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试述智能驾驶汽车毫米波雷达的技术原理及应用
摘要：毫米波雷达具有结构简单、发射功率低、分辨率高、灵敏度高、天线部件尺寸小的特点，在智能驾驶领域扮演了重要角色。本文介绍了毫米波雷达的技术原理、系统组成和在车辆上的布置设计。
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1、引言
随着毫米波技术的发展，单片微波集成电路MMIC和雷达天线高频PCB板等毫米波雷达关键部件的技术的突飞猛进，使毫米波雷达广泛应用在高级驾驶辅助系统（ADAS）中。毫米波雷达的优点在于，结构简单、发射功率低、分辨率高、灵敏度高、天线部件尺寸小。近年来，在智能驾驶领域，毫米波雷达越来越不可或缺。
2、基本原理
2.1什么是毫米波
毫米波是波长介于1-10mm的电磁波。其特点是波长短、频率宽、窄波束、雷达分辨率高。具有探测性能稳定、作用距离长、环境适用性好等特点。毫米波雷达穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候全天时的特点。
目前，主流的车载毫米波雷达按照频率不同，可分为两种：24GHz和77GHz。
24GHz频段的毫米波雷达已经可以实现盲点监测和低速状态下的变道辅助。在智能驾驶应用中，通常用来感知车辆近处的障碍物，为变道决策提供感知信息。其缺陷在于，探测距离不够远和对重叠目标的灵敏度低的局限性，所以，一般情况下适用于智能驾驶低配版
77GHz频段的毫米波雷达性能较前者有很大提升，最大探测距离可达160米。已经可以满足智能驾驶对于探测障碍物距离、相对速度、角度等的要求，因此，可以实现诸如，紧急制动（AEB）、自适应巡航（ACC）、并线辅助（LCA）等ADAS功能。
2.2车载毫米波雷达的原理
通过雷达天线向外发射毫米波，接受目标反射信号，经过后台处理，迅速准确地获取车辆周围环境的物理信息，例如：车辆与被探测物体之间的相对距离、相对速度、运动方向、以及角度等。
在获取物理信息后，对探测目标进行追踪和识别分类，同时，数据融合车辆自身动态信息，最后通过中央处理单元（ECU）进行智能处理。
在ADASL2级别下，车辆会将经过合理决策后的信息，以声、光、触觉等多种方式告知或者警告驾驶员，或及时对车辆做出主动干预，从而确保驾驶过程中的安全性，减少事故发生率。车载毫米波雷达简图见图1。
3、安装位置
图1车载毫米波雷达简图
雷达在车辆上的安装及误差范围是依据图2所标出的坐标系定义的。
3.1模块方向
SRR模块一般安装在车辆的四个角附近，具体位置取决于应用和整车的雷达覆盖范围要求。
雷达的软件需依据雷达的布置角度来配置。
SRR模块-纵坐标系统（SDS）中雷达的视场（FOV）见图3，可能出现“对称”和“非对称”与“非对称”的两种波束增益图。FOV本身是对称的，但是在信号增益图中非对称的图案表示雷达的灵敏度情况，灵敏峰值出现在+60°处。
3.2垂直方向
雷达的水平固定特征要与车辆行驶的路面平行，雷达的垂直固定特征需与车辆行驶路面垂直。可以根据不同车辆规定的载重设计，底盘设计和其他的特别设计在安装时需定义偏差补偿。总之，要保证雷达波发射水平面与路面在空载状态下平行。
雷达的垂直固定公差取决于实际应用中的信号覆盖范围和探测区域。根据雷达FOV的不同，pitch和roll的角度公差应被控制在+/-4.5°内。
误差对系统的影响：雷达波束平面所产生的角度误差会作为角度误差参数引入。垂直误差会导致雷达探测区域减少。SRR模块-角度偏移与探测范围关系图见图4。
图2车载毫米波坐标系
3.3水平方向
SRR模块能够提供一个相对于雷达视轴+/-75°的FOV，水平方向上的固定公差由FOV决定，FOV与车辆的应用要求以及潜在的车体结构反射情况相关。
误差对系统的影响：水平方向上偏离布置要求可能会造成覆盖区域一侧的覆盖范围明显缩小。此外，从车体结构上反射的信号会造成雷达丢失目标或者误探目标。
3.4安装高度
安装高度由应用中的最小探测范围及潜在的路面探测信息决定。安装高度以地面到雷达模块中心点的高度为准。
补偿车辆负载后，雷达的最大安装高度是800mm，最低的安装位置为距离地面400mm。在这个安装高度范围内，可以减少雷达向地面的发射，同时也减少地面反射带来的杂波干扰。
图3SRR模块-纵坐标系统（SDS）中雷达的视场（FOV)
图4SRR模块-角度偏移与探测范围关系图
安装高度对系统的影响：如果雷达的安装高于参考高度范围，系统可能探测不到盲区中较低的目标；如果雷达的安装低于参考高度范围，系统可能探测不到盲区中的高底盘车辆。
3.5外壳设计
为了避免将第二表面（雷达外部的覆盖外壳，如保险杆等）误认为是最近目标，雷达外表面到第二表面最大理论距离是0.5m，但是在实际场景中，为了减少雷达波在外壳上的投射面积，最大距离为0.1m。
考虑到雷达罩壳会吸收、反射或扭曲雷达波束，因此，外壳的尺寸必须大于雷达波束的投影。为了减少雷达波束的扭曲，外壳厚度的均匀性至关重要。需从外壳的介电常数和雷达入射角的综合考虑，定义一个最佳的厚度，或者最佳的渐变厚度。此外，外壳的材料应该是一致的，不能加金属或者碳纤维以防止雷达波束衰减和失真。
4、结语
毫米波雷达在目前的智能驾驶领域是唯一的全天候传感器，其测速、测距、精度、穿透力均十分突出，正因为如此，合理的布置位置才能发挥出雷达最佳的综合性能。
参考文献:
[1]杨航,高源.毫米波雷达识别问题分析及解决措施[J].汽车技术,2018(08).
滕飞.智能驾驶汽车毫米波雷达应用[J].轻型汽车技术,2020(Z3):25-27+52.
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2020-09-18
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