從構(gòu)造和原理解析毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)

從構(gòu)造和原理解析毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)隨著自動(dòng)駕駛的火熱，激光雷達(dá)受到前所未有的追捧，因?yàn)槠渚哂懈呔?、大信息量、不受可?jiàn)光干擾的優(yōu)勢(shì)。但我們可以注意到，目前主流的自動(dòng)駕駛方案并未完全拋棄毫米波雷達(dá)，這又是什么原因呢？一、引子首先要明確，這里要講的雷達(dá)是發(fā)射電磁波的正經(jīng)雷達(dá)，而不是發(fā)射機(jī)械波的倒車(chē)?yán)走_(dá)。二戰(zhàn)軍迷和歷史研究者大概對(duì)雷達(dá)技術(shù)的淵源了如指掌：第一臺(tái)實(shí)用雷達(dá)就是用于探測(cè)試圖半夜從空中越過(guò)英吉利海峽的德農(nóng)——坐著飄在天上的金屬殼的德農(nóng)。之后雷達(dá)既在太平洋夜戰(zhàn)中碾壓過(guò)島國(guó)訓(xùn)練有素的戰(zhàn)列艦觀察兵的光榮時(shí)刻，也有過(guò)在貝卡谷地被猶太人的反輻射導(dǎo)彈炸成渣渣的慘痛歷史。雷達(dá)從戰(zhàn)爭(zhēng)機(jī)器轉(zhuǎn)職交通行業(yè)的初期伴隨著無(wú)數(shù)車(chē)主的血淚——雷達(dá)測(cè)速。而現(xiàn)在雷達(dá)成為了車(chē)主擺脫油門(mén)的助手——自適應(yīng)巡航的主傳感器，以及并線(xiàn)的保護(hù)神——盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)和并線(xiàn)輔助用傳感器，還偶爾扮演避免追尾事故的最后一道防線(xiàn)——自動(dòng)緊急制動(dòng)用傳感器。二、構(gòu)造和原理目前車(chē)載雷達(dá)的頻率主要分為24GHz頻段和77GHz頻段，其中77GHz頻段代表著未來(lái)的趨勢(shì)：這是國(guó)際電信聯(lián)盟專(zhuān)門(mén)劃分給車(chē)用雷達(dá)的頻段。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)77GHz的雷達(dá)才屬于毫米波雷達(dá)，但是實(shí)際上24GHz的雷達(dá)也被稱(chēng)為毫米波雷達(dá)。在工程實(shí)踐中，雷達(dá)天線(xiàn)具體實(shí)現(xiàn)的方法有很多種。目前車(chē)載雷達(dá)中比較常見(jiàn)的是平面天線(xiàn)陣列雷達(dá)，因?yàn)橄啾绕渌麑?shí)現(xiàn)方式，平面雷達(dá)沒(méi)有旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件，從而能保證更小的體積和更低的成本。下面以目前常見(jiàn)的平板天線(xiàn)雷達(dá)為例，介紹車(chē)載雷達(dá)的構(gòu)造和原理。先對(duì)車(chē)載雷達(dá)有個(gè)直觀地認(rèn)識(shí)：炸開(kāi)看看：其中這一片就是天線(xiàn)陣列，如下圖所示：其中從上至下分別是10條發(fā)射天線(xiàn)TX1，然后是2條發(fā)射天線(xiàn)TX2，最后是4條接收天線(xiàn)RX1至RX4。兩組發(fā)射天線(xiàn)分別負(fù)責(zé)探測(cè)近處和遠(yuǎn)處的目標(biāo)，其覆蓋范圍如下圖所示：這里因?yàn)榻幍囊暯牵‵OV）比較大，大概有90度，所以需要更多天線(xiàn)，而遠(yuǎn)處的視角小，大概只有20度，所以?xún)筛炀€(xiàn)就夠了。雷達(dá)裝在車(chē)上的樣子如下圖所示：雷達(dá)通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射和接收電磁波，所發(fā)射的電磁波并非各向均勻的球面波，而是以具有指向性的波束的形式發(fā)出，且在各個(gè)方向上具有不同的強(qiáng)度，如下圖所示：雷達(dá)主要測(cè)量目標(biāo)的三個(gè)參數(shù)：位置、速度和方位角。下面簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)這三個(gè)參數(shù)的測(cè)量原理。位置和速度這兩個(gè)參數(shù)的測(cè)量原理在小學(xué)科普課本里就講了：雷達(dá)波由發(fā)射天線(xiàn)發(fā)出、被目標(biāo)反射后，由接收天線(xiàn)接收雷達(dá)回波。通過(guò)計(jì)算雷達(dá)波的飛行時(shí)間，乘以光速再除以2就可以得到雷達(dá)和目標(biāo)之間的距離。而根據(jù)多普勒效應(yīng)，通過(guò)計(jì)算返回接收天線(xiàn)的雷達(dá)波的頻率變化就可以得到目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是相對(duì)速度正比于頻率變化量。當(dāng)目標(biāo)和自車(chē)接近時(shí)，回波的頻率相比發(fā)射頻率有所升高，反之則頻率降低。實(shí)現(xiàn)位置和速度的測(cè)量的具體方法根據(jù)雷達(dá)采用的調(diào)制方式的不同而有所不同。雷達(dá)的調(diào)制簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波的識(shí)別和飛行時(shí)間的測(cè)量，需要在雷達(dá)發(fā)射的電磁波上加入標(biāo)記和時(shí)間參考。在車(chē)載雷達(dá)中主要使用幅值調(diào)制和頻率調(diào)制兩種方式。方位角通過(guò)并列的接收天線(xiàn)收到同一目標(biāo)反射的雷達(dá)波的相位差計(jì)算得到目標(biāo)的方位角。原理如下圖所示：其中方位角αAZ可以通過(guò)兩個(gè)接收天線(xiàn)RX1和RX2之間的幾何距離d以及兩天線(xiàn)收到雷達(dá)回波的相位差b通過(guò)簡(jiǎn)單的三角函數(shù)計(jì)算得到。三、應(yīng)用實(shí)例毫米波雷達(dá)最常見(jiàn)的三種用途是：ACC（自適應(yīng)巡航）BSD&LCA（盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)和變道輔助）AEB（自動(dòng)緊急制動(dòng)，通常配合攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)融合）作為已經(jīng)量產(chǎn)多年的技術(shù)，我想就不用再介紹以上功能的具體內(nèi)容了。讓我們來(lái)說(shuō)點(diǎn)更有趣的事：a)雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理流程實(shí)現(xiàn)ACC等功能的核心技術(shù)是目標(biāo)識(shí)別與跟蹤。在接收天線(xiàn)收到雷達(dá)回波并解調(diào)后，控制器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字采樣并做相應(yīng)的濾波。接下來(lái)用FFT手段將信號(hào)變換至頻域。接下來(lái)尋找信號(hào)中特定的特征，例如頻域的能量峰值。在這一步還不能得到我們需要的目標(biāo)，獲取的僅僅是雷達(dá)波的反射點(diǎn)的信息。并且，對(duì)于很多高性能雷達(dá)來(lái)說(shuō)，此時(shí)獲得的多個(gè)反射點(diǎn)可能來(lái)自一個(gè)物體，例如一輛貨車(chē)可能形成5-10個(gè)反射點(diǎn)。所以首先還要將很可能屬于同一物體的反射點(diǎn)匹配到同一個(gè)反射點(diǎn)集群中。接下來(lái)通過(guò)跟蹤各個(gè)反射點(diǎn)集群，形成對(duì)物體的分布的猜測(cè)。在下一個(gè)測(cè)量循環(huán)中，例如通過(guò)卡曼濾波，基于上一次的物體分布，預(yù)測(cè)本測(cè)量循環(huán)中可能的物體分布，然后嘗試將當(dāng)前得到的反射點(diǎn)集群與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行匹配，例如通過(guò)比較物體的位置和速度等參數(shù)。當(dāng)反射點(diǎn)集群與上一測(cè)量循環(huán)得到的物體信息匹配成功時(shí)，就得到了該物體的“軌跡”，同時(shí)該物體的可信度增加，反之則可信度下降。只有當(dāng)一個(gè)物體的可信度超過(guò)一定門(mén)限時(shí)，該物體才會(huì)成為我們關(guān)心的目標(biāo)而進(jìn)入所謂的目標(biāo)列表。b)關(guān)于雷達(dá)的兩個(gè)小問(wèn)題雷達(dá)到底能不能探測(cè)到靜止目標(biāo)？很多早期的ACC系統(tǒng)不會(huì)對(duì)靜止物體作出反應(yīng)，也就是說(shuō)，如果前方有靜止物體，例如在進(jìn)入探測(cè)范圍之前就停在前方的車(chē)輛，ACC并不會(huì)將該車(chē)作為目標(biāo)，不會(huì)發(fā)出減速請(qǐng)求。所以有人以為雷達(dá)無(wú)法探測(cè)靜止物體，這其實(shí)是一個(gè)誤解。通過(guò)之前的敘述，我們可以看到，雷達(dá)探測(cè)能力只和物體的雷達(dá)波反射特性有關(guān)，不涉及其任何運(yùn)動(dòng)特性，所以只要物體的雷達(dá)反射截面足夠大，該物體不存在無(wú)法探測(cè)的問(wèn)題。早期ACC不對(duì)靜止物體作出反應(yīng)主要是由于目標(biāo)分類(lèi)的緣故。由于早期的雷達(dá)的角分辨率較低，導(dǎo)致高度方向和橫向的分辨率較低，無(wú)法很好的區(qū)分可以越過(guò)的物體，例如井蓋，或者可以從下方穿過(guò)的物體，例如路牌。所以為了避免ACC誤動(dòng)作，比如在高速公路上由于路牌而制動(dòng)，設(shè)計(jì)成不對(duì)從探測(cè)到開(kāi)始就保持的靜止物體進(jìn)行反應(yīng)，因?yàn)闊o(wú)法判斷該物體是基礎(chǔ)設(shè)施還是交通參與者。另一方面，即使是早期的ACC系統(tǒng)，由于雷達(dá)保存了該目標(biāo)的歷史信息，如果已經(jīng)探測(cè)到的車(chē)輛從行駛中制動(dòng)到停止，系統(tǒng)仍然能夠?qū)⒃撐矬w劃分為交通參與者，從而進(jìn)行制動(dòng)。相比激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)？隨著自動(dòng)駕駛的火熱，激光雷達(dá)受到前所未有的追捧，因?yàn)槠渚哂懈呔取⒋笮畔⒘?、不受可?jiàn)光干擾的優(yōu)勢(shì)。但我們可以注意到，目前主流的自動(dòng)駕駛方案并未完全拋棄毫米波雷達(dá)，這又是什么原因呢？首先就是大家都知道的天氣原因。激光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于毫米波雷達(dá)(nmvsmm)，所以霧霾導(dǎo)致激光雷達(dá)失效并不是段子。同樣的原因，毫米波雷達(dá)的探測(cè)距離可以輕松超過(guò)200米，而激光雷達(dá)目前的性能一般不超過(guò)150米，所以對(duì)于高速公路跟車(chē)這樣的情景，毫米波雷達(dá)能夠做的更好。其次，毫米波雷達(dá)便宜啊，作為成熟產(chǎn)