【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(wǎng)聯(lián)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(fā)展方向的探討。
智能駕駛的背景與進程
現(xiàn)在對自動駕駛、智能駕駛、智能網(wǎng)聯(lián)，有很多各種各樣的定義。在這些定義里面，ADAS 系統(tǒng)是我們通常說的智能駕駛員輔助系統(tǒng)，「ADAS 系統(tǒng)」一般來說在 Level 0 到 Level 1，具備單一的控制功能。當復數(shù)的ADAS系統(tǒng)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(jīng)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(tǒng)」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(nèi)容與定義
「完全自動駕駛」就是說汽車由整個自動駕駛系統(tǒng)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(nèi)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(yè)可能是另外一種形態(tài)，就是說汽車工業(yè)可能來到后汽車工業(yè)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(zhì)來運行的時間。就是說，實際到我們一般人買的車里面出現(xiàn)自動駕駛的話，估計還要更長的時間。
圖2自動駕駛的實現(xiàn)途徑
在自動駕駛里面，我們實現(xiàn)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(tǒng)」；還有一個基于V2X獲取前方信息的「協(xié)調(diào)型行走系統(tǒng)」，也就是所謂的汽車網(wǎng)聯(lián)。再往上一層就是智能加上網(wǎng)聯(lián)，當智能和網(wǎng)聯(lián)這兩個系統(tǒng)聯(lián)合在一起，可能就是將來的自動駕駛系統(tǒng)。
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(wǎng)聯(lián)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(wǎng)聯(lián)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(yè)路線
現(xiàn)在在自動駕駛技術的商業(yè)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(tǒng)，在主機廠里面，現(xiàn)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(fā)展。0級在很早以前，90年代就有了。
然后在中級里面，像現(xiàn)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(chǎn)業(yè)基礎，在美國那邊汽車公司里面都已經(jīng)進入了2級，它再從0級出發(fā)也是不符合時代的。所以它的表現(xiàn)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(tǒng)，這樣有一種跨界的感覺。
圖4汽車環(huán)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(xiàn)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(xiàn)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(nèi)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(xiàn)在，終于從數(shù)萬美金降到―百美金。所以說，這個時間的發(fā)展往往不一定如我們所期待的那么順利。
圖5現(xiàn)代車載雷達構成
在汽車電子雷達方面，現(xiàn)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(qū)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(guī)上允許最大1個GHz，但是77G雷達的帶寬大概在500MHz 以內(nèi)，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(guī)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(qū)域限制，帶寬帶來的效果并沒有表現(xiàn)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(fā)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(fā)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(xiàn)會越來越難控制，它對生產(chǎn)工藝的相對要求就會越來越高。
現(xiàn)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(fā)展就會看到，現(xiàn)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(fā)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(jīng)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(xiàn)階段用的77G的毫米波雷達，根據(jù)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(xiàn)，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(xiàn)環(huán)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(xiàn)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(xiàn)毫米波的成像。
也就是說，很快（大概十年內(nèi)）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(xiàn)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(fā)展機制上區(qū)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(jīng)使用77G了，而國內(nèi)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(fā)動態(tài)：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(xiàn)成像。比如說像這個室內(nèi)，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(xiàn)在在醫(yī)院里做CT成像是基本一樣的。
圖12研發(fā)動態(tài)：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(xiàn)。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(fā)動態(tài)：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(xiàn)在77G 一樣的相控陣天線，多發(fā)射多接收的話，這時候?qū)Χ嗄繕说姆蛛x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(xiàn)在77G雷達用的是32或64個目標，在79G的時候雷達內(nèi)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(shù)。我們同時跟蹤的目標數(shù)越多，對雷達內(nèi)部的信號處理芯片運算能力要求會成指數(shù)增長。這是79G雷達開發(fā)需要考慮的問題。
圖14研發(fā)動態(tài)：雷達信號處理系統(tǒng)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(shù)量的影響之外，還有下雨天氣，道路環(huán)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(fā)動態(tài)：雷達信號處理系統(tǒng)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(nèi)部做圖15 中所提到的六項信號處理。
隨著現(xiàn)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(jīng)是運算負荷很重的信號處理，包括我們現(xiàn)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(xiàn)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(fā)展。
下一代的感知系統(tǒng)里面，感知系統(tǒng)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(tǒng)，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(jīng)有，只不過是成本方面的問題?，F(xiàn)在79G已經(jīng)實現(xiàn)了距離方面的掃描，即現(xiàn)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(xiàn)毫米波的成像。現(xiàn)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。
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