汽车电子18：玩转毫米波雷达架构，揭秘智能驾驶新玩法

汽车电子18：玩转毫米波雷达架构，揭秘智能驾驶新玩法

在智能驾驶时代，毫米波雷达作为车辆感知系统的核心组件，扮演着至关重要的角色。它不仅能够在恶劣天气条件下稳定工作，还能实现远距离、高精度的目标检测。本文将带你深入了解毫米波雷达的工作原理、技术特点及其在汽车领域的应用。

这种"穿雨透雾"黑科技的背后，就有咱今天主角的功劳：
毫米波雷达
。 说到毫米波雷达，它的应用可就太多了，汽车、安防、智能家居、医疗、工业自动化，哪哪儿都有它的影子，一时半会儿也聊不完。
咱就索性就聚焦一下，从车载应用出发，一探究竟。（本系列包含车载3D/4D毫米波雷达的：原理、架构、应用、产业链和发展趋势）。
一、江湖人称：车界"蝙蝠侠"
从寒武纪时代到第四次工业革命，人类科技总能与大自然不谋而合。毫米波雷达技术也不例外，它源于上千万年来蝙蝠进化的智慧结晶。
它们都是主动发射信号，遇到目标反射回来，再通过回波的时间差与频移等信息，判断目标的位置、距离和速度，绘制出空间动态地图。
蝙蝠能透过树叶缝隙锁定飞蛾，毫米波雷达也能穿透雨雪感知到200米外，突然滚出的油桶。蝙蝠的听觉皮层
，能将回波信号转为空间方位。毫米波雷达处理器，也能提取回波特征获得空间信息。
蝙蝠能实时计算昆虫的
飞行速度、轨迹曲率和加速度
。毫米波雷达同样构建了类似的"动态博弈场"，通过多普勒效应捕捉速度的微小变化，结合MIMO技术，也能在短时间内同步追踪多个目标。
具体来讲，毫米波雷达有三板斧：
一、
距离计算
：测量调制电磁波的往返时间（类似TOF），在车载应用中，可达厘米级精度。甚至有些场合还会用它做VSM检测，Roy在N年前的CES上，就见过基于毫米波雷达测心率的产品。
二、
速度感知
：主要基于多普勒效应和二维FFT，连超速罚单都能整得明明白白。
三、
方位锁定
：通过相位差结合天线间距，可迅速识别目标。（3D雷达主要是“平面快照”，4D毫米波则可通过更多通道，同时获得目标的俯仰角信息）
看上去好像就那么回事儿，没多复杂。但如果咱再放大看，你会发现，这里的门道还是挺多的。
二、毫米波雷达的频率，咋选？
毫米波顾名思义，指波长在毫米级别的电磁波，换成频率，就是在30G300GHz之间或附近的波。当前主流的毫米波雷达有三种：24GHz，60GHz和77GHz。
24GHz
。优点：探测角度广，方便司机看到车周围的情况。且该频段较为成熟，成本也较低。缺点：看不远，也看不太清，角度分辨率较低，就像“近视眼”，对物体的位置、速度等信息把握得不够精准。另外，随着5G通信的普及，24GHz这个频段也开始变拥挤了，24GHz频段的带宽和电磁环境也会受限。
60GHz
。优点：精度高，能把东西看清楚。缺点：探测距离也不够理想，且易受干扰，就像眼睛容易被遮挡视线那样。但凡周围有风吹草动，它就可能受到影响，导致看不清。另外，我国工信部已发布的《车载雷达无线电管理暂行规定》中，并未将60GHz规划用于车载雷达领域，未来可能也会存在法规的限制。
77GHz
。优点：探测距离远，分辨率好，精度高。就像一个视力又好、看得又远的“瞭望员。且它的天线可以做得很小，不会占用太多空间。缺点：研发和生产成本较高，所以较贵。另外，它对环境也有点挑剔，在特别恶劣的天气，暴雨、大雪可能会影响到它。
基于以上，很明显，77GHz（波长约4mm）已然胜出，因此，相关产业生态、技术成熟度、法规政策支持也都指向了77GHz这个答案。
再多提一句，这里的77GHz一般指的是，雷达的线性调频连续波（FMCW）的起始扫描频率，如果带宽是4GHz，则整体chirp频率会在77G81GHz之间。
至于为啥用FMCW，而不用简单连续波（CW）调制，篇幅原因，咱就不赘述了。
三、毫米波雷达里，都有啥？
不同角度的分法可能不同，Roy按自己的理解把它分为：天线与射频、数字域和电源三大部分。为散热和布局方便，通常会有两块PCB。
一、电源
。顾名思义，总功率一般在10瓦以内，为方便布局与散热，电源板一般会占用一块PCB。
二、天线与射频
。包含天线和MMIC，天线又分收发，它们的间距/孔径设计也很讲究，决定了FOV范围与精度。MMIC则承担了类似Transciever的职责，负责模拟世界和数字世界的交互，它也是
毫米波雷达的灵魂
所在。
三、数字域
。主要分为MCU，DSP/FPGA、雷达加速处理器。 MCU主要控制和管理毫米波系统，比如启动和初始化各个模块，协调各模块间的工作，与外部通信与联调。这里，ARM-Cortex的A系列或者R系列内核比较常见，整个小系统的RTOS一般也会运行在它上面。 DSP/FPGA，至于选用DSP还是FPGA，主要还是看毫米波雷达系统的复杂度，比如3T4R的普通3D毫米波雷达，一般用DSP就够了。而超多通道的4D毫米波雷达（如12T16R或更多），则大概率就要上FPGA了。它可执行毫米波信号做滤波、降噪等预处理、相关算法的执行与数据解析等任务。
雷达加速处理器。有没有单独的雷达处理器，取决于架构设计。在一些系统中，为提升集成度，工程师通常会直接在DSP/FPGA中，直接做雷达信号的快速运算。那么，毫米波雷达信号，都需要哪些处理呢？
四、毫米波雷达的信号，该咋解析？
首先，如上图所示，咱不难知道，MMIC中的合成器，会生成线性调频信号，走TX路径由天线发射出去，碰到探测目标后，又会产生反射的回波信号，经RX天线由接收路径处理。之后，MMIC中的混频器，会将RX和TX信号做希尔伯特运算，得到中频 (IF) 信号，低通滤波后，经ADC得到基带信号，便进入了数字世界。 从数字世界开始，雷达信号的解析之旅便展开了，其信号流大致如下：
本想一鼓作气把距离、速度和方位的具体计算，都梳理完毕。但回头一看，已码两千多字，为避免枯燥，咱就把干货放到下期聊吧。 好饭不怕晚，各位，下期见。 End Roy个人观点，仅供参考。