尺寸、重量、功率和成本都低的多模式、多任务、软件定义毫米波雷达

2023-07-08

毫米波雷达被特斯拉“返聘”,马斯克到底图的啥?

据说世界上最难的两件事,一件是把自己的思想装进别人的脑袋,一件是把别人的钱装进自己的口袋。这两件事,毫米波雷达做到了:让坚持纯视觉方案的特斯拉花钱再度把它“请”上了车。

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预计搭载4D毫伏肢米波雷达的特斯拉谍照

想必不少朋友已经知道这件事儿了,特斯拉即将推出的HW 4.0智驾方案预计包括一个4D毫米波雷达,消息一出连带着各大相关企业股票狂涨。让股市震荡,让马斯克“真香”,4D毫米波雷达到底有啥本事?

毫米波雷达

回答这个问题之前我们得先认识车载毫米波雷达。

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车载毫米波雷达工作模型图

如果用一句话形容车载毫米波雷达有多牛,我只能说,它开启了智能辅助驾驶时代——1999年奔驰S级车型首次应用了基于毫米波雷达实现的自适应巡航功能,这套系统被命名为Distronic(限距控制系统)。

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搭载Distronic系统的奔驰S级

即使我们看到现在车企们更愿意以激光雷达为门面去宣传自家的智能辅助驾驶能力,但事实上,毫米波雷达的特质是激光雷达无法替代的。

毫米波雷达是工作在毫米波波段探测的雷达,一般毫米波的波长为1-10mm,频率在30-300GHz,通过发射和接收电磁波的信号后利用多普勒效应来计算目标物的各个参数(如测距、测速、测角)。

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多普勒效应

不同长度的波在大气中传递时被阻碍和吸收的程度不同,而毫米波的波长介于微波和红外波之间,所以它有着两者的优势,与微波相比,毫米波的指向性好、分辨率高、抗干扰能力强,探测性能也更好。

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与红外波相比,毫米波在大气中传播时的衰减小、能更好穿透烟雾灰尘、受天气影响小。这些特质决定了毫米波雷达具有全天时全天候(除暴雨)的工作能力。

由于雷达涉及军用,所以国家开放给民用的频段是有管制的,目前世界上主流的车载毫米波雷达频率为24GHz(也被视为毫米波频率)、77GHz、79GHz,也有少数国家如日本开放60GHz频率。

国内开放给车载毫米波雷达的频率就是24GHz和77GHz,所以目前国内的车载毫米波雷达分为24GHz和77GHz毫米波雷达。

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海拉24GHz毫米波雷达

就像不同分贝的声音能传到不同的距离,不同频率的毫米波雷达能探测的距离也不同。24GHz的探测距离通常在30-120m,77GHz的探测距离通常在200m及以上。

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射频

看到这里可能有物理比较好的朋友要质疑我了:根据波的传播理论,频率越高,分辨率越高,穿透能力越强,但传输时损耗也越大,传输距离越短;相对地,频率越低,波长越长,绕射能力越强,传输距离越远。

那我为什么说77GHz毫米波雷达比24GHz毫米波雷达的探测距离更远呢?这和毫米波雷达的结构和工艺有关。

毫米波雷达的硬件占比约为50%,主要由射频前端(MMIC)、数字信号处理器、天线、控制电路等部分构成,另外50%则由软件算法构成。

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打造毫米波雷达的过程中

雷达天线的尺寸和波长成正比,24GHz雷达波长较长,所以天线的体积更大,而77GHz雷达天线比姿厅局较小(大小大概为24GHz雷达天线的1/3),同样的体积可以布置更多的天线单元。

一般24GH毫米波雷达的天线只能做到1发2收,77GHz毫米波雷达却能做到4发4收,整体天线阵的增益是使77GHz毫米波雷达探测距离更远的一个原因。

另外24GHz的毫米波绕射能力更强,就像《画画接龙》这个游戏一样,传到最后已经出现了严重的信息偏差,也就近距离的探测信息比较靠谱。

两者在分辨力上也有区别:77GHz毫米波雷达的分辨距离最小为3.75cm,而24GHz毫米波雷达则为60cm。

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一颗国产77GHz毫米波雷达

这意味着当两个目标物体之间的距离为60cm时,只有77GHz毫米波雷达能成功分辨,24GHz毫米波雷达则会视为只有一个目标物体。

虽然看似只是频率不同,但实际上两者的性能有很大差异,因此它们的使用场景也有所不同。现在业内常见的毫米波雷达搭配方式是1个前向+4个侧向(左前、左后,右前、右后),整理如下:

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目前主流毫米波雷达的功能有测角、测距、测速,也就是测量目标物体的方位,与目标物体的距离和目标物体的速度,我们称之为3D毫米波雷达。不过它有一个巨大缺陷,就是无法识别静止物体。

由于缺乏高度信息,对于3D毫米波雷达来说,不会产生速度信息的地面减速带或其他静止障碍物和上方的天桥没有什么区别。

如果测到天桥也立马牵动刹车那也太离谱了,所以3D毫米波雷达的算法直接忽略这些静止物信息,就算前面放一块陨石,3D毫米波雷达都迹让不会触发刹车。

这可能是2020年一辆特斯拉直接撞上前方静止车的原因,毫米波雷达选择闭眼冲,而当年特斯拉的视觉方案也没有现在这么精良。

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辅助驾驶模式下即将撞上货车的特斯拉

这个缺陷让毫米波雷达在需求越来越高的智驾市场陷入了僵局,直到2020年第一颗4D毫米波雷达的诞生。

4D毫米波雷达VS激光雷达

基于3D毫米波雷达的基础,4D毫米波雷达增加了高度信息,带来的直接影响就是4D毫米波雷达可以成像。

当波射到物体表面时,所反射回的波会携带方位、距离等信息,经过坐标转换则呈现为点云数据,两种毫米波雷达经软件算法换算出的图像如下:

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比如一个80 cm体宽1.7m身高的人在快速奔跑,3D毫米波雷达就会识别为一道由点组成的横向80 cm虚线在某距离以某速度向某方向移动,而4D毫米波雷达会识别为由点组成的80 cm体宽1.7m高人形在某距离以某速度向某方向移动。

当前方出现了一道长2m并离地3m的限高杆,同时下方有一条等长的减速带,3D毫米波雷达就会识别为两条几乎重叠的由点组成的长2m虚线,而4D毫米波雷达则会识别出两条长2m的虚线中间的无障碍距离为3m。

4D毫米波雷达不再有无法识别静止物的缺陷,加上价格只有激光雷达10%-20%的优势以及本身毫米波雷达探测距离远、抗干扰能力强、雨雾无阻的特质,4D毫米波雷达被视为激光雷达的强劲对手。

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一颗激光雷达

用4D毫米波雷达替代激光雷达,可行吗?就目前来说,答案是否定的。

4D毫米波雷达和激光雷达的本质都是通过波信号来主动探测,4D毫米波雷达的波长在3.9mm,而激光雷达的波长通常为905或1550nm,由于波的传播特质,激光雷达在面对雨、雾、沙尘暴等天气几乎束手无策,而毫米波雷达则能发挥性能。

虽然它俩都能成像,但是激光雷达有个碾压4D毫米波雷达的优势,就是分辨率。市面上的4D毫米波雷达每秒大概可以生成10万个点云,而128线激光雷达可以实现每秒140万点云的生成。

激光雷达成像效果

用140万个点描摹出的画像自然比用10万个点描摹出的画像,精确度要高得多。不仅是画像轮廓的清晰程度不同,更直接的影响就是角分辨率的差距。

激光雷达的角分辨率做到了0.1°,而4D毫米波雷达可以做到1°,也就是说当2个目标物体间的角度角度差距为1°时,只有激光雷达可以分辨得出。

说到底,在成像方面,激光雷达有着4D毫米波雷达无法匹敌的分辨率。目前的4D毫米波雷达更加适合做视觉算法的补充,在雨雪天气时为摄像头助一把力。

这样看来,4D毫米波雷达比激光雷达更适合特斯拉。

除了成本方面,激光雷达的成像优势对于特斯拉的视觉方案是重复的,摄像头和激光雷达的共同缺点就是受限于可见度低的天气,而这个问题只有毫米波雷达能为特斯拉解决。

毫米波雷达历史

回到开头的问题,也许很多朋友会选择中国,毕竟咱们现在的智驾市场如火如荼,但实际答案是德国。

1904年,德国人斯琴·赫尔斯麦耶,基于前人电磁理论和电磁波实验的基础上,利用无线电波回升探测装置,研制出了原始的船用防撞雷达,这就是世界上第一颗雷达。

1935年英国人罗伯特·沃特森·瓦特成功研制出一台实用雷达系统,并被英国空军大规模部署,而这个系统通过提前检测到德军飞机,协助英国抵御住了纳粹德国的攻击,获得了“不列颠空战”的胜利。

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罗伯特·沃特森·瓦特

德国人发明的雷达被英国人用来打败了德国?据说德国人十分不服,回去苦心研究,再后来汽车产业的繁荣以及1986年欧洲制定的“欧洲高效安全交通系统计划”催化了车载雷达的蓬勃发展。

2012年,德国半导体巨头英飞凌推出24GHz单片雷达解决方案,降低了毫米波雷达的技术门槛和制造成本,推动毫米波雷达在各领域的应用。

国内研究毫米波雷达的时间并不长,2013年24GHz毫米波雷达产品才进入中国,同时国外对国内开启了77GHz毫米波雷达的技术封锁。

2014-2016年国内的毫米波初创企业成立,其中首家研究毫米波雷达的就是上汽集团旗下的华域汽车。2016-2017年,国产24GHz毫米波雷达开始量产,77GHz毫米波雷达开始出现样品。

华域汽车办公点

虽然目前全球毫米波雷达市场仍被博世、大陆、海拉等海外龙头厂商占据主要份额,但是国内的行业发展也处于欣欣向荣的状态,国产77GHz毫米波雷达早已面世,例如德赛西威、森斯泰克、楚航科技等国内领先的企业都具备量产能力。

大陆集团logo

最后我想片面的浅聊一聊,为什么国外掌握着更好的智能辅助驾驶核心传感器技术,而国内却成为了智能辅助驾驶的核心战场。

2018年的时候德国制造商大陆集团就对自动驾驶汽车接受程度进行调查。中国受访人中,高达 89% 的人表示支持自动驾驶技术,相比之下,德国和美国的受访者对自动驾驶支持的比例分别只有 53% 和 50%。

英国的德勤咨询公司也做过一次调查,截至2019年,中国对自动驾驶汽车感到“危险”的消费者比例为25%,是亚洲6个调查国家和地区中最低的。

2022年北京日报做了个关于中国人对自动驾驶的接受程度的调查,结果显示,超八成中国人接受自动驾驶,比例远高于其他国家。

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聊这个并不是为了让大家忽略目前智能辅助驾驶技术的不成熟,相反,我们需要更加实际的去接受现有智能辅助驾驶技术的局限。但是这些数据表明,我们对科技有着更包容、积极的态度,即使起步晚了一点也没关系。

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PCMCIA卡的

重量:约1盎司约0.5盎司
体积:85.6x54.360问答0mm42.8x36.4mm
规格:TypeI(3审介.3mm)、TypeⅡ(5.0mm)、TypeⅢ(10.5mm)、CardBus、ZoomVideoTypeI(3.3mm)、TypeⅡ(5.0mm) 广泛应用于笔记型计算机。一般来说较耗电,但成本较低。
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目前除了笔记型计算机可使用PCMCIA规格的卡片外,还有PD拉贵妒系距A、数字相机、数字电视、机顶盒(set-topboxes)…等等也都有对应的产品可以使用PCMCIA离继心配地以营土架总急规格的卡片。
为适应多媒体和网络等应用对高李表时关青速度的需求,PCMCIA在1991年颁布了用于内存卡的6妈样激异若8针PC卡标准的基础上快干脱音鸡,又在95年新制定了CardBus和ZV两种接口标准,使笔记本可以连接PCI设备,如高速网卡、视频捕捉/视讯会议卡、SCSI卡等。下面两篇文章将分别说明CardBus和ZV标准的内容。
CardBu罪州美香材需良飞质转茶s接口简介 CardBus是P这则龙受缩丰向后企便CMCIA推出的下一代高性能32位总线主控接口。它使现在只在桌面和较大系统上才拥有的高级功能可以移入CardBus卡,从而可以用在移动环境下。为CardBus开庆测害北发的新功能也可用于3快架早2位桌面系统,如果它们装备了CardBus插槽的话。
CardBus接口的特性
CardBus给PC卡增添了多种重要功能,并与新PC卡标准的新功能兼容。C界美察客容心给限十乙范ardBus接口的特征和功能包括32位的地址和数据,33MHz的工作频率和总线胡依困主控操作。
·CardBus接口支持高达33MHz的运硫一攻细附否行速度,为扩展PC卡用户现有应用创造了条件。
·CardBus接口支持以任何组合形式实现多个总线功能。总线主控功能可为处理器分担任务,有利于在多任务环境中改善系统的吞吐量。
·CardBus支持PC卡现有的音频数字波形(ADW)模式和新的脉宽调制(PWM)模式。在CardBus中可以选用这两种模式中的任何一种,但使用前须得到系统软件认可。PWM音频的工作范围远好于ADW音频。尽管在定义CardBus时考虑到了系统平台的独立性,但该接口是为32位系统设计的。用16位总线的系统从这种接口获益很小。CardBus规格使系统间的互换性大大加强。
CardBus工作原理
CardBus接口的信号传输协议起源于PCI局部总线信号传输协议。两者有某些区别,但大多数功能具有相同的操作。
CardBus软件模型可与16位PC卡共享。由于其32位的CardServices(卡服务)接口也是为16位PC卡定义的,因而这个接口可用于兼管CardBus卡和非CardBus卡。
由于CardBus卡和插槽使用了为3.3伏卡定义的低压键(lowvoltagekey),CardBus卡必须设计成使用3.3伏或更低电压值,这使系统能耗降低,电池寿命延长。
在起初的加电或复位操作中,必须限制CardBus卡的用电,以保证能从CardBus卡中读出信息,并从而判定系统能否提供充足的电源和其它硬件资源,保证CardBus卡正常工作。加电电源的限制可防止电池过大的瞬时电流消耗,而且在不能提供操作需要的功率时做到平稳地拒绝CardBus卡。
CardBus插槽应按照宿主系统提出的条件接受和支持所有16位PC卡。CardBus接口支持卡的热插拔。当卡未插入时,插槽必须断电,而当插入卡后,插槽就加电。对用户来说,这就像热插拔一样。
适配器
如前所述,CardBus还必须支持非CardBus的PC卡。当一块卡插入插槽时,PC通过询问确定其是否需要CardBus支持,然后根据情况加上适当的电源和其它资源。这样可以防止插入板卡受损。
设计了卡检测/电压检测(CardDetect/VoltageSense)算法。所有的CardBus和低电压非CardBus卡都支持这一算法。它使CardBus适配器能识别任何插槽中的任何PC卡。适配器提供的信息使相应的软件能判定被插入的卡是否能得到支持,如果不能则平稳地拒绝它。
系统软件
不管一个适配器是否支持CardBus,都将提供插槽服务(SocketServices)软件。但不同的适配器设计要求不同的SocketServices实现方案。单一宿主机系统可包含支持和不支持CardBus的适配器。因此,相应的SocketServices处理程序也可以同驻在同一个单宿主机系统。所有适配器只需要很少的SocketServices功能。
卡服务(CardServices)软件用于提供有关所有PC卡的特定功能和状态的简要信息。当只要求支持CardBus时,CardBus只须作少量的修改。但当要求为CardBus和非CardBus提供完全的兼容性时,在CardServices内部要作重大修改。
配置
当检测到有一个PC卡插入时,PC将建立PC卡需要的电压和信号传输协议。如果系统支持卡的电压和其它要求,PC将提供合适的信号传输协议和电压;否则,用户将被告知该卡不能在此系统中工作。一旦一个卡被识别,插卡只能获得有限的电流,以防电池电流过大。也可以由通用的电路来实现配置操作。CardBus接口还为多功能CardBus卡提供支持。
PCMCIA接口在笔记本电脑上都有。
PCMCIA接口除了插无线上网卡、电视卡外,还可以插调制解调器、小型硬盘等。
关键字:PCMCIA卡,移动计算机,笔记本,PCMCIA插槽,网卡

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RCC毫米波雷达是什么东东?

RCC雷达安全预警系统的雷达波为二维坐标平面扫描雷达,多车道侦测,高度立体扫描。预警系统的毫米波雷达可以侦测300米以上有效距离;它不仅可测量目标距离,还可测量目标物体的相对速度及方位角参数,是未来无人自动驾驶的必备传感器

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