车载毫米波雷达如何增强先进驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶

车载毫米波雷达如何提升ADAS与自动驾驶能力

先进驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶每年有 120 万人死于车祸，在这些重大事故中，90% 以上是人为过错造成的（例如醉驾、超速、忽略交通信号和开车时看手机等）。每年因车祸死亡 120 万人，相当于每天有 7 架载有 500 名乘客的客机坠毁。为了尽量减少车祸数量，汽车制造商、供应商、政府机构、学术界、甚至非汽车技术提供商正在联合开发先进的驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶汽车。这个全新的汽车生态系统融合了来自各个领域的大量先进技术，例如：

• 传感器融合了无线电探测和测距（RADAR）、光探测和测距（LIDAR）以及光学传感器（摄像头）。
• 高速信息系统融合了汽车以太网、强大的信号处理功能、具有高精度导航功能的高清（HD）地图，以及人工智能（AI）。
• 汽车通信则包括车辆到车辆（V2V）、车辆到网络（V2N）、车辆到基础设施（V2I）、车辆到行人（V2P）、车辆到公用事业（V2U）以及车辆到一切（V2X）之间的通信。

每一种传感技术都有其优点和局限性，汽车行业不能仅依赖于一种传感技术。自动驾驶汽车行业的大多数领先企业都将这全部三种传感技术结合使用，以确保其自动驾驶系统在距离、分辨率和稳定性方面获得可靠的综合数据。自动驾驶汽车将带来巨大好处，比如挽救生命、让驾驶更安全，同时开发人员也需要证明他们的关键技术是非常安全而可靠的。最近发生了第一起与自动驾驶汽车有关的车祸并导致行人死亡，因此引发了大众的担忧。如果自动驾驶汽车不能证明其机器错误接近于零，那么无论它们在多大程度上减少了人为因素导致的事故，大众和监管机构将不会放心自动驾驶汽车的大规模普及。为了解决这些问题，设计人员和工程师必须实施最可靠的全天侯传感器技术。他们还必须使用出色的仿真和测试解决方案，检验和证明自动驾驶的准确性与可靠性。

只有探测到问题，才能避免问题：

三项主要的传感技术

1. 雷达 : 探测 — 通过无线电波探测距离（范围）和移动（速度和角度）
   • 应用
     • 自适应巡航控制
     • 自动紧急制动系统
     • 盲点探测
     • 停车辅助
   • 优点
     • 历经数十年的考验 
     • 在所有环境条件下保持可靠
     • 小巧、轻便
     • 更远的探测距离
2. 摄像头 : 通过图像识别和分类目标
   • 应用
     • 交通标志识别 
     • 车道保持系统
     • 停车辅助
     • 盲点探测
     • ACC、AEBS
   • 优点
     • 成本更低
     • 大众市场技术
     • 传感器体积更小
     • 高分辨率
     • 颜色识别
     • 成像处理
3. LIDAR : 利用激光提供 360° 三维视野
   • 应用
     • 行人紧急制动辅助、碰撞 紧急制动、地图 
   • 优点
     • 高精度
     • 高分辨率
     • 对捕获的大量数据进行 智能信号处理

在所有的传感技术中，LIDAR 是最新技术，并且在自动驾驶汽车市场中引起了轰动。它使用激光提供最精密的 3D 地图，并以自动驾驶汽车为中心对周围 100 米（300 英尺）内的范围进行 360° 扫描。一些 LIDAR 系统可提供多达 64 个信道，并且每秒扫描超过一百万点。这些信息可以提供 2 cm（约 1 英寸）的高精度，使车辆对不断变化的环境做出准确反应。

不过，基于 LIDAR 的传感技术尚未在大众市场应用中得到证明，并依赖于移动部件进行 360° 旋转扫描。LIDAR 会产生数量庞大的数据，需要极高的信号处理能力和强大的数据管理子系统。尽管最近市场上出现了更经济的 LIDAR 型号，但这些传感器仍然非常昂贵。虽然图像处理成本可能很高，但是光学摄像头感测无疑是成本最低的技术。它能识别目标及其类别，并能读取交通信号。不过，基于摄像头的传感技术容易受到天气和其他环境条件的影响，因此不能始终保持可靠性。一辆采用摄像头传感技术的半自动驾驶车辆在白天没能辨认出道路上的白色卡车，结果发生了惨烈的车祸，这更让摄像头传感技术的局限性更加凸显。

相比之下，汽车雷达是最可靠的技术，几乎在任何条件下都能探测出目标的距离（范围）和运动特征。它使用反射的无线电波来探测其他障碍物后面的障碍物，并且对信号处理的要求较低。几十年以来，雷达技术已在许多重视安全的行业得到验证，例如航空、空中交通管制、海上运输、执法，当然还有汽车行业。

传统的 24 Ghz 窄带汽车雷达在区分目标，以及识别人、狗、其他汽车甚至纸板箱方面的能力都很有限。虽然单独通过雷达传感技术无法提供充足的数据来实现全自动驾驶系统，但汽车雷达已经通过减轻驾驶员的人为错误，为 ADAS 提供了诸多优势，使其成为在全自动驾驶汽车普及开来之前的一个良好的过渡平台。目前利用汽车雷达传感技术的 ADAS 大众市场应用包括自动紧急制动系统、前方碰撞警告、盲点探测、车道变换辅助、后方碰撞预警系统、高速公路上的自适应高速巡航控制，以及在拥挤的道路中走走停停的巡航控制。

虽然每种技术在自动驾驶汽车的发展中都发挥着重要作用，但传感器对于提高道路安全的目标至关重要。在目前所有可用的传感器中，汽车雷达是唯一无论白天或黑夜、晴天或雨天都能确定目标速度、距离和角度全部三个变量的技术。

汽车雷达让驾驶更安全

汽车雷达传感技术目前的主流还是 24 Ghz 窄带传感器，但它正在迅速向 76-81 GHz高频段、5 Ghz 宽带宽、毫米波、调频连续波（FMCW）和波束赋形天线发展。远距离探测使用 76 Ghz 频段，而短距离、高精度探测则使用 77 – 81 Ghz 频段。了解更高频率、更宽带宽的先进汽车雷达系统所带来的性能提升非常重要。距离测量误差和最小分辨距离与带宽成反比。从 24 GHz 过渡到 77 GHz，距离分辨率和精度将会提高 20 倍。例如，24 GHz 系统的距离分辨率为 75 cm，而 77 GHz系统则提高到 4 cm，这使其可以更好地探测多个彼此靠近的目标（图 1）。

此外，波长越短，速度测量的分辨率和精度也会成比例增加。因此，从 24 GHz过渡到 77 GHz，速度测量性能可以提升 3 倍。从传统的 24 Ghz 系统过渡到 77 Ghz 系统的另一优势是体积和重量得到改善。由于 77 GHz 信号的波长是 24 GHz 信号的三分之一，因此 77 GHz 天线的总面积是同类型 24 GHz 天线的九分之一。开发人员可以使用更小、更轻的传感器，而且它们更容易隐藏，可以实现更好的燃油经济性和汽车设计。1 GHz 和 4 GHz 带宽（图 2）的测试结果比较清晰地显示，只有较宽带宽的分辨率可以测量两个相距仅有 10 厘米的目标。较窄带宽的雷达无法探测两个不同的物体，结果会向驾驶员或自动驾驶系统提供错误的数据，导致他们做出错误的判断。如果一个人和他的狗紧挨着正在走路，但这条狗突然蹿到了路上，此时只有带宽较宽的雷达（在右边测试）可以探测到这两个独立的目标，并向驾驶员或自动驾驶系统提供正确信息。相比之下，带宽较窄的雷达（在左边测试）会提供错误或混淆的信息，从而可能导致发生悲惨的交通事故。 

凭借更高的分辨率和更远的探测距离，汽车雷达可以让任何条件下的驾驶变得更安全。当一名驾驶员开车在高速公路上以 55 英里/小时速度行驶时，很明显，他发送一条短信的时间，车辆足以驶过整个足球场。如果驾驶员分心，没有注意到交通状况及时减速，那么基于雷达的 ADAS 系统将会在可能发生撞车之前发出声光报警。如果驾驶员没有反应，ADAS 系统将会启动全自动制动响应，以避免碰撞或减少撞击力。只有毫米波宽带宽的先进汽车雷达可以不分白天和黑夜、晴天和雨天，始终执行这项探测远近距离目标的关键任务。

是德科技的先进汽车雷达研发和制造用测试解决方案

开发毫米波汽车雷达需要最大限度降低传播损耗、相位噪声、IQ 和频率响应误差以及噪声对评测模块（EVM）的影响。测试毫米波，特别是 76-81 GHz 频段，需要一个周密的测试解决方案，其中涉及到许多仪器、电缆、连接器和附件，此时要想确保测试结果的可重复性非常困难。要想生成和表征精确的宽带宽毫米波信号，必须要采用最可靠、最精确的测试解决方案。

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