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毫米波雷达:想让我退休?还早呢

导读: 要说这几年的热词,自动驾驶是当仁不让的几个top之一。不说特斯拉总裁马斯克频频上热搜了,就国内而言,互联网企业跨行做汽车也不少见。核心装备的激光雷达当然是备受关注。

要说这几年的热词,自动驾驶是当仁不让的几个top之一。不说特斯拉总裁马斯克频频上热搜了,就国内而言,互联网企业跨行做汽车也不少见。核心装备的激光雷达当然是备受关注。与非网小编在前段时间为大家介绍过,感兴趣的可以看这里。今天,我们不讲激光雷达,要跟大家说一说毫米波雷达。为什么要讲这个?主要是当前激光雷达这么火,但主流的自动驾驶方案却并未完全抛弃毫米波雷达,今天就是来探索一下其中的缘由。

毫米波雷达:想让我退休?还早呢

毫米波雷达

作为ADAS不可或缺的核心传感器类型,毫米波雷达在汽车领域其实已经有多年应用。汽车引入毫米波雷达最初主要是为了实现盲点监测和定距巡航,而随着技术的发展这两个特性也渐渐从高端车专用普及到了几乎所有车型。毫米波实质上就是电磁波。毫米波的频段比较特殊,其频率高于无线电,低于可见光和红外线,频率大致范围是10GHZ-200GHZ。

测距原理跟一般雷达一样,即把无线电波发出去,然后接收回波,利用障碍物反射波的时间差确定障碍物距离,利用反射波的频率偏移确定相对速度。

为什么毫米波雷达没有被抛弃

首先就是大家都知道的天气原因,激光的波长远小于毫米波雷达,所以雾霾,雨雪等极端天气导致激光雷达性能会大打折扣,由于毫米波导引头穿透雾,烟,灰尘的能力强,所以相比于激光雷达是一大优势。相比起激光雷达,毫米波雷达的探测距离可以轻松超过200米,而激光雷达一般不到150米。在高速行驶的场景里,毫米波雷达更适合。

其次,由于激光雷达在收发器和组装工艺要求高,所以成本比较难降下来。而毫米波雷达因为它是硅基的芯片,没有特别昂贵和复杂的工艺,所以毫米波雷达成本更具优势。毫米波雷达目前的价格大概在1.5千左右,而激光雷达的价格目前仍然是以万作为单位计算的。并且由于激光雷达获取的数据量远超毫米波雷达,所以需要更高性能的处理器处理数据,更高性能的处理器同时也意味着更高的价格。所以对于工程师而言,在简单场景中,毫米波雷达仍然是最优选择。

毫米波雷达芯片发展趋势

目前汽车领域的毫米波雷达主要基于FMCW技术,即发射出调频毫米波信号,并根据首发毫米波之间的频率差来确定目标的位置以及相对速度。FMCW雷达关注的指标主要是目标区分度和测量分辨率,其中目标区分度指的是雷达能分辨的两个物体之间的最小距离(如果两个物体之间的距离小于该最小距离则会被雷达认为是一个物体),而测量分辨率则是绝对距离的测量精确度。

我们看到的毫米波雷达的第一个趋势就是从24GHz频段演进到77GHz频段。目前,比较常见的车载领域的毫米波雷达频段有三类,分别是:

24GHz

24GHz这个频段,目前大量应用于汽车的盲点监测、变道辅助。雷达安装在车辆的后保险杠内,用于监测车辆后方两侧的车道是否有车、可否进行变道。

77GHz

77GHz这个频段的频率比较高,国际上允许的带宽高达800MHz。这个频段的雷达性能要好于24GHz的雷达,所以主要用来装配在车辆的前保险杠上,探测与前车的距离以及前车的速度,实现的主要是紧急制动、自动跟车等主动安全领域的功能。

79GHz

最后是79GHz,这个频段最大的特点就是其带宽非常宽,要比77GHz的高出3倍以上,这也使其具备非常高的分辨率,可以达到5cm。这个分辨率在自动驾驶领域非常有价值,因为自动驾驶汽车要区分行人等诸多精细物体,对带宽的要求很高,这个频段在未来的自动驾驶领域会有很广泛的应用。

根据美国FCC和欧洲ESTI的规划,24GHz的宽频段(21.65-26.65GHz)将在2022年过期,在之后汽车在24GHz能用的仅剩下24.05-24.25GHz范围的窄带频谱。反之,在77GHz频段,汽车雷达将能使用77-81GHz高达4GHz的带宽。对于FMCW雷达来说,频率扫描带宽决定了目标区分度和测量分辨率,因此77GHz的FMCW雷达对于24GHz来说目标区分度和测量分辨率都有十多倍的提升。

第二个毫米波雷达芯片的重要趋势是CMOS工艺成为主流。毫米波电路传统的实现工艺是GaAs等III-V族工艺,但是III-V族工艺的成本过高,同时集成度低无法在芯片上集成数字模块,因此SiGe这样的工艺得到了不少应用。而随着CMOS工艺的特征尺寸不断缩小,在28nm节点之后CMOS工艺已经能基本胜任毫米波雷达的波段,因此毫米波雷达也就自然而然转向CMOS工艺。

第三个重要方向是毫米波雷达也在走向高分辨率。这里的分辨率不仅仅是目标测距的分辨率,更是指毫米波雷达的空间分辨率。盲点监测等传统汽车毫米波雷达应用只需要雷达监测在视野的一定距离中是否有物体即可,至于该物体是位于视野中的哪一个位置则并不关心。

自动驾驶是大势所趋,而激光雷达作为核心的部件,降低成本势在必行,毫米波雷达从最早的十万美元,降低到如今的100美元左右也用了十多年的时间。

激光雷达目前还有一个非常重要的技术是固态激光雷达,它实际上与传统雷达、毫米波雷达是一脉相承的,固态激光雷达实质上就是调整每个发射和接收单元的相位,毫米波雷达也是同样的原理,只不过毫米波雷达是对电磁波进行操作,器件的实现难度要比对光的频段上进行相位的改变的难度低很多。未来,固态激光雷达与毫米波雷达相结合或许是个不错的选择。

总结:毫米波雷达是很难被取代的传感器,虽有不足之处,但全天候的工作状态是最大优势。其测速、测距的精度要远高于视觉传感器,与激光雷达相比,穿透力会更好。但是整体来讲,这并不冲突,因为未来会走向融合的趋势,特别是针对自动驾驶驾驶,毋庸置疑三大传感器会相互融合。

全球毫米波雷达主要供货厂商分布

美国、欧洲和日本在车载雷达技术和研究方面处于领先地位。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)等厂商垄断,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。

目前中国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%。

国外主要雷达供应商

1、德国博世(Bosch)集团

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。

2、日本电装(DENSO)

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。

3、德国采埃孚(ZF)集团

作为全球领先的汽车传动与底盘技术以及主动和被动安全技术供应商,采埃孚在乘用车和商用车领域的应用尤为显著。除了传动系统、传动装置以及传动零部件外,在汽车领域的产品还包括底盘系统、底盘零部件以及安全技术、电子装置和传感器技术。

4、德国海拉(Hella)集团

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。

5、奥托立夫(Autoliv)

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。

6、美国傲酷(Oculii)

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。

相比国外企业,车载毫米波雷达在国内仍属于起步阶段。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。

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。

目前,行易道、森斯泰克等企业已经逐步实现77GHz毫米波雷达的量产,开始和国内整车厂展开合作,并占有了部分的国内市场份额。

国内主要雷达供应商

1、北京行易道(77GHz)

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。

2、深圳安智杰科技(24GHz,77GHz)

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。

3、华域汽车(24GHz)

公司业务为独立汽车零部件研发、生产及销售。华域汽车在24Ghz汽车毫米波雷达研发已积累多年,24GHz后向毫米波雷达产品即将问世,77GHz前向毫米波雷达已完成了原理样机开发。华域汽车电动系统有限公司2016年的营业收入超过2亿元人民币。公司主要优势在于24GHz雷达研发已有多年经验,上市公司资源齐全。

4、杭州智波科技(24GHz,77GHz)

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。

5、北京木牛领航科技(77GHz)

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。

6、芜湖森思泰克(24GHz)

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。

7、南京隼眼科技(77GHz)

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。

8、湖南纳雷科技(24GHz)

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。

9、沈阳承泰科技(77GHz)

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。

10、Motoreye(77GHz)

全称深圳卓影科技,成立于2012年7月,由影像DSP领域资深团队创建,致力于自动驾驶环境感知产业。卓影科技77G毫米波雷达开发正在收尾阶段,主要将用于前装车厂ACC/AEB功能配置上。


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