开发自动驾驶汽车时的雷达选用原则

自动驾驶汽车开发中，激光雷达理应是不能少的器件。但是车规的激光雷达，外国品牌在15万元的价位，国产也在5万的价位上。业内人士一看，就知道，如果激光雷达，成本不下降到1万以下，中国自动驾驶汽车要上市是不可能的。目前的产品基本上是，研究层面的事情，离上市还远得很。好在国内激光雷达生产厂家越来越多，水平越来越高，成本下降的空间也是越来越大。整车厂自动驾驶汽车开发工程师，对激光雷达，做深入了解的要求也是越来越高。下面做系统介绍，供同行参考。

一、对激光雷达的认识

普通人对雷达的认识基本上源于电影的画面（图1），雷达可以发现敌人飞机。

有一个指针，在屏幕上做360度的旋转，再就听到了中国人民解放军的工作人员在报告首长，在什么方位上，发现了敌人的飞机而已。其工作原理？电影没有解释，给人基本知识是，人用肉眼，看不见飞机的时候，用雷达，可以看到飞机的行踪。自动驾驶汽车开发中，要用到雷达，是近几年的事情。汽车为什么要用雷达？其功能是什么？如何用雷达？尤其是自动驾驶汽车开发的相关工程师，都想了解和学习。

一、雷达工作原理、功能、分类

雷达是通过发射和接受无线电波，来实现对目标的探测，现代雷达可以同时探测目标的距离、方位、高度、速度、形状和目标类型等。

（1）工作原理

①雷达设备的发射机，通过天线把电磁波能量射向空间某一方向（图2），处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；

②雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些特征信息(如：目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等)。

具体应用：

①测量距离，是在测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离；

②测量目标方位，是利用天线的尖锐方位波束测量技术，测量仰角靠窄的仰角波束，根据仰角和距离就能计算出目标高度；

③测量速度，利用相对运动产生的频率多普勒效应原理。雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两者的差值称为多普勒频率。

（2）雷达基本功能

雷达基本功能，相似人的眼睛和耳朵。物理学告诉大家，不论是可见光或是无线电波，在本质上是同一种东西，都是电磁波。在真空中传播的速度都是光速（c），差别在于它们各自的频率和波长不同。中学物理学知识告诉人们，真空光速定义值：c0=299792458m/s（（一般取300000km/s即每秒30万公里）。

可以这样理解，雷达用到汽车上，可以测量汽车之间相对速度、距离；可以测量汽车与障碍物之间距离；可以测量障碍物轮廓尺寸等。

（3）雷达的种类繁多，分类方法也非常复杂

①按照雷达信号形式分类，有脉冲雷达、连续波雷达、脉部压缩雷达和频率捷变雷达等；

②按照角跟踪方式分类，有单脉冲雷达、圆锥扫描雷达和隐蔽圆锥扫描雷达等。

③按照目标测量的参数分类，有测高雷达、二坐标雷达、三坐标雷达等；

④按照雷达采用的技术和信号处理的方式，有相参积累和非相参积累、动目标显示、动目标检测、脉冲多普勒雷达、合成孔径雷达、边扫描边跟踪雷达；

⑤按照天线扫描方式分类分类，分为机械扫描雷达、相控阵雷达等；

⑥按雷达频段分，可分为超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达以及激光雷达等。

二、自动驾驶汽车开发中雷达选用原则

自动驾驶汽车开发中，必须要用到雷达（见图3），不用多说了；或者说，没有雷达技术的支持，就没有自动驾驶汽车的出现。人们要问的是，如何选用雷达？

1）必须选用车规级雷达

雷达产品分类十分复杂，从自动驾驶汽车开发的出发点来说，一般是按雷达频段分，可分为超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达以及激光雷达等。但是从产品质量来说，这些雷达必须是车规级的。通俗地理解，雷达要符合汽车车用标准的，低了，满足不了汽车使用环境，其生命周期比较短；高了，成本也高，汽车用不了。

2）雷达用在汽车什么场景，要实现什么能？

（1）泊车系统中，超声波雷达。

①原理：

超声波雷达，是利用传感器内的超声波发生器产生40KHz的超声波，再由接收探头，接收经障碍物反射回来的超声波。根据超声波反射接收的时间差，来计算与障碍物之间的距离。

②优势：

超声波雷达成本较低（单价：100元左右），探测距离近，精度高，且不受光线条件的影响。

③实例：

宝马的i系列和7系列，已经支持使用车钥匙，遥控汽车自动泊车。在操作过程中，用户只需要发出前进或后退两个指示，汽车就会持续使用超声波传感器检测车位和障碍物，自动操作方向盘和制动器，实现自动泊车。

④图例：

（2）ADAS系统中毫米波雷达

①原理：

毫米波，毫米波的波长介于厘米波和光波之间，波长在1mm到10mm之间的电磁波，换算成频率后，毫米波的频率位于30GHz到300GHz之间。毫米波雷达系统，主要包括天线、收发模块、信号处理模块，其中芯片、天线、PCB板是毫米波雷达的硬件核心。

②优势：

毫米波兼有微波制导和光电制导的优点。近些年，随着毫米波雷达技术水平的提升和成本的下降，毫米波雷达（见图4）开始应用于汽车领域。

③实例：

④图例：

（3）L4级别以上自动驾驶车辆激光雷达

①原理：

②优势：

a）激光直线传播、方向性好、光束非常窄，弥散性非常低；

b）其角分辨率不低于0.1mard，也就是说可以分辨3km距离上相距0.3m的两个目标，距离分辨率可达0.1m；速度分辨率能达到10m/s以内；

c）自然界中，能对激光雷达起干扰作用的信号源不多，抗有源干扰能力强。

③实例：

激光雷达，因其在测距测速、三维建模等领域的优越性，L4级别以上自动驾驶车辆，是必选件。

④图例：

有了激光雷达，可实现车辆前向间距预警、车辆双侧间距预警、车辆转向盲区预警、车辆车道偏离预警等功能。

3）不同车辆几何尺寸不同，要与雷达几何大小配合好

①一维激光雷达，主要用于测距测速等，一般安装在车内、风挡玻璃前面，后者安全后视镜上；

②二维激光雷达,主要用于轮廓测量、物体识别、区域监控等，一般安装在车外面的前头；

③三维激光扫描仪、三维激光雷达，实时三维空间建模，一般安装在车顶；

激光雷达还可以测量出周边其他车辆在三个方向上的距离、速度、加速度、角速度等信息，再结合GPS地图计算出车辆的位置。

4）雷达有一定几何尺寸及性能指标，要认真了解和验证

①国产的16 通道激光雷达跨阻放大器 LS1716M 芯片

②其参数如下：

电源电压：3.3V；·输入 ：APD 管的 N 极与输入相连，P 极接负压，16 通道跨阻放大器；单端输入，单端输出；·四种可编程跨阻放大器增益模式：86dBΩ / 80dBΩ / 74dBΩ / 68dBΩ；接收器带宽> 200MHz·可接受最小激光脉冲半宽度：3.5ns；·单通道功耗< 70mW；·可选通输出，通道切换时间<100ns；·输出阻抗：50Ω； ·LQFP80L 封装。

③激光雷达必须要厂家软件支持。目前国产品牌激光雷达，配有相应软件，培训和服务基本到位。

③性价比比较高的国产激光雷达

图11 国产激光雷达参数

32 线激光雷达能够对周围环境进行三维扫描探测。此系列产品应用广泛，可应用于汽车辅助驾驶(ADAS)、无人驾驶汽车。其特点是， 实时、360°、三维坐标和距离等，性价比优异。

三、总结

1）自动驾驶汽车的最高级别是无人驾驶。借用雷达选用情况，可以基本划分出自动驾驶级别来，

2）没有配有雷达的，一定是人工驾驶汽车；

3）配有超声波雷达的，可以归类辅助驾驶汽车了；

4）配有超声波雷达、毫米波雷达的，可以归类L3类自动驾驶汽车；

5）配有超声波雷达、毫米波雷达的，激光雷达，可以归类L3、L4

类自动驾驶汽车；

要注意，雷达是一个系统，不仅有硬件、软件，还必须对外有接口，开发过程工程师，一定对雷达系统性能指标参数，要了解、掌握他。