◆文/江蘇 周曉飛

(接上期)

毫米波雷達(dá)具有同時(shí)探測距離、水平角度及速度三個(gè)參數(shù)的能力。在智能網(wǎng)聯(lián)汽車前雷達(dá)用于自適應(yīng)巡航控制(ACC)、自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)、前向防撞預(yù)警(FCW)；后雷達(dá)用于盲點(diǎn)監(jiān)測(BSD)、車道變道輔助(LCA)、后向碰撞預(yù)警(RCW)、車門開啟預(yù)警(DOW)、后方交通穿行提示(RCTA)。

一、毫米波雷達(dá)相關(guān)術(shù)語和要求

1.毫米波雷達(dá)模組術(shù)語

毫米波雷達(dá)模組(millimeter- wave radar module)：通過毫米波雷達(dá)模組信號(hào)發(fā)送接收,可以完成目標(biāo)的速度、角度、位置識(shí)別的裝置。這是中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《車載毫米波雷達(dá)模組檢測方法》中對(duì)毫米波的相關(guān)定義。

2.毫米波雷達(dá)探測范圍

上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《車載毫米波雷達(dá)技術(shù)要求及測試方法》中規(guī)定毫米波雷達(dá)水平探測范圍、垂直探測范圍、速度范圍，以及單目標(biāo)檢測精度，均能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)ADAS(先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng))功能要求的水平探測能力范圍。

(1)距離精度：單目標(biāo)檢測距離能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)ADAS功能要求的目標(biāo)距離識(shí)別精度,目標(biāo)的準(zhǔn)確上報(bào)率不低于90%。

(2)角度精度：單目標(biāo)檢測角度能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)ADAS功能要求的目標(biāo)角度識(shí)別精度,目標(biāo)的準(zhǔn)確上報(bào)率不低于90%。

(3)速度精度：單目標(biāo)檢測速度能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)ADAS功能要求的目標(biāo)速度識(shí)別精度,目標(biāo)的準(zhǔn)確上報(bào)率不低于90%。

3.毫米波雷達(dá)使用頻段

車載毫米波的使用頻段涉及24GHz、77GHz。

國際電信聯(lián)盟國際頻率登記委員(IFRB)會(huì)根據(jù)不同波段電磁波的特性盡量合理地將不同頻段分配給不同的領(lǐng)域，有害的干擾減至最小，保證在特別擁擠的無線電頻段中應(yīng)用盡可能多的無線電路，規(guī)定了相關(guān)領(lǐng)域的使用頻段。在毫米波頻段中,24GHz是國際通用的ISM頻段，即：工業(yè)(Industrial)、科學(xué)(Scientific)和醫(yī)學(xué)(Medical)領(lǐng)域使用(60GHz在部分國家也屬于ISM頻段)，而76～776Hz則是專門劃歸車載應(yīng)用使用的頻段。這也就是我們常見的車載毫米雷達(dá),主要都是24GHz或77GHz的原因。頻段79GHz的更遠(yuǎn)程的毫米波雷達(dá)很可能在未來的智能網(wǎng)聯(lián)汽車中應(yīng)用。

車內(nèi)生命體監(jiān)控系統(tǒng)就是利用安裝在車內(nèi)的79GHz毫米波雷達(dá)傳感器，在駕駛員離開或鎖定車輛后，持續(xù)感應(yīng)車內(nèi)的生命體和活動(dòng)物體；在車內(nèi)有生命體，如兒童、寵物被遺留的情況下，該系統(tǒng)會(huì)通過車聯(lián)網(wǎng)、5G云端大數(shù)據(jù)平臺(tái)等渠道，發(fā)送報(bào)警信息給駕駛員和管理平臺(tái)，同時(shí)亦可啟動(dòng)車輛的應(yīng)急處理系統(tǒng)，如開啟通風(fēng)、開啟車窗、聲光報(bào)警等，從而有效地避免因?yàn)楸贿z留在車內(nèi)造成的生命安全風(fēng)險(xiǎn)。

在我國GB/T36654—2018《76 GHz車輛無線電設(shè)備射頻指標(biāo)技術(shù)要求及測試方法》中也規(guī)定的適用范圍是工作在76 ～77 GHz頻率范圍內(nèi)的車輛無線電設(shè)備。

目前歐盟已經(jīng)在逐步取代24GHz車載毫米波雷達(dá)(短距離毫米波雷達(dá)≤60m)，新出廠車型需轉(zhuǎn)為77GHz毫米波雷達(dá)(10m＜長距離毫米波雷達(dá)≤250m)，而現(xiàn)有24GHz毫米波雷達(dá)可以在生命周期內(nèi)正常使用。我國5G建設(shè)目前采用4.9GHz頻段，對(duì)24GHz毫米波雷達(dá)沒有影響。

除了頻段分配的原因，同功率水平下24GHz收發(fā)天線較77GHz雷達(dá)更大，增加24GHz毫米波雷達(dá)探測距離會(huì)使得整個(gè)雷達(dá)體積偏大。此外，24GHz電磁波更長的波長有更好的繞行能力，受氣候等因素影響更小。但同時(shí)指向性會(huì)變得更差，角分辨率會(huì)受到影響。24GHz毫米波雷達(dá)在長距離上對(duì)目標(biāo)位置的判斷，有可能會(huì)出現(xiàn)偏離車道的誤差，這樣的話探測的意義也就不大了。因此，長距離毫米波雷達(dá)普遍選擇77GHz。

電磁波頻段作為一種稀缺資源，對(duì)車載毫米波雷達(dá)頻段選擇影響最大的，仍然是各國法規(guī)的限制。IFRB國際頻率登記委員會(huì)的分配并非強(qiáng)制，各國會(huì)根據(jù)國情制定更為細(xì)化的法規(guī)，保證在擁擠的無線電中擁有盡量多的電路，同時(shí)減少相互之間的干擾。因此在不同國家和地區(qū)，對(duì)毫米波雷達(dá)頻段的選擇也可能略有差異。

二、毫米波雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)

1.毫米波雷達(dá)測距、測速精度高，遠(yuǎn)距離仍然可以精確遙感。

2.距離分辨率和帶寬相關(guān)。毫米波技術(shù)的角度分辨率的提高需要添加更多的收發(fā)單元以及使用更高的帶寬，現(xiàn)在主要受限于(高寬帶硬件成本較高)毫米波芯片、處理器以及頻率資源。當(dāng)使用高帶寬，也可以實(shí)現(xiàn)更高分辨率的應(yīng)用。

三、毫米波雷達(dá)的安裝位置

24GHz的毫米波雷達(dá)測量距離較短，主要應(yīng)用于汽車后方，如開門預(yù)警(圖1)；77GHz的毫米波雷達(dá)測量距離較長主要應(yīng)用于汽車前方和兩側(cè)(圖2)，如表1所示。

77GHz雷達(dá)由于其體積較小，更容易實(shí)現(xiàn)單芯片的集成，且具有更高的識(shí)別精度、更高的信噪比以及更強(qiáng)的穿透能力，已經(jīng)成為毫米波雷達(dá)行業(yè)的主流。

根據(jù)美國 F C C 和歐洲E S T 規(guī)劃，2 4 G H z 的寬頻段(21.65～26.65GHz)將在2022年過期。因此，隨著規(guī)模的擴(kuò)大和成本的進(jìn)一步下降，77GHz將成為毫米波雷達(dá)未來市場的發(fā)展趨勢。

四、毫米波雷達(dá)結(jié)構(gòu)原理

1.結(jié)構(gòu)原理

毫米波雷達(dá)和傳統(tǒng)的無線電雷達(dá)有相同的結(jié)構(gòu)。毫米波雷達(dá)工作原理是通過天線向外發(fā)射毫米波，并接收目標(biāo)反射信號(hào)，通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比和處理，最終完成對(duì)目標(biāo)的分類識(shí)別。毫米波雷達(dá)外部結(jié)構(gòu)見圖3。

毫米波雷達(dá)主要包括雷達(dá)射頻、接受和信號(hào)處理。前端收發(fā)組件MMIC是毫米波雷達(dá)的核心部分，負(fù)責(zé)毫米波信號(hào)的調(diào)制、發(fā)射、接收以及回波信號(hào)的解調(diào)。收發(fā)組件包含了放大器、振蕩器、開關(guān)、混頻器等多個(gè)電子元器件。毫米波雷達(dá)結(jié)構(gòu)見圖4。

電源板(PCB)內(nèi)部有ASIC芯片，芯片里面集成了一個(gè)安全控制器。毫米波雷達(dá)PCB(正面)如圖5所示，雷達(dá)PCB板主要包括一個(gè)帶雙核浮點(diǎn)MCU和一個(gè)Radar ASIC芯片，可進(jìn)行控制和自我診斷的獨(dú)立的前置放大器，SiGe MMIC的單元和PLL單元，具有四個(gè)混頻器的SiGe ASIC(MRX)，用于接收信號(hào)。

毫米波雷達(dá)PCB的背面是天線，用于發(fā)射和接收毫米波，如圖6所示的微帶陣列，在印刷電路PCB板上，鋪上微帶線，形成微帶貼片天線。

毫米波雷達(dá)在工作狀態(tài)時(shí)，發(fā)射模塊通過天線將電信號(hào)(電能)轉(zhuǎn)化為電磁波發(fā)出；接收模塊接收到射頻信號(hào)后，將射頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻信號(hào)；再由信號(hào)處理模塊從信號(hào)中獲取距離、速度和角度等信息。毫米波雷達(dá)工作示意如圖7所示。

從硬件上看，和傳統(tǒng)的無線電波雷達(dá)和毫米波雷達(dá)兩者均包含天線和射頻前端、中頻電路、 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字信號(hào)處理以及對(duì)外通信數(shù)據(jù)總線。其中，天線和射頻前端的作用是產(chǎn)生、發(fā)送和接收毫米波無線電信號(hào)。接收到的信號(hào)經(jīng)過下變頻，被中頻電路調(diào)理放大，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供數(shù)字信號(hào)處理，解算出目標(biāo)的距離、速度和方位角，這些信息會(huì)被進(jìn)一步處理以滿足汽車應(yīng)用的要求。和傳統(tǒng)無線電雷達(dá)相比，車載雷達(dá)的探測距離相對(duì)較短、距離分辨率更高、對(duì)速度的探測精度要求更高。

相比于光波，毫米波的波長較長，所以毫米波可以輕易穿過尺寸比其波長小的障礙物。例如，毫米波穿過6mm水珠的電場分布(圖8)，這個(gè)特點(diǎn)使得車載毫米波雷達(dá)具有全天候的特性，不易受到雨水、大霧的干擾。

絕大多數(shù)的車載毫米波雷達(dá)的機(jī)制都是基于線性調(diào)頻波(FMCW)的，其原理如圖9所示。 發(fā)射機(jī)發(fā)射一個(gè)頻率隨時(shí)間線性變化的調(diào)頻波，并同時(shí)把發(fā)射的信號(hào)和接收的信號(hào)混頻，由于接收到的信號(hào)是由于目標(biāo)反射造成的，所以相比于發(fā)射信號(hào)存在時(shí)延，因此，在同一個(gè)時(shí)刻，發(fā)射信號(hào)和接收到的信號(hào)的頻率是不同的。通過識(shí)別這個(gè)頻率差我們可以判斷目標(biāo)物體的距離。

2.毫米波雷達(dá)性能

下述為舉例幾個(gè)知名汽車配件生產(chǎn)廠的主要毫米波雷達(dá)產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)，在毫米波雷達(dá)技術(shù)路線上各有不同(表2)。

(1)博世的毫米波雷達(dá)產(chǎn)品主要以76～77GHz為主，產(chǎn)品技術(shù)先進(jìn)，主要包括 MRR(中距離)和 LRR(遠(yuǎn)距離)兩個(gè)系列，其中LLR4產(chǎn)品最大探測距離可以達(dá)到250m，在同類產(chǎn)品中處于領(lǐng)先位置。

(2)大陸的毫米波雷達(dá)產(chǎn)品全面覆蓋24GHz和77GHz兩個(gè)頻率，且以77GHz產(chǎn)品為主，產(chǎn)品類別豐富，包括ARS441、ARS510、SRR520、SRR320等多個(gè)系列。大陸 ARS441遠(yuǎn)程毫米波雷達(dá)的最大探測距離可以達(dá)到250m，在同類產(chǎn)品中領(lǐng)先。大陸的毫米波雷達(dá)產(chǎn)品的探測視角在對(duì)比中也較為突出。

(3)海拉同樣也是毫米波雷達(dá)的最大的幾家供應(yīng)商之一，其實(shí)早在2004年，海拉的第一代24GHz毫米波雷達(dá)即進(jìn)行量產(chǎn)。目前海拉的毫米波產(chǎn)品主要以24GHz為主，是市場上的重要生產(chǎn)商。

(4)德爾福公司的毫米波雷達(dá)產(chǎn)品也主要以77GHz產(chǎn)品為主，從探測距離上來看主要以中近程為主。

五、4D毫米波雷達(dá)

毫米波雷達(dá)這個(gè)已經(jīng)相當(dāng)成熟的感知硬件，相關(guān)業(yè)務(wù)各大公司繼續(xù)研究開發(fā)分辨率更高、同時(shí)具備府仰角分辨率的米波雷達(dá)，這也就是4D成像雷達(dá)。傳統(tǒng)的毫米波雷達(dá)具有同時(shí)探測距離、水平角度及速度三個(gè)參數(shù)的能力，在增加高度信息后便被稱為4D亳米波雷達(dá)。而4D成像毫米波雷達(dá)則同時(shí)還追求更高的分辨率,保證能夠區(qū)分目標(biāo)是機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車還是行人等。目前華為公司、德國大陸公司都已發(fā)布了4D毫米波成像雷達(dá)。

六、毫米波雷達(dá)控制

毫米波雷達(dá)安裝在保險(xiǎn)杠側(cè)角、中網(wǎng)格柵內(nèi)、保險(xiǎn)杠牌照架下側(cè)位置(圖10、圖11)、有些隱藏集成在車燈內(nèi)、有的把毫米波雷達(dá)做成車標(biāo)形式安裝在車標(biāo)位置(毫米波雷達(dá)車標(biāo))等多種位置布局，隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車的自動(dòng)駕駛級(jí)別的提高，雷達(dá)的數(shù)量增多，可能未來如翼子板區(qū)域、車門、B柱板側(cè)等都有可能布局毫米波雷達(dá)或者激光雷達(dá)等感知傳感器。

目前市場上常見的一般是安裝在保險(xiǎn)杠側(cè)角和保險(xiǎn)杠牌照架下側(cè)位置。圖12所示為某智能網(wǎng)聯(lián)汽車毫米波雷達(dá)系統(tǒng)安裝在前后保險(xiǎn)杠的四個(gè)側(cè)角位置，用在前/后側(cè)來車預(yù)警及輔助等系統(tǒng)功能。

1.監(jiān)測預(yù)警

以盲區(qū)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)(BSD)為例，當(dāng)駕駛員有轉(zhuǎn)向傾向(如撥動(dòng)轉(zhuǎn)向燈開關(guān)或轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤)時(shí)，如果轉(zhuǎn)向側(cè)的外后視鏡盲區(qū)內(nèi)存在目標(biāo)物，或者轉(zhuǎn)向側(cè)的后方探測到有快速接近的目標(biāo)物時(shí)，對(duì)應(yīng)側(cè)后視鏡上盲區(qū)監(jiān)測指示燈閃爍提示報(bào)警，避免危險(xiǎn)發(fā)生。就圖13毫米波雷達(dá)而言，BSD系統(tǒng)能夠探測到的目標(biāo)物包括小汽車、卡車、尺寸大于2m×0.7m(長×寬）的摩托車等。

2.報(bào)警條件

當(dāng)駕駛員有轉(zhuǎn)向傾向且以下任一條件滿足時(shí)，BSD功能會(huì)向駕駛員發(fā)出預(yù)警，如表3所示。

①轉(zhuǎn)向側(cè)的外后視鏡盲區(qū)內(nèi)存在目標(biāo)物，且目標(biāo)物運(yùn)動(dòng)的時(shí)間超過300ms；目標(biāo)物速度比本車快，目標(biāo)物從后方接近本車，相對(duì)速度≤4.0m/s，TTC≤標(biāo)定值。

②轉(zhuǎn)向側(cè)的外后視鏡盲區(qū)內(nèi)存在目標(biāo)物，且目標(biāo)物運(yùn)動(dòng)的時(shí)間超過300ms；目標(biāo)物速度比本車慢，本車從前方超過目標(biāo)物，相對(duì)速度≤4.0m/s，TTC≤標(biāo)定值。

③轉(zhuǎn)向側(cè)的后方快速接近車輛的最大探測范圍內(nèi)存在目標(biāo)物，且目標(biāo)物運(yùn)動(dòng)的時(shí)間超過300ms；目標(biāo)物速度比本車快，目標(biāo)物從后方接近本車，且目標(biāo)物與本車的相對(duì)距離小于表中的閾值。

當(dāng)以上條件均不滿足時(shí)，BSD系統(tǒng)會(huì)在1s內(nèi)解除報(bào)警。

3.控制原理

指受BSD監(jiān)測的整個(gè)區(qū)域，系統(tǒng)的覆蓋區(qū)由以下特定區(qū)域子集組成BSD的軟件集成在左/右后向毫米波雷達(dá)中。BSD通過左/右后向毫米波雷達(dá)探測本車側(cè)后方的車輛。左/右后向毫米波雷達(dá)通過CCAN接收ESP、EPS、VCU、BCM發(fā)出的信號(hào)，通過SCAN2接收SCU轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)，SCU通過BCA接收CDU發(fā)出的信號(hào)；通過SCAN2發(fā)送信號(hào)給SCU，SCU通過BCAN轉(zhuǎn)發(fā)給CDU。毫米波雷達(dá)控制原理圖如圖14所示。

七、毫米波雷達(dá)可能的故障

1.雷達(dá)失明不能探測目標(biāo)故障

雷達(dá)失明，不能探測目標(biāo)的故障，依次按以下排序檢查故障點(diǎn)。

(1)檢查毫米波雷達(dá)是否被污物覆蓋，是否被遮擋；

(2)檢查低壓電池電壓是正常；

(3)檢查線束和接插件；

(4)檢查CAN總線狀態(tài)；

(5)檢查網(wǎng)關(guān)；

(6)更換毫米波雷達(dá)。

2.硬件錯(cuò)誤故障

雷達(dá)硬件錯(cuò)誤故障，首先重新上低壓電來重啟雷達(dá)，如果故障仍然未解決，一般情況下是毫米波雷達(dá)本身內(nèi)部故障，需更換毫米波雷達(dá)。

3.標(biāo)定和匹配故障

如果顯示“下線標(biāo)定從未做”或“下線標(biāo)定沒有完成”以及“雷達(dá)位置不匹配”的故障，一般需要起動(dòng)車輛，使用故障診斷儀執(zhí)行故障診斷，根據(jù)診斷儀提示進(jìn)行雷達(dá)標(biāo)定程序來解決。

在開始校準(zhǔn)前，確保車輛橫擺角傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、輪速傳感器標(biāo)定狀態(tài)正常，車輛無雷達(dá)校準(zhǔn)相關(guān)外的其它故障碼。確保雷達(dá)及覆蓋件或保險(xiǎn)杠正確安裝，檢查車況如油液、胎壓、座椅等，保證在公共道路駕駛的安全性。

(1)毫米波雷達(dá)標(biāo)定程序

①將診斷儀設(shè)備連接到車輛OBD的診斷口。

②進(jìn)入診斷儀主界面。

③選擇一個(gè)有效的VCI并點(diǎn)擊右下角的“確認(rèn)”按鈕。

④選擇自動(dòng)識(shí)別VIN碼進(jìn)入下一步。

⑤點(diǎn)擊“車輛標(biāo)定”，進(jìn)入車輛標(biāo)定主界面。

⑥點(diǎn)擊“SRR_FL標(biāo)定/SRR_FR標(biāo)定/SRR_RL標(biāo)定/SRR_RR標(biāo)定”，進(jìn)入下一步(以左前角毫米波雷達(dá)為例)。

⑦根據(jù)診斷儀的提示按照動(dòng)態(tài)駕駛校準(zhǔn)的駕駛條件的要求進(jìn)行駕駛，直到校準(zhǔn)進(jìn)度條達(dá)到100%。(注意：一般情況下，校準(zhǔn)進(jìn)度條達(dá)到100%應(yīng)在5min以內(nèi)，具體取決于道路條件和反射目標(biāo)數(shù)量。)

⑧如果單次動(dòng)態(tài)駕駛校準(zhǔn)超過30min仍未校準(zhǔn)成功，請(qǐng)檢查校準(zhǔn)環(huán)境、駕駛行為、安裝位置等是否正確遵照了相關(guān)要求，確認(rèn)無誤后重復(fù)上述步驟。

⑨如果行駛一段時(shí)間后診斷儀顯示雷達(dá)偏置角度過大，請(qǐng)檢查雷達(dá)的安裝位置、環(huán)境并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，確認(rèn)無誤后重復(fù)上述步驟。

(2)校準(zhǔn)的誤差

雷達(dá)安裝誤差(±3°)，誤差包括水平方向和垂直方向。雷達(dá)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的誤差包括測量誤差和雷達(dá)的安裝、保險(xiǎn)杠的安裝等造成的誤差。

(未完待續(xù))