毫米波雷達(dá)與激光雷達(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?

相比起激光雷達(dá),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)一般不到150米。在高速行駛的場(chǎng)景里,毫米波雷達(dá)更適合。

其次,由于激光雷達(dá)在收發(fā)器和組裝工藝要求高,所以成本比較難降下來(lái)。而毫米波雷達(dá)因?yàn)樗枪杌男酒?沒(méi)有特別昂貴和復(fù)雜的工藝,所以毫米波雷達(dá)成本更具優(yōu)勢(shì)。毫米波雷達(dá)目前的價(jià)格大概在1.5千左右,而激光雷達(dá)的價(jià)格目前仍然是以萬(wàn)作為單位計(jì)算的。并且由于激光雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)超毫米波雷達(dá),所以需要更高性能的處理器處理數(shù)據(jù),更高性能的處理器同時(shí)也意味著更高的價(jià)格。所以對(duì)于工程師而言,在簡(jiǎn)單場(chǎng)景中,毫米波雷達(dá)仍然是最優(yōu)選擇。

但是,毫米波雷達(dá)的缺點(diǎn)也十分直觀,探測(cè)距離受到頻段損耗的直接制約,無(wú)法感知行人,并且對(duì)周邊所有障礙物無(wú)法進(jìn)行精準(zhǔn)的建模。而對(duì)于毫米波雷達(dá)的市場(chǎng)前景,一輛車上會(huì)搭載3-8顆毫米波雷達(dá),目前奔馳的高端車上也已經(jīng)安裝了7顆。未來(lái)幾年,車載毫米波雷達(dá)的市場(chǎng)規(guī)模將不容小覷。

激光雷達(dá)目前還有一個(gè)非常重要的技術(shù)是固態(tài)激光雷達(dá),它實(shí)際上與傳統(tǒng)雷達(dá)、毫米波雷達(dá)是一脈相承的,固態(tài)激光雷達(dá)實(shí)質(zhì)上就是調(diào)整每個(gè)發(fā)射和接收單元的相位,毫米波雷達(dá)也是同樣的原理,只不過(guò)毫米波雷達(dá)是對(duì)電磁波進(jìn)行操作,器件的實(shí)現(xiàn)難度要比對(duì)光的頻段上進(jìn)行相位的改變的難度低很多。未來(lái),固態(tài)激光雷達(dá)與毫米波雷達(dá)相結(jié)合或許是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

總之,毫米波雷達(dá)是很難被取代的傳感器,雖有不足之處,但全天候的工作狀態(tài)是最大優(yōu)勢(shì)。其測(cè)速、測(cè)距的精度要遠(yuǎn)高于視覺(jué)傳感器,與激光雷達(dá)相比,穿透力會(huì)更好。但是整體來(lái)講,這并不沖突,因?yàn)槲磥?lái)會(huì)走向融合的趨勢(shì),特別是針對(duì)自動(dòng)駕駛駕駛,毋庸置疑三大傳感器會(huì)相互融合。

毫米波雷達(dá)的主要應(yīng)用分類

1、制導(dǎo)雷達(dá)、火控雷達(dá),該類型雷達(dá)目前有一些選擇在毫米波波段的主要原因是提高探測(cè)能力、減小雷達(dá)體積,降低重量和體積,便于集成。

2、目標(biāo)檢測(cè)雷達(dá),該類型雷達(dá)主要是通過(guò)機(jī)械/電子波束掃描,實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)區(qū)域目標(biāo)距離、速度和角度的探測(cè),配備相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理單元,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別(散射特性)、跟蹤和預(yù)測(cè)(kalman濾波、粒子濾波等)。

3、毫米波對(duì)地觀測(cè)雷達(dá),該類型雷達(dá)主要是毫米波合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR),該類型雷達(dá)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)地成像觀測(cè),獲取地面區(qū)域的SAR圖像。

4、毫米波近距探測(cè)雷達(dá),該類型雷達(dá)主要實(shí)現(xiàn)2米以內(nèi)目標(biāo)的二維或三維成像檢測(cè),目前該類型系統(tǒng)的波段在30~37.5 GHz,以及94~200 GHz或者THz波段都有。比如目前美國(guó)機(jī)場(chǎng)的人體安檢三維掃描雷達(dá),通過(guò)毫米波代替X光等實(shí)現(xiàn)對(duì)人體衣服內(nèi)、皮膚外之間目標(biāo)的檢測(cè)成像,來(lái)加強(qiáng)安保;還有通過(guò)35GHz波段雷達(dá)或者94GHz以及THz波段雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對(duì)一些特殊材料的無(wú)損三維檢測(cè)等。

5、汽車?yán)走_(dá),在汽車上安裝雷達(dá)傳感器,實(shí)現(xiàn)汽車的防撞、自動(dòng)泊車、行人檢測(cè)等,目前主流的汽車?yán)走_(dá)為24GHz雷達(dá),但是受限于頻段管制、射電天文5Km不允許該波段雷達(dá)使用以及自身體積大(主要是天線體積大)等原因,目前77GHz汽車?yán)走_(dá)正在逐步產(chǎn)品化并裝備一些高端汽車,77GHz汽車?yán)走_(dá)的主要優(yōu)點(diǎn)是分配的頻段更寬,距離分辨率更高,體積相比24GHz雷達(dá)小,目標(biāo)探測(cè)能力強(qiáng),但是77GHz雷達(dá)的生產(chǎn)加工工藝要求更高,不過(guò)目前來(lái)看,這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)不是行業(yè)壁壘。

毫米波雷達(dá)在軍事上的典型應(yīng)用

“長(zhǎng)弓”“發(fā)射后不管”反坦克系統(tǒng)是美國(guó)陸軍20世紀(jì)80~90年代主要武器系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃之一,裝在波音公司制造的AH-64D攻擊直升機(jī)上,目的是使AH-64D在雨、霧、煙、塵等惡劣氣候和低能見(jiàn)度條件下,不分晝夜均具有高精度探測(cè)、分類和作戰(zhàn)的能力。軍方對(duì)系統(tǒng)的雷達(dá)和導(dǎo)彈尋的器都要求重量輕、體積小、分辨率高、全天候工作,因此只能選擇毫米波頻段。

1992年,美國(guó)陸軍決定開(kāi)發(fā)一種新型的配備毫米波主動(dòng)雷達(dá)尋的器的“地獄火”導(dǎo)彈,后來(lái)稱作“長(zhǎng)弓地獄火”導(dǎo)彈,代號(hào)為AGM-114L,用于“長(zhǎng)弓阿帕奇”武器系統(tǒng),用來(lái)打擊地面坦克裝甲部隊(duì)等?！伴L(zhǎng)弓地獄火”導(dǎo)彈的毫米波導(dǎo)引頭工作頻率為94 GHz,作用距離為12~16 km,對(duì)于近程目標(biāo)或動(dòng)目標(biāo),AGM-114L毫米波尋的器能利用APG-78雷達(dá)或直升機(jī)目標(biāo)捕獲與標(biāo)定瞄準(zhǔn)具(TADS)送來(lái)的數(shù)據(jù)在發(fā)射前鎖定目標(biāo);而在打擊遠(yuǎn)程固定目標(biāo)時(shí),則對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)方向發(fā)射導(dǎo)彈,并在毫米波尋的器鎖定目標(biāo)進(jìn)行末制導(dǎo)(最終瞄準(zhǔn))前,利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行控制。

毫米波雷達(dá)在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

毫米波雷達(dá)在軍事有人機(jī)、無(wú)人機(jī)早已大規(guī)模應(yīng)用。其在無(wú)人機(jī)的第一個(gè)應(yīng)用,也是目前市場(chǎng)最大的,是植保無(wú)人機(jī)的定高應(yīng)用。

我們知道gps和氣壓計(jì)測(cè)的是海拔高度,而植保時(shí),我們希望無(wú)人機(jī)在作物上方固定的高度飛行,無(wú)論地面和植被是否起伏。這個(gè)也叫仿地飛行。這種應(yīng)用有很多的解決方案,比如我們說(shuō)的超聲、激光、紅外、雙目等等。但是由于植保環(huán)境大多很差,有很大的灰塵,還有水霧,那么超聲和基于光學(xué)的都會(huì)受到很大干擾。

目前來(lái)看,基于毫米波雷達(dá)的高度計(jì),表現(xiàn)是最穩(wěn)定的,首先他能穿透塵埃水霧,另外也基本不受什么干擾。基于波束,而不是點(diǎn)反射,高度恰恰反映植被葉片高度。

無(wú)人機(jī)方面第二個(gè)應(yīng)用就是避障。這個(gè)同樣是一個(gè)多種傳感器爭(zhēng)奪的戰(zhàn)場(chǎng)。但是我們講毫米波雷達(dá)有不受光線影響、作用距離有非常大、可靠等優(yōu)勢(shì),而這些優(yōu)勢(shì)在軍事有人機(jī)、汽車、無(wú)人機(jī)方面都被證明。

當(dāng)然,毫米波雷達(dá)的分辨力相對(duì)較低。但是由于陣列天線的優(yōu)勢(shì),其實(shí)這個(gè)是可以有很大提高的。所以說(shuō)毫米波雷達(dá)有很大的調(diào)整空間,比如波束寬度、作用距離、價(jià)格等。毫米波雷達(dá)在無(wú)人機(jī)測(cè)高、避障上優(yōu)勢(shì)很明顯,但也有需要光學(xué)來(lái)補(bǔ)充的地方。

毫米波雷達(dá)在自動(dòng)駕駛功能上的應(yīng)用

自動(dòng)駕駛采用的傳感器主要有攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光、超聲波、紅外等。毫米波雷達(dá)傳輸距離遠(yuǎn),在傳輸窗口內(nèi)大氣衰減和損耗低,穿透性強(qiáng),可以滿足車輛對(duì)全天氣候的適應(yīng)性的要求,并且毫米波本身的特性,決定了毫米波雷達(dá)傳感器器件尺寸小、重量輕等特性。很好的彌補(bǔ)了攝像頭、激光、超聲波、紅外等其他傳感器,在車載應(yīng)用中所不具備的使用場(chǎng)景。

把毫米波雷達(dá)安裝在汽車上,可以測(cè)量從雷達(dá)到被測(cè)物體之間的距離、角度和相對(duì)速度等。利用毫米波雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)巡航控制(AdaptiveCruiseControl),前向防撞報(bào)警(ForwardCollisionWarning),盲點(diǎn)檢測(cè)(BlindSpotDetection),輔助停車(Parkingaid),輔助變道(Lanechangeassistant),自主巡航控制(ACC)等高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)功能。比較常見(jiàn)的汽車毫米波雷達(dá)工作頻率在24GHz和77GH附近。24GHz雷達(dá)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)近距離探測(cè)(SRR),而77GHz系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的探測(cè)(LRR)。

目前,毫米波雷達(dá)主要為24GHz和77GHz。24GHz的雷達(dá)測(cè)量距離較短(5～30m),主要應(yīng)用于汽車后方;77GHz的雷達(dá)測(cè)量距離較長(zhǎng)(30～70m),主要應(yīng)用于汽車前方和兩側(cè)。毫米波雷達(dá)主要包括雷達(dá)射頻前端、信號(hào)處理系統(tǒng)、后端算法三部分。在現(xiàn)有的產(chǎn)品中,雷達(dá)后端算法的專利授權(quán)費(fèi)用約占成本的50%,射頻前端約占成本的40%,信號(hào)處理系統(tǒng)約占成本的10%。

1、射頻前端:射頻前端通過(guò)發(fā)射和接收毫米波,得到中頻信號(hào),從中提取距離、速度等信息。因此,射頻前端直接決定了雷達(dá)系統(tǒng)的性能。當(dāng)前毫米波雷達(dá)射頻前端主要為平面集成電路,有混合微波集成電路(HMIC)和單片微波集成電路(MMIC)兩種形式。其中,MMIC形式的射頻前端成本低,成品率高,適合于大規(guī)模生產(chǎn)。在生產(chǎn)工藝上,一般采用的是外延MESFET、HEMT和HBT等器件工藝。其中,GaAs基的HEMT工藝最為成熟,具有優(yōu)秀的噪聲性能。

2、信號(hào)處理系統(tǒng):信號(hào)處理系統(tǒng)也是雷達(dá)重要的組成部分,通過(guò)嵌入不同的信號(hào)處理算法,提取從射頻前端采集得到的中頻信號(hào),獲得特定類型的目標(biāo)信息。信號(hào)處理系統(tǒng)一般以DSP為核心,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法,滿足雷達(dá)的實(shí)時(shí)性需求。

3、后端算法:后端算法占整個(gè)毫米波雷達(dá)成本的比例最高。針對(duì)毫米波雷達(dá),國(guó)內(nèi)研究人員從頻域、時(shí)域、時(shí)頻分析多個(gè)角度提出了大量的算法,離線實(shí)驗(yàn)的精度也較高。但是,國(guó)內(nèi)的雷達(dá)產(chǎn)品主要采用基于頻域的快速傅里葉變換及其改進(jìn)算法進(jìn)行分析,測(cè)量精度和適用范圍有一定局限性而國(guó)外算法受專利嚴(yán)格保護(hù),價(jià)格非常昂貴。

毫米波雷達(dá)在智能交通管理系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用

4D毫米波可視雷達(dá)是專門為智能交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多車道多目標(biāo)跟蹤4D視頻雷達(dá),它采用世界首創(chuàng)的智能三維立體空間毫米波檢測(cè)技術(shù),可提供精確的X、Y、Z三維坐標(biāo)和一維速度的4D多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤軌跡信息,確保精確檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)每一輛行駛車輛的各種信息。

該雷達(dá)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型毫米波車輛檢測(cè)器,利用調(diào)頻連續(xù)波和多普勒技術(shù)原理,對(duì)路面發(fā)射毫米波,通過(guò)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行高速實(shí)時(shí)的數(shù)字化處理分析,檢測(cè)單車速度、平均速度、車流量、車道占有率、車型、排隊(duì)長(zhǎng)度和事件分析等交通流基本信息的非接觸式交通檢測(cè)器。

4D毫米波可視雷達(dá)系列集成高清視頻攝像機(jī),可同時(shí)監(jiān)控4-12個(gè)車道并提供128 個(gè)目標(biāo)的高分辨率四維雷達(dá)軌跡信息并同步疊加顯示在視頻上。4D毫米波可視雷達(dá)的四維識(shí)別技術(shù)使得它能夠精確測(cè)速并跟蹤目標(biāo)軌跡,即使在大流量或者擁堵緩行的路段,也能提供非常準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

測(cè)速雷達(dá)

專門為測(cè)速設(shè)計(jì)的多車道多目標(biāo)跟蹤雷達(dá),可以正裝或者斜裝,提供精確的車輛速度及定位信息,確保捕獲檢測(cè)路段的每一輛超速汽車。一臺(tái)雷達(dá)加上一臺(tái)高清攝像機(jī),即可實(shí)現(xiàn)多車道多目標(biāo)測(cè)速,同時(shí)實(shí)現(xiàn)每輛汽車的車牌識(shí)別和區(qū)分測(cè)速并直接疊加在車輛上,準(zhǔn)確可靠,捕獲率高,降低成本,安裝簡(jiǎn)便。避免了單車道測(cè)速雷達(dá)的干擾和一張圖片上有多輛車汽車不能使用的問(wèn)題。

電子卡口雷達(dá)

專門為電子卡口設(shè)計(jì)的多車道多目標(biāo)跟蹤雷達(dá),可自動(dòng)檢測(cè)跟蹤區(qū)域內(nèi)的車輛,當(dāng)車輛滿足設(shè)定的觸發(fā)條件時(shí),輸出信號(hào)觸發(fā)高清攝像機(jī)抓拍取證,構(gòu)成卡口系統(tǒng)前端采集單元。

具有多目標(biāo)識(shí)別跟蹤能力,在卡口系統(tǒng)中按車道提供指定位置的觸發(fā)信號(hào)和精確的車輛速度,還可以按周期提供車流量、平均速度、占有率等交通信息,雷達(dá)對(duì)采集完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后,直接輸出給用戶,不需要另外配電腦進(jìn)行計(jì)算與統(tǒng)計(jì)。

電子警察雷達(dá)

專門為電子警察設(shè)計(jì)的多車道多目標(biāo)跟蹤雷達(dá),可提供精確的車輛信息及視頻監(jiān)控,確保捕獲檢測(cè)路段的每一輛違章車輛,它無(wú)需破壞道路,不受光線和天氣變化影響,可取代線圈、地磁和視頻檢測(cè),同時(shí)檢測(cè)4-12個(gè)車道128個(gè)車輛目標(biāo)的超速、逆行、變道、違停、事故等情況。

流量檢測(cè)雷達(dá)

專門為電子警察設(shè)計(jì)的多車道多目標(biāo)跟蹤雷達(dá),可提供精確的180米范圍內(nèi)車流量、平均速度、車道占有率等統(tǒng)計(jì)信息,流量精度≥99%,車道占有率精度≥99%,平均速度精度≥99%,提供實(shí)時(shí)路況照片或視頻,用以掌握和驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)情況,提供30ms檢測(cè)更新和RJ45、485兩種信號(hào)輸出。

智能路口雷達(dá)

智能路口雷達(dá)可同時(shí)檢測(cè)多個(gè)車道的排隊(duì)起始位置、排隊(duì)長(zhǎng)度、排隊(duì)車輛數(shù)、實(shí)時(shí)平均車速等排隊(duì)信息,以及四個(gè)以上斷面每輛車的車速、車型、車道號(hào)、占有時(shí)間等過(guò)車信息?？蓛?yōu)化十字路口紅綠燈的配時(shí)方案。無(wú)線組網(wǎng),安裝簡(jiǎn)便。

路內(nèi)停車管理系統(tǒng)

毫米波雷達(dá)雷達(dá)加上一臺(tái)高清球形攝像機(jī),即可實(shí)現(xiàn)多車道多目標(biāo)車輛跟蹤,一旦檢測(cè)到車輛停到或車位上,即可將坐標(biāo)發(fā)給球機(jī),由球機(jī)完成車牌識(shí)別,然后完成計(jì)費(fèi)處理流程,準(zhǔn)確可靠,降低成本,安裝簡(jiǎn)便。

收費(fèi)站排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)系統(tǒng)

隨著機(jī)動(dòng)車數(shù)量的快速增多,收費(fèi)站面臨不同程度的擁堵,特別是重大節(jié)假日、旅游季節(jié),高速公路收費(fèi)站擁堵情況更為突出,嚴(yán)重影響了公眾的順暢出行,也給收費(fèi)管理造成了影響。為了應(yīng)對(duì)收費(fèi)站交通擁堵?tīng)顩r,亟需通過(guò)智能化的科技手段提高管理和服務(wù)水平,建立一套自動(dòng)檢測(cè)機(jī)制以判斷收費(fèi)站的擁堵?tīng)顟B(tài),一方面為管理部門提供直觀便捷的收費(fèi)站交通狀態(tài)信息服務(wù),為路網(wǎng)輔助管理做出合理決策,另一方面為廣大出行群眾提供比較準(zhǔn)確的信息,利用高速公路路網(wǎng)管理、交通誘導(dǎo)發(fā)布、綜合信息發(fā)布及信息查詢等提供行駛決策依據(jù)和幫助。采用毫米波多目標(biāo)跟蹤三維空間檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的排隊(duì)預(yù)警系統(tǒng)檢測(cè)精確、安裝方便,同時(shí)不受天氣、光線、環(huán)境氣候變化的影響。

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