【導讀】目前，應用于汽車(chē)無(wú)人駕駛的雷達主要有三種：超聲波雷達、激光雷達和毫米波雷達。后兩種雷達技術(shù)雖然屬于后起之秀，但在最近幾年，它們在自動(dòng)駕駛中發(fā)揮的作用日益凸顯。
每年有125萬(wàn)人死于車(chē)禍，其中94%以上的致命事故是人為失誤（酒后駕車(chē)、超速行駛、無(wú)視交通信號燈、邊開(kāi)車(chē)邊發(fā)短信）造成的。為了盡可能地將汽車(chē)事故減少到接近零的水平，汽車(chē)制造商、汽車(chē)供應商、政府、學(xué)術(shù)界，甚至非汽車(chē)技術(shù)提供商都在聯(lián)合開(kāi)發(fā)先進(jìn)的駕駛員輔助系統（ADAS），并最終開(kāi)發(fā)出自動(dòng)駕駛汽車(chē)。而自動(dòng)駕駛汽車(chē)這種新的汽車(chē)生態(tài)系統的建立需要傳感器融合、全新的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )架構、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等多種先進(jìn)技術(shù)的支撐。
目前，應用于汽車(chē)無(wú)人駕駛的雷達主要有三種：超聲波雷達、激光雷達和毫米波雷達。后兩種雷達技術(shù)雖然屬于后起之秀，但在最近幾年，它們在自動(dòng)駕駛中發(fā)揮的作用日益凸顯。
圖1:自動(dòng)駕駛汽車(chē)中的傳感器融合方案（圖源：網(wǎng)絡(luò )）
01 超聲波雷達：技術(shù)成熟，成本之選
超聲波雷達在汽車(chē)中的應用已經(jīng)有很多年了，在許多車(chē)輛的前后兩側都能發(fā)現它們的身影。按工作頻率劃分，超聲波雷達有40kHz、48kHz和58kHz三種，頻率越高，靈敏度越高，探測角度越小。在工作狀態(tài)，通過(guò)收發(fā)超聲波，超聲波雷達能以1-3cm精度測算0.2-5m范圍內的障礙物。
然而，由于工作頻率屬于聲波范圍，超聲波雷達的不足也是顯而易見(jiàn)的。尤其是汽車(chē)在高速行駛過(guò)程中，由于超聲波信號的傳播延遲，接收到的信息會(huì )出現一定的延遲。另外，超聲波設備也存在方向性差的問(wèn)題，需要更多的設備來(lái)覆蓋同一個(gè)區域，而且天氣條件也會(huì )極大地影響它們的探測效果。
不過(guò)，這并沒(méi)有影響超聲波雷達在汽車(chē)行業(yè)的應用，非常關(guān)鍵的一點(diǎn)就是它的超高性?xún)r(jià)比。市場(chǎng)上單個(gè)超聲波雷達的售價(jià)僅為數十元人民幣，按照一套倒車(chē)雷達系統安裝4個(gè)超聲波雷達計算，硬件成本還不足二百元。自動(dòng)泊車(chē)系統雖然需要的超聲波雷達數量多一些，但硬件總成本也能控制在五百元左右。與動(dòng)不動(dòng)就要數萬(wàn)元甚至數十萬(wàn)元的激光雷達相比，超聲波雷達在成本方面的優(yōu)勢實(shí)在太突出了。據稱(chēng)，特斯拉對超聲波雷達就格外偏愛(ài)，在泊車(chē)輔助中就使用了8顆，在輔助駕駛中使用12顆。
02 激光雷達：自動(dòng)駕駛不可或缺
激光雷達（light detection and ranging，LiDAR），意為激光探測和測距，它是在雷達和聲納之后出現的一項傳感技術(shù)，使用激光脈沖掃描環(huán)境，而不是無(wú)線(xiàn)電波或聲波，波長(cháng)為納米級。在汽車(chē)采用的所有傳感技術(shù)中，激光雷達屬于新鮮事物，對于自動(dòng)駕駛汽車(chē)而言具有舉足輕重的地位。
激光雷達可以提供最精確的三維地圖，并能掃描自動(dòng)駕駛汽車(chē)周?chē)?60度空間，范圍可達100米左右。有些激光雷達系統甚至提供多達64個(gè)通道，每秒掃描超過(guò)100萬(wàn)個(gè)點(diǎn)。這些信息量可提供2厘米的高精度，以應對不斷變化的環(huán)境。除了獲得位置信息，激光信號的反射率還可以區分目標物質(zhì)的材質(zhì)。
按照功能劃分，激光雷達系統可分為機載激光雷達（Airborne LiDAR）和陸地激光雷達（Terrestrial LiDAR）兩大類(lèi)。機載激光雷達主要安裝在直升機或無(wú)人機上用于收集數據。地面激光雷達系統通常安裝在移動(dòng)的車(chē)輛或地面的三腳架上，用于收集準確的數據點(diǎn)。自動(dòng)駕駛汽車(chē)采用的是移動(dòng)地面激光雷達系統，僅僅使用一個(gè)激光雷達，即可在同一時(shí)間以光速掃描多個(gè)角度，從而創(chuàng )建一個(gè)詳細的周邊三維圖像或地圖。
由于激光雷達使用激光和反射鏡進(jìn)行回波成像，并實(shí)時(shí)繪制周?chē)h(huán)境的地圖，因此其測量精度明顯高于超聲波雷達。如今，激光雷達已被應用于許多關(guān)鍵的汽車(chē)和移動(dòng)應用，包括先進(jìn)駕駛員輔助系統（ADAS）和自動(dòng)駕駛系統中。在實(shí)際應用中，該技術(shù)可與其他感官數據相結合，為車(chē)輛環(huán)境中的靜態(tài)和移動(dòng)物體提供更可靠的表征。
總體來(lái)看，極高的分辨率和精確度、快速而直觀(guān)的測試結果，是激光雷達能夠用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的優(yōu)勢所在。要說(shuō)缺點(diǎn)，目前激光雷達的體積依然較大，且價(jià)格不菲，這也是激光雷達技術(shù)很難在汽車(chē)行業(yè)大規模應用的重要原因。
03 毫米波雷達：向77-79GHz邁進(jìn)
相比激光雷達的復雜反射鏡和激光器，毫米波雷達的裝置要簡(jiǎn)單多了，但它的信號傳輸速度比超聲波更快、更精確。毫米波雷達通常工作在24GHz和77-79GHz，基本不受熱或光等環(huán)境因素的影響。毫米波天線(xiàn)也比超聲波天線(xiàn)小得多，功率更低，很容易與車(chē)輛設計融為一體。另外，它們可以調整為短、長(cháng)、寬或窄的探測范圍，以滿(mǎn)足特定應用的需要。
傳統的24 GHz窄帶汽車(chē)雷達在區分物體和區分人、狗、其他汽車(chē)等方面有一定的局限性。目前，以24GHz窄帶傳感器為主流的汽車(chē)雷達傳感技術(shù)正朝著(zhù)76-81GHz頻段、調頻連續波（FMCW）和波束成形天線(xiàn)的方向快速發(fā)展。其中，76GHz用于遠程檢測，77-81GHz頻段用于短距離、高精度檢測。
我們知道，距離測量誤差和最小可分辨距離與帶寬成反比。從24GHz過(guò)渡到79GHz，在距離分辨率和精確度方面的性能可提高近20倍。也就是說(shuō)，24GHz系統的距離分辨率為75cm，將其換成79GHz系統，那么分辨率就將達到4cm，能夠更好地檢測相鄰的多個(gè)物體。同樣，在波長(cháng)較小的情況下，速度測量的分辨率和精度也將成比例的提高。
采用79GHz雷達系統的另一個(gè)優(yōu)勢是設備的尺寸和重量將大幅下降。由于79GHz信號的波長(cháng)約為24GHz系統的三分之一，因此79GHz天線(xiàn)的總面積只相當于24GHz天線(xiàn)的九分之一。開(kāi)發(fā)人員可以使用更小更輕的傳感器，并且很容易將其隱藏起來(lái)，以獲得更好的燃油經(jīng)濟性和汽車(chē)外形設計?？梢哉f(shuō)，76-81GHz毫米波雷達是一個(gè)面向未來(lái)的ADAS以及自動(dòng)駕駛的傳感技術(shù)。
04 汽車(chē)傳感技術(shù)的融合
除了上述三種傳感技術(shù)，車(chē)載攝像頭也是在汽車(chē)中廣泛使用的傳感器，限于篇幅，本文未做具體介紹。不可否認的是，在當前的車(chē)輛中，車(chē)載攝像頭充當了ADAS系統的主要視覺(jué)傳感器。借由鏡頭采集圖像并通過(guò)攝像頭內的感光組件及控制組件對圖像進(jìn)行處理，然后轉化為可供電腦做進(jìn)一步處理的數字信號，實(shí)現對車(chē)輛周邊的路況感知，包括前向碰撞預警、車(chē)道偏移報警、行人檢測等功能。
任何一種傳感技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)與局限性，汽車(chē)工業(yè)也不會(huì )僅僅依賴(lài)一種傳感技術(shù)實(shí)現其自動(dòng)駕駛功能。大多數廠(chǎng)商都是將這三種傳感技術(shù)結合在一起，以確保他們的自主駕駛系統在范圍、分辨率和魯棒性方面獲得可靠的數據。雖然目前的傳感方案還無(wú)法提供足夠的數據來(lái)實(shí)現全自動(dòng)駕駛，但它們已經(jīng)通過(guò)ADAS系統大幅降低了駕駛員的人為錯誤。
反過(guò)來(lái)，ADAS技術(shù)的采用以及無(wú)人駕駛汽車(chē)的出現進(jìn)一步促進(jìn)了汽車(chē)傳感器技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展。根據市場(chǎng)調研機構MarketsandMarkets的預測，到2025年，汽車(chē)傳感器市場(chǎng)將從2020年的245億美元增長(cháng)到403億美元，在2020年至2025年期間復合年增長(cháng)率為10.5%。而全球機動(dòng)車(chē)產(chǎn)量以及汽車(chē)電氣化需求的增加，包括消費者對汽車(chē)安全性和舒適性需求的提升，是推動(dòng)汽車(chē)傳感器市場(chǎng)增長(cháng)的主要因素。
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