)現(xiàn)所有氣候環(huán)境下的自動駕駛。

在行駛安全高于一切的原則下，沒有毫米波雷達(dá)的無人車恐怕無法應(yīng)對因時(shí)因地變化的復(fù)雜路況環(huán)境和天氣狀況，因而也就不可能讓無人駕駛汽車全天候上路了。

在已經(jīng)出現(xiàn)的自動駕駛的安全事故當(dāng)中，關(guān)鍵傳感器誤判與缺失仍然是主要的原因之一，比如 16 年一輛處于輔助駕駛狀態(tài)的特斯拉，因攝像頭沒有識別拐彎的白色卡車，同時(shí)也沒有安裝激光雷達(dá)，造成誤判而撞上卡車。另外，多個(gè)不同種類的傳感器的可能矛盾的信息檢測也需要得到迅速的處理。

在使用多種類傳感器，確保安全可靠性上，自動駕駛系統(tǒng)就必須要對傳感器進(jìn)行信息融合。多傳感器融合，意味著自動駕駛的計(jì)算平臺要從算法上對攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)探測的信息數(shù)據(jù)做好優(yōu)先級排序和決策，從而保證自動駕駛系統(tǒng)決策的正確性。

對于毫米波雷達(dá)來說，其在自動駕駛的傳感器系統(tǒng)的重要性以無需贅言了，相比較仍然飽受爭議中的激光雷達(dá)，甚至可以直接接過自動駕駛?cè)椎摹癈 位”擔(dān)當(dāng)了。

伴隨著毫米波技術(shù)向更高頻段的不斷升級，同時(shí)自動駕駛的產(chǎn)業(yè)規(guī)模也同步擴(kuò)大。無論是技術(shù)潛力還是市場潛力，都為毫米波雷達(dá)的發(fā)展預(yù)留出巨大的提升空間。

最后，我們可以再說回到毫米波頻段技術(shù)的升級上。國內(nèi)創(chuàng)業(yè)企業(yè)是否也可以像移動通信技術(shù)的發(fā)展類似，實(shí)現(xiàn)第一代（24GHz）落后，第二代（77GHz）追趕，第三代（79GHz）領(lǐng)先，這也許是我國毫米波雷達(dá)技術(shù)最令人期待的發(fā)展路徑了。