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【正文】
通信和感知技术已经改变了汽车行业，已经有越来越多的汽车具备与环境交互、了解周围空间、利用互联网与基础设施联网，并检测可能的危险源的功能和系统。目前可以认为：汽车已经具有了自己的“感官”，它们知道自己在哪里，可以看到、听到以及感觉到周围发生的事情。
图 1. 传感器、导航和通信：汽车的“感官”
汽车传感器是提高道路交通安全和达到4级和5级自动驾驶的关键，使用先进传感器技术可以通过警告信号和自动安全功能预防事故，从而实现 Vision 0 目标（到 2050年交通事故零死亡）。从这个意义上讲，欧洲议会在 2019 年批准了一项制定安全功能的法律例如智能速度辅助、先进的紧急制动系统和车道保持系统，从 2022 年 5 月起对所有新车型和现有车型从 2024 年 5 月起强制实施。
此外，购买汽车时，安全措施变得越来越重要。因此，自 2020 年起，欧洲新车评估计划 (Euro NCAP) 将紧急制动系统纳入评估范围。这迫使该行业加大力度，并在车辆中加入新的检测功能。
有不同的选项可用于感测车辆周围的环境。然而，对于全自动驾驶，需要结合不同的传感技术，才能提供全方位 360° 检测。整个系统可以看作是汽车的“感官”，用于提供与周围环境互动的手段，并创造一个安全驾驶空间。每种传感器技术都有其优缺点，如下表 1 所列，因此完全自动驾驶将需要结合不同传感器，如图 2 所示。
表 1. 汽车应用中不同传感器技术的优缺点
图 2. ADAS/AD 系统趋势：传感器集成
雷达是一项众所周知的技术，它依靠发送和接收电磁波来测量、检测和定位环境中的障碍物。雷达特别适用于汽车应用，因为车辆是电磁波的良好反射体，因此可以准确地确定它们的距离、位置和速度。
在汽车环境中，调频连续波 (FMCW) 雷达用于不同的频段，具体取决于应用，FMCW雷达的原理将在后面详细讲解。雷达的基本结构如图 3 所示，它包括一个或多个雷达单片微波集成电路 (MMIC) 收发器，连接到一个高性能处理单元（MCU 或 SoC）。芯片的拓扑结构和数量将取决于雷达模块在车辆上的位置及其必须涵盖的应用，如图 4 所示。
图 3. 雷达架构示例
图 4. 不同雷达应用的组合
国际电信联盟 (ITU) 根据其功能定义了两类汽车雷达系统：
类别 1：它包括为驾驶员提供舒适功能的雷达系统，可实现更轻松的驾驶。此类别包括自适应巡航控制 (ACC) 和防撞 (CA) 雷达，测量范围可达 250 米。
类别 2：它定义了用于高分辨率应用的传感器，这些传感器增加了车辆的被动和主动安全性，例如，盲点检测、变道辅助和后方交通交叉路口警报，以及附近行人和自行车的检测一辆车。距离低于类别 1，最大为 50m 至 100m，具体取决于应用。这些系统的目的是通过增加车辆的被动和主动安全性来改善交通安全。
雷达的类型也可以根据测量范围进行分类（图5）：
短程雷达（SRR），具有大视场和高分辨率，范围可达50m。
中程雷达 (MRR)，具有中等视野，范围可达 100 米。
远程雷达 (LRR) 不需要高分辨率或宽视场，但目标是尽可能远的距离，可达 250 米。
图 5. 汽车雷达的典型范围和视野
为了提供 360° 覆盖，需要在汽车上放置具有不同功能的不同雷达传感器，如图 6 所示。必须将获得的数据结合起来，以获得周围环境的实时准确信息。
图 6. 将雷达传感器放置在汽车上以实现 360° 覆盖
雷达传感器可以很容易地安装在汽车常见部件的后面，例如保险杠或汽车标志，这样它们就看不见了，也不会影响美观。随着工作频率的提高，这种集成变得更加容易，因为决定模块尺寸的天线尺寸与波长成线性比例，因此与工作频率成反比。汽车雷达系统过去使用四个主要频段，两个在 K 波段（大约 24GHz），两个在 E 波段（76GHz 和 81GHz 之间），如图 7 所示。
图 7. 汽车雷达的频段
但是，由于对射电天文学和地球探测应用的干扰，24GHz 频段将被停用。作为备选，76GHz至81GHz频段已被大多数国家接受为汽车雷达的频段。在那里，为 LRR（76GHz 至 77GHz）保留了 1GHz 带宽，而 4GHz 带宽可用于需要更高分辨率的应用，如表 2 中所总结。
表 2. 根据 ITU Recommendation ITU-R M.2057-0，76GHz 至 81GHz 频段内的典型汽车雷达特性
在新车中集成新的安全和舒适功能导致了雷达市场的激增，汽车是该市场中增长最快的部分，预计到 2025 年将超过 100 亿美元，如图 8 所示。
图 8. 雷达市场的演变（来源：Yole Report 2020）
如果我们只考虑雷达 MMIC 收发器，市场预测超过 12 亿美元，GaAs 技术几乎消失，CMOS 快速增长，到 2025 年成为主导技术。
图 9. 雷达 MMIC 市场每种技术的演变（来源：Yole 报告 2020）
雷达模块已成为现代车辆的标准配置。虽然它们在距离分辨率方面相对于其他技术有一些缺点，但它们的可靠性和多功能性使其成为现代ADAS/AD 系统中不可替代的部分。从 76GHz 到 81GHz 的更高频率的转变带来了新的技术挑战，但也使它成为半导体行业新发展的一个令人兴奋的领域。
四、FMCW雷达基础知识
雷达（无线电探测和测距）使用无线电波探测环境中的物体，并确定目标的距离（称为范围）、角位置（方位角）和速度。雷达技术是在第二次世界大战期间为军事用途而开发的，但现在有许多民用应用，包括空中或海上交通管制、天文学、海洋和气象监测、测高、地质观测和汽车应用。
雷达系统包括发射器，发射器向特定方向发射电磁射频波（雷达信号），目标物体反射的信号（回波）随后被雷达接收器检测到。反射的大小由物体的材料特性、大小和形状（雷达截面 RCS）决定。通过处理该反射信号，可以确定目标的属性（距离、速度、角度、高度、尺寸）。
汽车雷达系统使用所谓的调频连续波 (FMCW) 运行，该系统以特定频率发射连续波，然后在一段时间 T 内对其进行调制，这为发射信号提供了“时间戳”。信号随后传播到目标，其中一部分被反射回来，雷达将检测反射信号并将其与原始信号进行比较，方法是将它们混频并处理生成的信号。简化的原理图如图 10所示。
图 10. FMCW 汽车雷达 – 原理和构建模块
图 11 和图 12 显示了该雷达信号的一个示例。返回信号的形状与发射信号相似，但随着从雷达到目标的双向行程所花费的时间量 Δt 而在时间上发生了偏移与到目标 R 的距离成正比：
其中，c是光速。
图11. 锯齿 FMCW 雷达信号：频率与时间
图12. FMCW 雷达信号：振幅与时间
通过在任何给定时刻将反射波与原始信号进行比较，可以观察到频移 Δf。这种转变允许确定信号或“线性调频”的每个周期的范围 R。如果通过多个线性调频信号监测信号，由于多普勒效应，将检测到目标靠近或远离雷达的额外频移 fD。这允许确定目标的速度。最后，如果考虑不同的信道，使用空间分布的天线，可以确定信号的到达方向，以获得目标的 2D 或 3D 位置。
这意味着要进行 4D 检测（范围、方位角和仰角方向以及速度），需要对信号进行时空处理。为此，需要将信号数字化并保存以供进一步处理。第一步将是创建所谓的“雷达立方体”。
雷达数据立方体（DataCube）是对存储的雷达数据进行时空处理的三维图形描述，结合了获取距离、速度和方位信息所需的三个基本步骤。
如上所述，对接收信号进行采样以进行处理。第一步是执行 FFT（快速傅里叶变换），使每个样本对应一个“bin”，以获得所谓“快速时间”内的距离信息。这在图13中进行了说明。
图 13. 雷达处理：距离 FFT
对形成帧的每个线性调频信号重复该过程，获取、保存和处理帧中的所有单元后，将执行多普勒-FFT 以获得有关目标速度的信息。速度估计每帧进行一次，即每 N 个线性调频一次。因此，它也被称为“慢时间”。最后，结合所有可用通道的空间数据，得到雷达立方体的第三维，其中包含目标的空间位置信息。雷达立方体的图形表示如图 14 所示。
图 14. 雷达立方体
五、汽车雷达模块
半导体技术的进步促进了汽车雷达的部署，尤其是硅基技术。虽然在 2010 年代初期，多通道雷达收发器集成在单个 GaAs（砷化镓）MMIC（单片微波集成电路）上，但如今硅锗 (SiGe) 的使用提高了集成密度并降低了大规模生产的成本。下一个挑战将是向 CMOS（互补金属氧化物半导体）的过渡，这将允许在管芯上集成更多数字电路，同时保持良好的 RF 性能。
然而，要实现一个雷达系统，每个雷达模块必须包含一个或多个 MMIC 收发器，这些收发器发射雷达信号、检测来自障碍物的回波并执行一些信号调节和数字化以准备原始雷达数据，以便通过处理进行进一步分析单元。后者可以是用于基本处理的微控制器单元（MCU），但随着雷达技术的进步，越来越多地使用SoC（片上系统）来实现更复杂的目标分析、检测和跟踪。
图 15 说明了在整个接收路径上处理雷达信号的不同步骤。虽然模拟 RF 处理和数字信号转换始终在 MMIC 上执行，但信号分析的接口并不固定。随着雷达架构和信号处理越来越复杂，一些步骤（例如第一个 FFT）已经可以在 MMIC 上执行。此外，还可以将雷达收发器和处理单元组合在一个单片芯片中，用于角雷达等某些应用。
图 15. 雷达处理步骤
未来，可以实现更复杂的架构，在汽车周围分布多个微型雷达。然后，雷达模块将在将数据（例如距离和点云）传送到中央控制单元 (ECU) 之前仅执行有限量的预处理，ECU 然后可以应用更高级的处理和数据融合，而不仅仅是微型雷达模块以及其他传感器。
参考资料：
【1】https://www.renesas.cn/us/en/blogs/basics-fmcw-radar
【2】https://www.renesas.cn/us/en/blogs/why-do-we-need-radar
【本期结束】
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