芯耀
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假如現(xiàn)在你要乘坐一輛已經(jīng)沒(méi)有安全員的無(wú)人駕駛汽車(chē)上路，而且還是高速行駛，請(qǐng)問(wèn)你最關(guān)心什么問(wèn)題？擔(dān)心車(chē)自己迷路？開(kāi)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(chē)是不是安全了。相較于依靠駕駛員視覺(jué)來(lái)保證行駛安全的傳統(tǒng)汽車(chē)，自動(dòng)駕駛汽車(chē)就要專(zhuān)門(mén)依賴大量的傳感器來(lái)行使汽車(chē)的“視覺(jué)”功能，而且越高級(jí)別的自動(dòng)駕駛就會(huì)采用更多冗余的傳感器系統(tǒng)。
超過(guò)人類(lèi)駕駛員的安全可靠性，才是自動(dòng)駕駛得以成立的根本前提。
目前，為保證安全性，自動(dòng)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(wú)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(chē)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(mén)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(dòng)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(méi)有爭(zhēng)議的存在了。在目前支持自動(dòng)駕駛以及高級(jí)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(shí)精度低等缺陷。在現(xiàn)有自動(dòng)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(shì)，以及最新技術(shù)演進(jìn)的趨勢(shì)和在自動(dòng)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(shì)
毫米波雷達(dá)在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用其實(shí)已經(jīng)多年，最初加入汽車(chē)傳感器當(dāng)中主要是為了實(shí)現(xiàn)盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)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(chē)型普及到了幾乎所有車(chē)型。而隨著自動(dòng)駕駛以及 ADAS 對(duì)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(shì)在其中發(fā)揮了重要的作用。
所謂毫米波指波長(zhǎng)介于 1~10mm 的電磁波，毫米波的波長(zhǎng)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(guò)天線向外發(fā)射毫米波，接收目標(biāo)反射信號(hào)，經(jīng)計(jì)算后快速準(zhǔn)確地獲取汽車(chē)車(chē)身與其他物體直接的相對(duì)距離、速度、角度、運(yùn)動(dòng)方向等，再交回車(chē)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(hào)源，由激光器發(fā)射出的激光束來(lái)探測(cè)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(guò) 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(shì)對(duì)比呢？
首先，在探測(cè)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(chē)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(cè)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(huì)受到雨、霧、灰塵等常見(jiàn)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(cè)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(duì)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(cè)距離上，由于毫米波在大氣中衰減弱，所以可以探測(cè)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(cè)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(guò)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(dòng)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)?；诤撩撞úㄩL(zhǎng)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(chē)上；而激光雷達(dá)由于內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，對(duì)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(wàn)元。
目前，對(duì)于激光雷達(dá)，除了小型化、美觀化的問(wèn)題外，降低成本成為追求量產(chǎn)的制造商來(lái)說(shuō)就是頭等重要的事情了。而對(duì)于毫米波雷達(dá)，提升其測(cè)量分辨率和精確度，則成為當(dāng)務(wù)之急。
超長(zhǎng)距離+高分辨率，毫米波雷達(dá)的升級(jí)新優(yōu)勢(shì)
相比較激光雷達(dá)以及攝像頭而言，基于測(cè)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(wú)疑問(wèn)地廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛車(chē)輛當(dāng)中，但其在探測(cè)精度上的短板也需要持續(xù)的技術(shù)迭代來(lái)補(bǔ)足。
按照毫米波頻段劃分，目前車(chē)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(cè)，后兩個(gè)頻段主要負(fù)責(zé)中長(zhǎng)距離探測(cè)。
第一個(gè)趨勢(shì)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(duì)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(zhǎng)距離探測(cè)和高距離分辨率。
77GHz 毫米波雷達(dá)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)也意味著實(shí)現(xiàn)的技術(shù)門(mén)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(guó)的少數(shù)企業(yè)掌握，而國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)外企業(yè)還處在同一起跑線上。
第二個(gè)趨勢(shì)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(hào)處理能夠在本地完成，而無(wú)需再配備專(zhuān)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(shì)是，毫米波雷達(dá)的空間分辨率的提升。在盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)中，高分辨率毫米波雷達(dá)要實(shí)現(xiàn)從原來(lái)只判斷安全距離內(nèi)有無(wú)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(duì)應(yīng)的具體物體（人或車(chē)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(dòng)駕駛的兩種技術(shù)應(yīng)用方向。前者主要針對(duì)輔助駕駛，由于對(duì)成本和雷達(dá)模組復(fù)雜度更為敏感，輔助駕駛的汽車(chē)更在意 CMOS 系統(tǒng)集成帶來(lái)的模組復(fù)雜度的降低。而 L4-L5 自動(dòng)駕駛，更在意毫米波雷達(dá)對(duì)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(shì)，我們看到，毫米波雷達(dá)從探測(cè)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(cè)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(chǎng)占有。因此，二者在未來(lái)很長(zhǎng)仍將會(huì)被長(zhǎng)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(shì)。
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(wú)論對(duì)于 L1-L3 輔助駕駛的汽車(chē)，還是對(duì)于激進(jìn)實(shí)現(xiàn) L4-L5 完全自動(dòng)駕駛的汽車(chē)來(lái)說(shuō)，都仍然是必須的傳感器設(shè)備。
對(duì)于新增輔助駕駛來(lái)說(shuō)，毫米波雷達(dá)可以在原有的盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)、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(dòng)換線等輔助駕駛功能的支持傳感器系統(tǒng)。
而對(duì)于高級(jí)別自動(dòng)駕駛來(lái)說(shuō)，高精度毫米波雷達(dá)將是其無(wú)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(dòng)駕駛。
在行駛安全高于一切的原則下，沒(méi)有毫米波雷達(dá)的無(wú)人車(chē)恐怕無(wú)法應(yīng)對(duì)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(wú)人駕駛汽車(chē)全天候上路了。
在已經(jīng)出現(xiàn)的自動(dòng)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(méi)有識(shí)別拐彎的白色卡車(chē)，同時(shí)也沒(méi)有安裝激光雷達(dá)，造成誤判而撞上卡車(chē)。另外，多個(gè)不同種類(lèi)的傳感器的可能矛盾的信息檢測(cè)也需要得到迅速的處理。
在使用多種類(lèi)傳感器，確保安全可靠性上，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)就必須要對(duì)傳感器進(jìn)行信息融合。多傳感器融合，意味著自動(dòng)駕駛的計(jì)算平臺(tái)要從算法上對(duì)攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)探測(cè)的信息數(shù)據(jù)做好優(yōu)先級(jí)排序和決策，從而保證自動(dòng)駕駛系統(tǒng)決策的正確性。
對(duì)于毫米波雷達(dá)來(lái)說(shuō)，其在自動(dòng)駕駛的傳感器系統(tǒng)的重要性以無(wú)需贅言了，相比較仍然飽受爭(zhēng)議中的激光雷達(dá)，甚至可以直接接過(guò)自動(dòng)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(jí)，同時(shí)自動(dòng)駕駛的產(chǎn)業(yè)規(guī)模也同步擴(kuò)大。無(wú)論是技術(shù)潛力還是市場(chǎng)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(shuō)回到毫米波頻段技術(shù)的升級(jí)上。國(guó)內(nèi)創(chuàng)業(yè)企業(yè)是否也可以像移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展類(lèi)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(guó)毫米波雷達(dá)技術(shù)最令人期待的發(fā)展路徑了。
