項目二智能網聯汽車環境感知技術前言亳米波雷達檢測具有全天候工作的能力，在智能網聯汽車領域主要用于目標識別和跟蹤。毫米波位于微波和遠紅外波重疊的波長范囲內，根據波傳播理論，頻率越髙波長越短，分辨率越高，穿透能力越強，但傳播過程中損耗越大，傳輸距離越短。因此與微波相比，毫米波具有分辨充髙、方向性好、抗干擾能能好強的特點，與紅外線相比，毫米波具有大氣衰減小、對煙霧的穿透性好和受天氣影響小等特點。認知毫米波雷達Annualworksummary4目錄01教學目標02教學內容教學目標0103能解釋環境感知的應用范圍01能描述環境感知系統概念和內容02能描述環境感知系統組成01.通過環境感知系統的學習，讓學生知道技術不斷進步，激發學生不斷學習的興趣。知識目標素質目標教學內容02一、毫米波雷達概念毫米波雷達是通過發射和接收無線電波來測量車輛與車輛之間的距離、角度和相對速度的裝置。毫米波雷達是工作在毫米波波段的探測雷達。通常毫米波是指頻率在30~300GHz(波長為1~10mm)的電磁波。毫米波雷達向周圍發射電磁波，通過測定和分析反射波以計算障礙物的距離、方向和大小。毫米波雷達外觀圖如圖2-4-1所示。毫米波雷達二、毫米波雷達類型毫米波是指長度為1～10毫米的電磁波，毫米波的頻帶頻率高于射頻，低于可見光和紅外線，相應的頻率范圍為30～300GHz。目前應用在智能網聯汽車領域的毫米波雷達主要有3個頻段，分別是24GHz，77GHz和79GHz。不同頻段的毫米波雷達有著不同的性能，其分類如圖2-4-2所示。二、毫米波雷達類型1.根據毫米波雷達頻率⑴24GHZ毫米波雷達24GHz頻段上的雷達的檢測距離有限，主要用于5-70米的中、短程檢測。在自動駕駛系統中常用于感知車輛近處的障礙物，為換道決策提供感知信息，在ADAS中可用于盲點檢測、變道輔助等。⑵77GHZ毫米波雷達77GHz主要用于100-250米的中、遠程檢測，性能良好的77GHz雷達的最大檢測距離可以達到160米以上，因此常被安裝在前保險杠上，正對汽車的行駛方向。長距離雷達能夠用于實現緊急制動、自適應巡航等ADAS功能，同時也能滿足自動駕駛領域對障礙物距離、速度和角度的測量需求。二、毫米波雷達類型1.根據毫米波雷達頻率⑶79GHZ毫米波雷達79GHZ毫米波雷達能夠實現的功能與77GHZ毫米波雷達一樣，也是用于長距離的測量，頻率更高的毫米波雷達，其波長越短短，意味著分辨率越高;而分辨率越高，意味著在距離、速度和角度上的測量精度更高。GHz的毫米波雷達必然是未來的發展趨勢。二、毫米波雷達類型2.根據毫米波雷達的有效射程車載毫米波雷達可分為長距離雷達（LRR）、中距離雷達（MRR）和短距離雷達（SRR）。以ACC自適應巡航為例，車速大于25km/h時，ACC自適應巡航才會起作用，而當車速降低到25km/h以下時，就需要進行人工控制。當將所用雷達升級到77GHz毫米波雷達后，與24GHz雷達系統相比，識別率提高了3倍速度和實測值，距離精度提高3～5倍，對前車距離的監測更為準確、快速。三、毫米波雷達組成毫米波雷達系統主要包括：單片微波集成電路（MMIC）芯片、天線印制電路板、收發模塊、信號處理模塊等，如圖2-4-3所示。其中，天線板上從上至下分別是10根發射天線TX1，然后是2根發射天線TX2，最后是4根接收天線RX1至RX4。因為近處的視角（FOV）比較大，大概有90度，所以需要更多天線，而遠處的視角小，大概只有20度，所以只有兩根天線。毫米波雷達各組成部分的作用如圖2-4-4所示。三、毫米波雷達組成1.天線天線是汽車臺米波雷達有效運行的關鍵設計之一，天線以高頻印刷電路板的方式設計、集成在基板。印刷電路板是毫米波雷達的硬件核心。其中，收發芯片通常使用一種特殊的半導體，如硅鍺雙極晶體管（SIGE）、CMOS（互補金屬氧化物半導體）等。硅鍺基芯片不能實現更高的集成度，因此，雷達系統通常需要多個芯片和外圍設備。基于SIGE技術的77GHz毫米波雷達系統可以滿足汽車的應用需求，但它占用了大量的板空間，而且價格昂貴，使用成本較高。與硅鍺雙極晶體管相比，CMOS可以在低電壓下工作，降低了功耗，雖然CMOS在低頻區存在較大的噪聲問題,但在77-79GHz車載亳米波雷達的應用中，這類問題并不突出。基于CMOS技術實現毫米波雷達的關鍵部件，大大降低了整個雷達系統的成本，目前在亳米波宙達領域得到了更為廣泛的應用。它使得毫米波雷達的成本降低，也使得毫米波雷達在智能網聯汽車領域得到了大規模應用。三、毫米波雷達組成2.收發模塊射頻收發器前端是雷達系統的核心部件，前端主要包括波導結構的前端、微帶結構的前端和前端的單片集成。典型的射頻前端主要包括天線、線性VCO、放大器和平衡混頻器部分，前端混頻輸出的中頻信號通過中頻放大送至下一級的數據處理部分。3.信號數據處理模塊信號數據處理部分的基本目標是消除不必要的信號（如雜波）和干擾信號，處理經中頻放大的混頻信號，從信號頻譜中提取目標距離、速度等信息。四、毫米波雷達工作原理車載毫米波雷達領域，應用比較廣泛的是調頻式連續毫米波雷達（FMCW）。調頻連續波雷達既可以測距又可以測速，而且在近距離測量方面有很大優勢。FMCW雷達是利用多普勒效應進行障礙物的探測，它通過發射源（天線）向目標發射毫米波信號，在掃頻周期內通過調頻發射頻率變化的連續波（常見的調頻方式有三角波、鋸齒波、編碼調制或者噪聲調頻等），遇到障礙物體后，發射的電磁波被反射，產生與發射信號有一定頻率差的回波，并分析發射信號頻率和反射信號頻率之間的差值，精確測量出目標相對于雷達的距離、運動速度和方位角等信息，其原理如圖2-4-5所示。四、毫米波雷達工作原理1.測距原理雷達調頻器通過天線發射毫米波信號，發射信號遇到目標后，經目標的反射會產生回波信號，發射信號與回波信號相比形狀相同，時間上存在差值。以雷達發射三角波信號為例，發射信號與返回的回波信號對比如圖2-4-6所示。四、毫米波雷達工作原理1.測距原理發射信號與反射信號間的頻率差值直接取決于和目標之間的距離。距離越大，則發射信號接收的往返時間越長，并且發射頻率與接收頻率間的差值越大，如圖2-4-7所示。四、毫米波雷達工作原理2.測速原理當目標與雷達信號發射源之間存在相對運動時，發射信號與回波信號之間除存在時間差外，頻率上還會產生多普勒位移。例如，當前方車輛快速行駛時，車距加大，由于多普勒效應，反射信號（ΔfD）的頻率將變小。這將導致上坡(Δf1)和下坡(Δf2)時的頻率產生差值。如圖2-4-8所示。四、毫米波雷達工作原理3.測量方位角原理關于被監測目標的方位角測量問題，毫米雷達的探測原理如圖2-4-9所示，通過毫米波雷達的發射天線TX發射出毫米波后，遇到被監測物體反射回來，通過毫米波雷達并列的接收天線RX1、RX2，通過收到同一監測目標反射回來的毫米波的相位差，就可以計算出被監測目標的方位角。五、毫米波雷達應用前景毫米波雷達具有探測性能穩定、作用距離較長、識別精度高、環境適用性好等特點。但毫米波雷達分辨力不高，對行人探測反射波較弱，無法精確識別行人、交通標示符號和信號燈，需與視覺傳感器互補使用。為了滿足不同探測距離的需要，車內安裝了大量的短程、中程和遠程毫米波雷達。不同的毫米波雷達在車輛的前部、車身側面和后部起著不同的作用。在圖2-4-10示意圖中，兩個后向雷達分別安裝在車輛的左側和右側尾部，綠色區域為后向雷達探測范圍（0.1m-80m）；一個前向雷達安裝在前保險杠中間位置，橙色為前向雷達探測范圍（1-200m）。為了滿足不同探測距離的需要，車內安裝了大量的短程、中程和遠程毫米波雷達。不同的毫米波雷達在車輛的前部、車身側面和后部起著不同的作用。毫米波雷達可實現自適應巡航控制、前向防撞報警、盲點檢測、輔助停車、輔助變道、自主巡航控制等先進的巡航控制功能。五、毫米波雷達應用前景1.自適應巡航（ACC）自適應巡航是一種駕駛輔助功能，它可以按照設定的車速或距離跟隨前面的車輛，或者根據前面的車速主動控制車輛的行駛速度，最終使車輛與前面的車輛保持安全距離。其優點是可以有效地解放駕駛員的腳，提高駕駛舒適性。在車輛行駛過程中，安裝在車輛前部的毫米波雷達傳感器連續掃描車輛前方環境（如圖2-4-11所示）五、毫米波雷達應用前景1.自適應巡航（ACC）汽車的輪速傳感器或其他車速傳感器采集車速信號。當檢測到前車，且根據自車車速、兩車相對速度等判斷距前車距離過小時，ACC系統可與防抱死制動系統和發動機控制系統協調工作，適當制動并降低發動機輸出功率，使本車與前車始終保持安全距離，如圖2-4-12所示五、毫米波雷達應用前景2.自動緊急制動（AEB）自動緊急制動是汽車的主動安全輔助裝置（如圖2-4-13所示），該系統使用毫米波雷達測量本車與前車或障礙物的距離，然后將測量的距離與報警距離和安全距離進行比較，當小于報警距離時系統會報警提示；當小于安全距離時，即使駕駛人沒有來得及踩下制動踏板，AEB系統也會開始制動車輛，從而確保安全駕駛。AEB往往也被認為包含了前方防撞預警功能（FCW），如圖2-4-14所示。據統計表明，絕大多數交通事故是由于與駛人注意力不集中造成的，AEB可以有效減少因注意力不集中導致的追尾事故以及追尾造成的損失。五、毫米波雷達應用前景3.換道輔助系統換道輔助系統，如圖2-4-15所示.換道輔助系統通過毫米波雷達、攝像頭等傳感器檢測車輛與相鄰側的車道側后方，獲地車輛側向和后方物體的運動信息，根據當前車柄的狀態，結合環境感知情況，通過聲音、燈光等方式提醒駕駛員，讓駕駛員把握換道的最佳時機，防止換道引起的交通事故。五、毫米波雷達應用前景3.換道輔助系統換道輔助系統包括三個功能：盲點監測（BSD）、換道輔助（LCA）和后碰撞預警（RCW），這三個功能的相互協作可有效防止變道、轉彎時追尾等交通事故的發生，大為提高了車輛換道過程中的安全性能。其中，BSD根據其對運動物體相對位置和車輛相對速度的判斷，在車輛有盲區時，及時提醒駕駛員注意車道變換的風險，如圖所示，LCA檢測到目標車輛在相鄰區域以相對較高的速度接近車輛，當兩車之間的距離小于一定范圍時，通過聲音、燈光等方式提醒駕駛員，RCW檢測同一車道后而相互靠近的移動物體，當有碰撞危險時，它會迅速通過聲音，燈光等發出提醒，以減少碰撞發生的概率。五、毫米波雷達應用前景3.換道輔助系統各類毫米波雷達在輔助駕駛中的應用及安裝