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毫米波雷达与激光雷达两种类别的技术究竟有什么区别?

来源:首页 | 时间:2018-10-01

  近年来,毫米波雷达被广泛应用在高级驾驶辅助系统(ADAS)中,再度成为了零部件供应商们的焦点战场。ADAS系统需要多种传感器配合工作,毫米波雷达由于其众多优势,成为ADAS不可或缺的核心传感器,也是自动驾驶和无人驾驶的关键传感器。

  在自动驾驶传感器领域,看上去有些沉寂的毫米波雷达开始变得热门。虽然毫米波雷达可能不如摄像头渗透率高,也不如自带光环的激光雷达那样未来感十足,但在自动驾驶领域,毫米波雷达也越来越不可或缺。相比昂贵的激光雷达,毫米波雷达无疑更接地气,更能应对复杂多变的天气条件,在技术上也较为成熟。

  毫米波实质上就是电磁波,频率为30-300GHz(波长1-10mm)。毫米波雷达就是指工作频段在毫米波频段的雷达,测距原理跟一般雷达一样,也就是把无线电波(雷达波)发出去,然后接收回波,根据收发之间的时间差测得目标的位置数据。毫米波雷达就是这个无线电波的频率是毫米波频段。

  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。

  目前主流使用的车载毫米波雷达按照其频率不同,主要可分为两种:24GHz和77GHz。

  24GHz频段,能够实现的ADAS功能有盲点检测、变道辅助等,在自动驾驶系统中常用于感知车辆近处的障碍物,为换道决策提供感知信息。因为侦测距离不够远,因此大部分用来做盲区、障碍物的侦测。

  77GHz频段,性能良好,最大检测距离可以达到160米以上,因此常被安装在前保险杠上,正对汽车的行驶方向。长距离雷达能够用于实现紧急制动、高速公路跟车等ADAS功能,同时也能满足自动驾驶领域,对障碍物距离、速度和角度的测量需求。

  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。

  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,工业和信息化部于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》(工信部无〔2012〕548 号),将24.25-26.65GHz频段规划用于短距离车载雷达业务的频率。

  2015年,日内瓦世界无线GHz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,从而使76-81GHz都可用于车载雷达,为全球车载毫米波雷达的频率统一指明了方向。

  无人驾驶技术想要真正上路行驶,最关键的技术难点就在于汽车如何能对现实中复杂的交通状况了如指掌,这样一来就必须使用雷达装置。现阶段主流无人驾驶研发技术中,都选择了激光雷达,而一向“不走寻常路”的马斯克选择使用毫米波雷达。那么,两种类别的雷达技术究竟有什么区别?

  激光雷达主要是通过发射激光束,来探测目标的位置、速度等特征量。车载激光雷达普遍采用多个激光发射器和接收器,建立三维点云图,从而达到实时环境感知的目的。从当前车载激光雷达来看,机械式的多线束激光雷达是主流方案。激光雷达的优势在于其探测范围更广,探测精度更高。但是,激光雷达的缺点也很明显:在雨雪雾等极端天气下性能较差,采集的数据量过大,价格十分昂贵。目前百度和谷歌无人驾驶汽车车身上的64位激光雷达,售价高达70万元人民币。激光发射器线束的越多,每秒采集的云点就越多,探测性能也就更强。然而线束越多也就代表着激光雷达的造价就更加昂贵,64线线倍。作为ADAS不可或缺的核心传感器类型,毫米波雷达从上世纪起就已在高档汽车中使用,技术相对成熟。毫米波的波长介于厘米波和光波之间,因此毫米波兼有微波制导和光电制导的优点,且其引导头具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点。此外,毫米波导引头穿透雾、烟、灰尘的能力强,相比于激光雷达是一大优势。而毫米波雷达的缺点也十分直观,探测距离受到频段损耗的直接制约(想要探测的远,就必须使用高频段雷达),也无法感知行人,并且对周边所有障碍物无法进行精准的建模。受益于技术相对成熟,毫米波雷达在单价方面,只能算是激光雷达的九牛一毛,单体价格大约在100美元左右。并且车载毫米波雷达的市场需求也相对更多,带来的规模效益有望进一步拉低成本。

  毫米波雷达的研制是从上世纪40年代开始的,50年代美国出现了用于机场交通管制和船用导航的毫米波雷达,但由于功率效率低,传输损失大,发展受到限制。

  60年代,美国交通部NHTSA对毫米波雷达和制动系统做了组合系统的验证研究,毫米波雷达开始在车载领域中应用。

  1973年,德国的AEG Telefunken和Bosch公司共同开始投资研究汽车防撞雷达技术,由于价格昂贵没有后续发展。

  70年代中后期,毫米波技术得到很大的发展,在功率源、高增益天线、集成电路等方面取得进步,并首先应用于军事系统中,如直升机、防空系统、导弹制导系统等。

  80年代初期,美国许多著名大学、研究机构以及几百家企业逐渐开始投入毫米波雷达技术研究,毫米波雷达进入高速发展期。

  1986年,欧洲在“欧洲高效安全交通系统计划(PROMETHEUS)”指导下重新开始了车载毫米波雷达的研制。

  80年代后期,关于汽车毫米波防撞雷达研究开始活跃起来,单脉冲和连续调制波两种体制的雷达已在美、日、欧汽车中广泛应用。

  1992年,美国交通部门在灰狗公交车上安装了1500套毫米波雷达,到1993年取得了立竿见影的效果,交通事故发生率下降了25%。

  1999年,奔驰率先开始在级轿车上就用77GHz自主巡航控制系统(ACC)。

  进入21世纪以来,随着汽车市场需求及技术进步,车载毫米波雷达进入蓬勃发展时期。

  从竞争格局来看,全球毫米波雷达市场被博世(Bosch)、大陆集团(Continental)、天合汽车集团(TRW)、法雷奥(Valeo)、海拉(Hella)、德尔福(Delphi)、电装(Denso)、奥托立夫(Autoliv)、富士通(Fujitsu)等厂商分享。中国24GHz雷达市场主要由法雷奥(Valeo)、海拉(Hella)和博世(Bosch)主导,合计出货量占总出货量的60%以上;中国77GHz雷达主要由大陆集团(Continental)、博世(Bosch)和德尔福(Delphi)主导,合计出货量约占总出货量的80%。

  创立于1886年的德国博世(Bosch)集团已经走过了130年多年的历史,主要从事汽车与智能交通技术、工业技术、消费品和能源以及建筑技术等产业,是全球第一大汽车技术供应商。1995年博世首次量产MEMS传感器,如今拥有超过1000项MEMS相关的专利。博世每年投入研发资金4亿欧元,研发自动驾驶所需的几乎全部传感器,包括摄像头、毫米波雷达、激光雷达和高精度地图。博世在全球毫米波雷达供应商排行榜上高居第一,主要提供长距雷达和中距雷达。Bosch的毫米波雷达主要以77GHz为主。

  德国大陆(Continental)集团创始于1871年,也是一家具有百年历史的跨国性企业集团,世界领先的汽车配套产品供应商之一。大陆集团主要从事汽车轮胎生产,也涉足刹车和汽车系统的制造,2006年收购美国摩托罗拉公司的汽车电子事业部,2007年并购德国西门子威迪欧汽车股份公司,从而踏足汽车电子化产业领域。大陆集团在毫米波雷达领域与博世并驾驶齐驱,两家公司毫米波雷达的市场份额超过40%。大陆集团在毫米波雷达产品方面既有24GHz也有77GHz,是戴姆勒集团 77G 毫米波雷达的主要供应商,产品系列包括 ARS300,ARS400,SRR200 三种。

  德国海拉(Hella)集团是24GHz毫米波雷达传感器领域的重要力量,早在2005年,海拉就将其第一代24GHz毫米波雷达传感器投入批量生产。该类型雷达是辅助驾驶系统的重要传感设备,具备探测距离远、精度高且低成本等特点。德尔福(Delphi)是全球领先的汽车与汽车电子零部件及系统技术供应商,产品几乎涵盖了现代汽车零部件工业的主要领域,为客户提供全面的产品与系统解决方案。德尔福公司在1995年以前是通用汽车公司的零部件子公司,1995年与通用分家之后,德尔福成为一家完全独立的公司,并且在世界范围内处于领先地位。德尔福的毫米波雷达以77GHz为主,采用较为传统的硬件方案,成本比较高,性能不俗。

  奥托立夫(Autoliv)是一家瑞典企业,成立于1956年, 主要产品为汽车电子安全系统,座椅安全带系统以及电子控制单元,汽车方向盘系统等。目前在世界上28个国家有80多家生产工厂,同时有20个碰撞试验中心,及13个全球研发中心。随着自动驾驶的发展,奥托立夫在主动安全电子市场细分为三个部分:刹车系统(Braking),主动安全系统(包括雷达、LIDA、摄像头、ECU、驾驶辅助、驾驶员监测等),约束控制和感知。奥托立夫同时提供24G和77G毫米波雷达产品。

  日本电装(DENSO)公司是世界汽车零部件及系统的顶级供应商,其生产的24GHz亚毫米波汽车后方及侧面雷达传感器,以帮助提升车辆的安全系统。这款传感器应用于2018款丰田凯美瑞车型上。

  美国傲酷(Oculii)公司是一家提供毫米波雷达及其解决方案的公司,在全球首创了车载4D雷达及高清点云成像雷达。2015年下半年,傲酷推出了世界上第一款商用的24G 4D雷达,针对智能交通应用。2017年下半年,傲酷又推出了77G的4D雷达。目前已经开始小规模量产,接下来准备在国内进行大规模车规量产。由于采用了TI的CMOS单芯片解决方案,其77G 4D雷达可以做到火柴盒大小,是ABCD雷达的一半大小。

  随着ADAS市场渗透率快速提升,国内核心零部件的毫米波雷达市场需求也进入快速上升通道。根据市场研究机构Plunkeet Research预测,按国内ADAS渗透率2020年达到30%估算,每套ADAS需要4个短距毫米波雷达和1个长距毫米波雷达,届时整个车载毫米波雷达的需求总量会达7000万个。

  虽然欧美老牌劲旅已经在毫米波雷达市场量产、销售多年,但是面向更为广阔的 ADAS,以及新兴的全自动驾驶市场,国内毫米波雷达行业的新兴势力也在不断冒头。他们甚至带来了更为先进的雷达技术以及更加适应于未来汽车行业发展的毫米波雷达产品。在欧美大厂垄断的今天,国内毫米波雷达企业开始发出自己的声音。目前国内市场上24GHz毫米波雷达的产品体系已经相对成熟,供应链已经相对稳定,24GHz的核心芯片射频芯片能从英飞凌、飞思卡尔等芯片供应商获得。但是,目前在全球范围内77GHz毫米波雷达芯片并没有稳定的供应体系,由于相关知识产权与合作协议的原因,英飞凌、飞思卡尔、意法半导体等芯片商对中国并没有放开77GHz雷达芯片的供应,因此国内77GHz毫米波雷达的开发受到一些限制。国内毫米波雷达在过去两三年迎来创业热潮,逐渐进入优胜劣汰的局面。第一批做毫米波雷达的创业企业,团队往往是科研背景、军工背景或供应商跳槽创业背景。比如海归派森思泰克、杭州智波等;科研院所派行易道、南京隼眼、苏州安智、苏州豪米波等;实业转型派深圳安智杰、深圳承泰、湖南纳雷等。24GHz 阵营:芜湖森思泰克是一家成立于2015年的毫米波雷达公司,产品涵盖安防、交通、无人机以及汽车。公司主创始人秦屹博士在英国从事雷达研发和制造十余年,2013年回国创业,团队中90%以上为硕士以上学历,80%具有军工背景。在车载雷达领域,目前已经有24GHz、77GHz、79GHz三个频段的多个产品。其中24Ghz的侧后向雷达已经拿到自主乘用车品牌长丰猎豹的前装订单。

  杭州智波科技成立于2015年底,由几位德国海归博士创立,专注于研发高级驾驶辅助系统及无人驾驶系统中的核心器件,是国内独家掌握车载毫米波雷达整套核心技术的公司。目前,智波科技已推出 24GHz 民用雷达产品,主要应用在无人机当中,并曾在自动驾驶汽车上进行紧急制动的实测。77GHz 的毫米波雷达产品还处在研发阶段。

  苏州豪米波技术有限公司成立于2016年4月,是一家以中组部“国家千人计划专家”白杰教授、前中科院研究员、海外回国汽车专家为核心组建的高科技创新创业型企业。在车用毫米波雷达传感器方面,目前苏州豪米波公司已实现24GHz毫米波雷达的量产,其中前装市场预计2018年第四季度将启动,后装市场通过多家渠道已实现200套/月的销量。同时加速量产77-81GHz下一代超宽带毫米波雷达,有望实现弯道超车。

  湖南纳雷科技有限公司成立于2012年,专注于毫米波智能传感器和雷达系列产品的研发、生产和销售。纳雷科技建有完整的科研体系和阵容强大的科研队伍,在毫米波雷达、智能天线等领域开展深入研究,已有24GHz/77GHzMMIC和系列化传感器以及SRR、LRR电扫描雷达,满足汽车主动安全和自动驾驶应用,其主要优势在于中段距离的已经产品化。深圳安智杰科技是一家以毫米波雷达传感器为核心产品,专注于传感器智慧化应用的高科技公司。作为中国本土最早拥有毫米波雷达传感器核心研发技术、完整设计能力和经验数据累积的公司之一,安智杰全自主研发出领先的24 GHZ和77GHz毫米波雷达传感器等产品,并获得诸多技术专利认证。77GHz 阵营:

  北京行易道创立于2014年,创始人赵捷是中科院电子所的博士,创业前在中科院电子所从事雷达技术开发。2015 年 9 月,行易道成功自主开发了第二代 77GHz 毫米波雷达样品。现阶段行易道已经研发出国内首个民用 77GHz 汽车雷达以及基于 SAR 的 79GHz 汽车雷达 ,其中非常贴近主流市场的 77GHz 中近程雷达开始量产。目前,行易道出品的77GHz防撞雷达,已经装配在北汽的无人车上,是我国第一家和主机厂合作的毫米波雷达公司。

  南京隼眼科技始创于2015年4月,专注于77GHz车载毫米波雷达技术研究与应用,对于汽车主动安全驾驶信息系统、汽车辅助自动驾驶系统进行开发。2015年8月,隼眼科技与国内唯一的研究室东南大学毫米波国家重点实验室,成立了汽车技术联合研究中心,专门针对77GHz毫米波雷达展开研究。沈阳承泰科技成立于2015年,致力于无线测试、智能汽车产业的核心技术及器件研发,核心成员基本上是来自于华为。在ADAS雷达领域,沈阳承泰团队在77G毫米波雷达上取得突破,于2016年正式上市,凭借“CTLRR-100 77G毫米波防撞雷达”荣获2016年度汽车电子科学技术突出创新产品奖。

  北京木牛领航科技有限公司成立于2015年,拥有美国堪萨斯和中国北京两个研发中心。团队拥有10年以上雷达研发经验,曾在中国,美国,欧洲完成多项全球领先的雷达系统设计。木牛科技专注于毫米波雷达的技术创新和产品落地,于2017年9月正式发布3款领先的下一代77G汽车毫米波雷达产品,为ACC、AEB、BSD、LCA以及自动驾驶提供配套产品和完整方案。

  未来,无论是高级辅助驾驶系统产业,还是无人驾驶行业,毫米波雷达都会是汽车最核心的传感器之一。虽然国产毫米波雷达技术才刚刚起步,力量还薄弱,但可喜的是,涌现出一批勇敢的创业者,他们正在努力探索,实现突破,并已经取得成功。期待国产毫米波雷达芯片并车载应用,使我国汽车毫米波雷达产业摆脱受制于人的局面。

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