从《智能网联汽车蓝皮书》看车用毫米波雷达发展的现状与困境
2018-10-8 来源:车云网
自动驾驶汽车作为解放人类双手和提升效率的未来出行工具,需要大量黑科技加持,其中传感器是其底层支撑的重要部分,车用毫米波雷达就扮演了传感器的角色。近年来,随着集成电路和天线设计等技术的成熟及元器件成本的降低,民用车载毫米波雷达产品不断涌现并投入实际应用。

    当前,在新一轮科技革命和产业变革的影响下,新一代信息技术与制造技术深度融合,汽车正由典型的机械产品,逐步演变为机电一体化、智能化和网联化的高科技产品,呈现出与电子、信息等相关产业紧密相连、协同发展的趋势。在此背景下,中国汽车工程学会、天津智能网联汽车产业研究院组织智能网联汽车及相关行业资深专家共同编写完成“智能网联汽车蓝皮书”,是一部关于中国智能网联汽车产业发展的研究性年度报告,2018年为首次出版。

    首次出版的智能网联汽车年度报告包括总报告、产业篇、技术篇、政策篇、应用篇、热点篇、借鉴篇七个部分,旨在全面展现智能网联汽车产业技术发展概貌,宣传普及智能网联汽车发展理念,并能为政府部门、生产企业和研究机构等的科学决策提供参考。

    本文节选自蓝皮书中自动驾驶核心技术进展之毫米波雷达的部分内容。

自动驾驶汽车作为解放人类双手和提升效率的未来出行工具,需要大量黑科技加持,其中传感器是其底层支撑的重要部分,车用毫米波雷达就扮演了传感器的角色。

(图片来源:网络)
毫米波雷达开始车用

在军事上,毫米波雷达已广泛应用于预警探测、武器制导、电子对抗等领域。

近年来,随着集成电路和天线设计等技术的不断成熟、元器件成本的不断降低,民用车载毫米波雷达产品不断涌现并投入实际应用。车载毫米波雷达利用天线发射电磁波后,对前方或后方障碍物反射的回波进行不断检测,并通过雷达信号处理器进行综合分析,计算出与前方或后方障碍物的相对速度和距离,并生成警告信息传递给汽车控制电路,由汽车控制电路控制汽车变速器和制动器作出应对动作,从而避免发生碰撞。

毫米波雷达具有探测性能稳定、作用距离较长、环境适用性好等特点。与超声波雷达相比,毫米波雷达具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点。与红外、激光、摄像头等光学传感器相比,毫米波雷达穿透雾、烟、灰尘的能力强,具有全天候全天时的特点。

可实现远距离感知与探测。毫米波雷达分为远距离雷达(LRR)和近距离雷达(SRR),由于毫米波在大气中衰减弱,所以可以探测感知到更远的距离,其中远距离雷达可以实现超过 200 m 的感知与探测。

体积小巧紧凑,识别精度较高。毫米波波长短,天线口径小,元器件尺寸小,这使得毫米波雷达系统体积小重量轻,容易安装在汽车上。对于相同的物体,毫米波雷达的截面积大、灵敏度较高,可探测和定位小目标。

穿透能力强,不受天气影响。大气对雷达波段的传播具有衰减作用,毫米波雷达无论在洁净空气中还是在雨雾、烟尘、污染中的衰减都弱于红外线、微波等,具有更强的穿透能力。毫米波雷达波束窄、频带宽、分辨率高,在大气窗口频段不受白天和黑夜的影响具有全天候的特点。

各类车载传感器优缺点对比

车载雷达频率划分情况

2005~2013年,欧盟将24GHz、79GHz作为车载毫米波雷达的频谱,而美国使用24GHz、77GHz频带,日本选用了60~61GHz的频段。随着世界范围内76~77GHz毫米波雷达的广泛应用,日本也逐渐转入了79GHz毫米波雷达的开发中。各大国的车载雷达频段主要集中在在23~24GHz、60~61GHz和76~77GHz(79GHz)3个频段,而世界各国对毫米波车载雷达频段使用的混乱情况使得汽车行业车载雷达的发展受到了限制。

主要国家车载雷达频率划分情况

在日内瓦召开的2015年世界无线电通信大会(WRC-15)上,各国讨论决定,77.5~78.0GHz频段划分给无线电定位业务,以支持短距离高分辨率车载雷达的发展,车载雷达正式获得了全球统一频率划分。

从我国的情况看,无线电主管部门对车载雷达的频率划分一直在积极推进之中。2005 年,原信息产业部就发布了《微功率(短距离)无线电设备的技术要求》,将76~77GHz频段规划给了车辆测距雷达使用。此后,工信部于2012年发布了《关于发布24GHz频段短距离车载雷达设备使用频率的通知》,将24.25~26.65GHz频段规划用于短距离车载雷达业务的频率。

作为智能汽车和智慧交通的重要组成,车用毫米波雷达的相关频率划分受到国家无线电管理部门的密切关注和高度重视。2016年,国内正式启动国际电联智能交通全球频率统一(WRC-19 1.12)议题工作。工信部下发《关于同意车载信息服务产业应用联盟开展智能交通无线电技术频率研究试验的批复》文件,授权车联组织产业单位在合肥、大连、泰州、绵阳等城市开展 77~81GHz车用毫米波雷达研究试验工作,验证雷达性能参数、频率需求等各类技术指标,为中国车载雷达频率规划和WRC-19 1.12议题中国提案工作提供了技术参考,推动了车载雷达安全、可靠地应用于中国智能汽车和智慧交通行业。

国内外车载雷达产品现状

美国、欧洲和日本在车载雷达技术研究方面处于领先地位。目前,越来越多的公司和供应商投入到汽车雷达系统研制、器件开发和算法研究当中。1999年,德国奔驰汽车公司率先采用77GHz毫米波雷达的自主巡航控制系统;2003年,博世研制的77GHz车载雷达正式投入商用;2013年,松下与富士通研制出79GHz频带毫米波车载雷达。目前,毫米波车载雷达的关键技术主要由大陆、博世、电装、奥托立夫等传统汽车零部件巨头所垄断,特别是77GHz 毫米波雷达,只有博世、大陆、德尔福、电装、TRW 、富士通天、Hitachi 等公司掌握。2015年,博世及大陆汽车雷达市场占有率均为 22% ,并列全球第一。

 

(国外毫米波雷达厂商市场占有率(资料来源:佐思产研))
在我国,24GHz和77GHz毫米波集成电路的关键技术已取得突破。其中,24GHz毫米波集成电路已实现量产并试用中,但77GHz毫米波集成电路的国产化一直进展缓慢。国内相关产品的研发也在陆续进展中。东南大学毫米波国家重点实验室已完成8mm波段混频器、倍频器、开关、放大器等单功能芯片的研制,目前,正在开展单片接收/发射前端的设计与研制;厦门意行半导体科技有限公司在24GHz汽车主动安全雷达射频前端集成电路取得突破,是国内唯一一家提供24GHz汽车主动安全雷达射频前端MMIC解决方案的企业;沈阳承泰科技有限公司在研发77GHz汽车毫米波雷达关键技术上取得突破,预计产品不久将问世。

相比国外,目前国内毫米波雷达产业的发展主要面临以下几个问题:

1、行业整体竞争力偏弱。目前,国内的产业链尚未成熟,国外商用车载雷达已经走了几十年的历史了,国内近几年才开始起步,产品上市要面临激烈的竞争压力。

2、人才极度缺乏。车载雷达研发需要丰富的雷达系统和毫米波射频设计经验与能力,而这一领域的人才多集中在军工企业和国外企业。

3、资金压力大。由于技术基础底子薄,研发所需的测试设备和生产设备都需要从国外购买,价格高昂,后期收益情况又未知,国内相关生产厂家面临很大的资金压力。

4、开发周期较长。一款毫米波雷达开发周期就要12个月以上,产品还需要通过静态测试、动态测试、上车测试以及各种复杂的环境下测试,整个研制周期至少要2年以上。

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