汽车雷达—地位与趋势

汽车雷达——地位和趋势

摘要：本论文对汽车雷达进行了简要的综合概述。短波和长波雷达频率调整的情形已被总结，因为它们对汽车制造商和传感器供应商很重要。简单介绍了前段概念和24GHz、77GHz传感器的天线技术。讨论了它们对传感器的视野和对角度的测量能力的影响。特别是考虑了数字多波束形成技术概念并取得了理想的结果。

Ⅰ、引言

汽车雷达领域的第一次试验发生在上世纪50年代后期。上世纪70年代，或多或少的密集的雷达发展开始在微波频率。近几十年的活动主要集中在17、24、35、49、60、77GHz。甚至从汽车雷达开始的早期，所有调查的驱动力是避免碰撞的想法。对全世界的许多工程师而言，这个想法已经使他们花了巨大的精力来发展智能车载雷达装置。在这段相当长的时间里，在微波和雷达信号处理领域获得了许多实践知识。伴随着在半导体微波源(尤其是Gunn源和砷化镓单片微波集成电路)和微控制器和数字信号处理单位的可用的计算能力方面的显著进步，汽车雷达的商业化在上世纪90年代变得可行。

在汽车上围绕遥感及监视技术的竞争是激光雷达，超声波和摄像机（基于CCD以及包括近红外敏感的CMOS芯片）。为了提高关于功能性、鲁棒性、可靠性，不利的天气条件等情况下的舒适和安全功能，汽车制造商和供应商提高了传感器的优化配置。另外还有总系统的成本必须满足市场销售的目标来吸引汽车用户。首先应用围绕遥感技术

的是停车辅助系统（基于超声波），碰撞预警,自适应巡航控制系统(ACC)。例如，上世纪90年代，美国成功的引进了碰撞预警系统。在他们美国的公交线路上，灰狗安装了超过1600个雷达系统(24GHz) ，与去年相比, 1993年的汽车事故发生率减少了21%。

自适应雷达巡航控制系统在日本第一次商业化是在1995年。而激光雷达——自适应巡航控制系统（Lidar—ACC）在日本特别受青睐，欧洲和美国的公司将主要发展集中在了基于自适应巡航系统的雷达。在1999年，奔驰在其S车型上引入了77GHz的车距控制系统（ Distronic），紧接其他高级车型选择性的装备了自适应雷达巡航控制系统，例如宝马7系列，美洲豹(XKR,XK6)，凯迪拉克(STS,XLR)，奥迪A8,和大众辉腾。自适应雷达巡航控制系统同样在奔驰E,CL,CLK,SL车型，宝马 5系和6系，奥迪 A6，尼桑（Cima, Primera），丰田（Harrier,Celsior）,雷克萨斯（LS ,GS）和本田（Accord,Inspire,Odyssey）上得到了利用。此外，从2005生产的产品开始，自适应巡航系统将成为新的宝马3系和新的大众帕萨特的选择。

尽管到目前为止，欧洲汽车制造商仅仅为自适应雷达巡航控制系统提供77GHz的系统，但是他们日本竞争对手本田和丰田为了减少碰撞（特别是对自适应雷达巡航控制系统），在2003年，基于77GHz远程雷达(LRR) 技术，引入了积极制动辅助系统。相比之下，自适应雷达巡航控制系统只有光滑减速性能（因为自适应雷达巡航控制系统仅仅的市场销售性是舒适性能），积极的制动辅助系统

提供了更高的制动力量来减速,当识别了威胁情况和司机开始制动时，但是也许为了避免撞车它不是那么必须的。

这表明将从“仅仅舒适”的功能到拥有雷达遥感技术的主动安全系统，这种技术为舒适和安全领域服务。在未来几年内，这些主动安全系统将被引入到欧洲。奔驰将在2003年在它们的S车型中开始它的第一代预安全性系统，这种系统不是基于环绕传感技术而是（仅仅是）依赖电子稳定程序（ESP）的数据和防抱死制动系统（ABS）。如果这些控制单元由于汽车的动态变化而识别了突发的事故，电子安全带张力器将被激活，座位的方向将被调整，同时天窗将被关闭。

这个改良过程的下一步将是为反应和自动激励的合适保护措施提前获得更多的毫秒级的时间。博世将其命名为“预测安全系统”（PSS），这将有三个主要阶段。第一阶段（PSS1，将在2005年推出）是一个预设的制动系统。只要当一个威胁被77GHz的远程雷达确定时，刹车系统将被预制，而这些不会引起司机的注意。但是在这种情况下当司机踩下制动踏板，将没有任何延迟的达到最大制动力。在第二阶段（PSS2,2006）司机将在危险的情况下被通知有一个自动，短促但是加强的制动激活，伴随着光学或声学信号。在第三阶段（PSS3）若是撞车无法避免，一个自动的紧急刹车将启动。博世最近从德国ADAC汽车俱乐部（类似于美国的AAA）在创新的范畴内为PPS授予黄天使奖。

短程雷达将首先安装在投保类别的客车中，将为碰撞前传感、

指挥中心的支持、停车协助、盲点监控。优先微波技术是24GHz在毫米范围内有高分辨率的超宽带操作。

Ⅱ.频率调整

在过去的几年里，在汽车雷达频率调整方面取得了很大的进展。上世纪90年代在欧洲（ETSI EN 301 091）伴随着一套标准，76—77GHz的波段是已经被管制的。现在，在欧洲，北美和日本，这个波段是分配给智能交通服务的。

对短程应用超宽带传感器被广泛优先使用，因为它们低成本的前景和在厘米范围内的高分辨率。在2002年美国联邦通讯委员会为北美市场已经规范了超宽带。对汽车超宽带短程雷达系统，联邦通讯委员会分配了22—29GHz的波段，其最大的平均功率密度为 -41.3 dBm/MHz。

在2002年，超过30个欧洲主要汽车制造商和供应商创立了短距离的汽车雷达频率分配联盟（SARA）。SARA的主要目的是在欧洲为24GHz范围内的汽车雷达提供超宽频规定的支持。因为电信行业和地球观测机构的强烈反对，把很多的努力用在了去寻找一个折中方案和去使汽车超宽带雷达系统成为可能。在2005年1月17号，欧洲经济共同体委员会最终决定将范围为21.65—26.65GHz的波段分配给超宽频短范围的雷达。这些系统将被允许从2005年7月营销至2013年6月。在欧共体的每个国家所有车的穿透率被限制为7%。人们期待：八年的时间将足以发展便宜的工作在一个新频率的短程雷达传感器，且不影响其他商业，科学，军事系统和技

术服务。因此，在2004年3月欧洲委员会将频率范围为77—81GHz的波段分配给超宽频近程雷达，允许其从2005年开始使用。预想这个波段的分配也将在日本和北美发生，近程雷达的供应商可能会在中期将他们的超宽频发展从24GHz调整为79GHz。

Ⅲ. 前端技术和天线的概念

功能上的要求,传感器安装的有限的空间、法律法规,设备的制造成本,营销计划主要决定选择传感器的观念。远程雷达的一个主要的要求是它的能力范围达到150——200米。针对一个单站雷达的雷达方程式为：

我们知道Rmax的最大射程是正比于有效的天线A孔径尺寸平方根和频率的平方根。σ表示目标的反射率，PTx表示传送功率以及Pmin表示所需的最小检测功率。因此,最高频率可优先得到小盒子卷（？）。但是这种需求与节约微波技术成本的能力相反。这77GHzLRR传感器天线面积可以减少大约50×50平方毫米。即使当灵敏度足够时，高的天线方向性和低旁瓣仍然是必要的，以应付护栏和与环境无关的道路行车线的影响。

A.24GHz传感器

近程雷达传感器不需要远程的能力。因此,低频率的将优先使用,使可用微波元件也使用在通信产业。今天24GHz技术似乎在组件成本和传感器的尺寸之间最好的选择。通常,近程雷达传感器不测量被检测对象的角度,他们有一种十分广阔的横向范围。因此,单天线元件足

够了。只有垂直电波是针对增加天线增益和避开从路面干扰的影响

[1]。 通常近程雷达传感器在脉冲模式下(脉冲,脉冲多普勒)或连续波模型操作（连续波，调频连续波，频移键控，调频连续波和频移键控）。同时编码雷达与扩频技术(脉冲,CW型,pseudo-noise)是一种常见的技术。例如,德尔斐的17GHz雷达是一种有伪噪声（PN）二进制相移键控调制的相编码连续波雷达。M/A-Com传感器是一种脉冲雷达。海拉正在发展一个短距离的应用的24GHz超宽频雷达以及窄带雷达经营许可证，其范围的最大射程70米的24兆赫ISM [2]。不仅测量目标的距离也测量他们的 角位置,同时几个邻近的传感器都可以使用。他们的目标的距离测量与角位置测量的算法融为一体。

Valeo-Raytheon正在研发一种多波束相控阵列近程雷达，它本身提供本身的角度信息。

B.77GHz 传感器

主要的77GHz LRR传感器制造商是ADC(M / A-Com合作的大陆的子公司Temic), Bosch, Delphi, Denso, TRW (自动巡航),Fujitsu Ten, and Hitachi。图1显示博世的LRR的第二代、其生产已经开始于2004年。该系统仅具有一个盒子大小74×70×58 mm3(H xW×D)和包含所有的感应和指挥中心的功能。77兆赫电路中包含4个供给元素(polyrods)直接连接到射频(RF)板上4个修补元素,照亮介质透镜。单站模拟波束形成方法的结果是一个广泛的照明传输光束和四个单接受光束， 这部分重叠产生总方位方位角± 8度的覆盖面，见图2。调制调频连续波是一个三角形的形状[3] 。

图1 博世ACC的第二代 图2 博世ACC第二代接受波束图形

汤姆森拉莫伍尔德里奇公司（TRW）还使用介质透镜概念而ADC（相应的M / A-COM ）利用一个低糙度折叠结构，导致传感器深入 5厘米。其他公司(德尔菲法、富士通十、三菱电气、摄氏度科技) 使用机械机制引导光束方位。虽然机械雷达扫描仪产生相当不错的检测性能，但可能他们的机械可靠性敏感超过寿命，另外他们进一步的小型化也可能受限。德尔福和富士通的机械雷达产品在成批量的生产。

IV.数字波束形成概念

前端数字波束形成的77GHz雷达传感器在2003年被日本公司引入市场。日本电装公司建了一个收发分置的LRR，它拥有平面贴片天线，其范围能力可达150米以及大概的视野在±10度[4]。九根接收天线是四个77GHz的SP3T多路复用并转换为只有一个基带信道，见图3。

图 3. Denso’s 77 GHz DBF sensor [4]

丰田CRDL LRR 77GHz雷达(图4,[5])转换3根平等的传送天线和3接收

天线,其结果也产生基带信道,同时，在数字领域的多路分配后，数字波束形成有九条数字接受渠道。

图4 丰田数字波束形成 CRDL雷达, 77 GHz, [5]

A.信号到达方向的估计

所有作为单脉冲技术的常规的信号波方向估计方法（部分重叠波里比较接收到的信号）或空间功率谱测量技术（机械扫描,相控阵）确实在半功率波束宽度内有一个角度分辨率。因此,角分辨率直接取决于孔径尺寸,因为3分贝的直径D的天线波束宽度以及连续的照度大概是：

因此，77GHz传感器的远程角度分辨率是典型地在2°—5°范围。为了克服这个限制，基于子空间技术的参数估计方法可以应用。这些方法依赖于一个子空间的分解，多重天线元素的列阵 接受的有噪声的信号（？）。用与一个特征值分解的自相关矩阵的接收到的信号的均匀线阵，信号噪声和子空间能决定。了解这些子空间，DOA的目标可以估计。 众所周知的阵列信号处理中的理论是Music和Esprit算法[6,7]。我们将这些技术应用到带有数字波束形成的24 GHz 近程雷达以及在2002年发表了预期的结果。

在我们的进一步工作中，我们开始将这种方法转移到77GHz的领域

中。我们目前研究活动的主要目标是获取77GHz数字波束形成概念的实际知识以及与参数估计技术结合的效益，调查他们对发展成就的影响。图片5显示了我们的由8个平行接受柱组成的均匀线性阵列的77GHz数字波束形成前段之一。发射天线由4根柱组成，四根柱有导出一个大约为-27dB低副瓣电平的锥形功率分配。这3dB的发射天线波束宽度大约26°以及天线增益是20.5dB。

图表5：77GHz收发数字波束形成前段有8个接受信号的和4个（来自一个功率分配器）发射信

号的临时天线柱

另一远程操作的扩展列阵的前端被放置在了防水的住房和安置在我们的测试车辆，见图6。我们在77GHz数字波束形成的展示板的参数估计技术实施的第一个研究结果如图7所示。标号1和2表明Esprit 算法的估计。尽管DBF传感器的虚拟梁的半功率射束宽度大约是8.5°，这俩汽车和他们的角距小于4°的被检测到并且在这两目标之间没有危险对象出现。

图片6：载有77GHz 数字波束形成展示板的测试车辆（同时插在右下角）

图片7：在同样距离下进行角测量的两辆汽车

Ⅴ.总结

最迟在2013年以超宽带运行的24GHz和79GHz短程雷达将首次在投保的汽车上使用，之后将在高级车系上使用。主要的应用是在ACC(自适应性巡航系统)支持、防撞检测、泊车协助和盲点监控。24GHz的近程雷达将在2005引入市场。近程雷达传感器在第一代中将没有角度测量性能（除Valeo-Raytheon传感器），但是未来的几代中将也能提供角度信息。尽管这些传感器将更加昂贵，但它们将有助于减少整个传感器数目，因此它们将减少整个系统的花费。77GHz自适应巡航系统将被延伸到在低速下的运行，包括全速停止能力。这将为客户提供更多的利益以及它将显著地有助于ACC系统的市场成功。同样的77GHz传感器不仅将用于舒适驾驶（ACC 停止和前进）而且还用于预测和主

动安全系统。主动安全系统在不可避免的事故情况的一个自动紧急刹车将是交通事故和死亡人数总数量相当大减少的关键。

77GHz传感器检测性能将被进一步的提高，例如关于误警率和反应时间。同时传感器的价格会降低。平面天线和数字多波束形成技术为77GHz雷达提供有趣的前端概念。这些技术可能对高容量产品可行，同时77GHz 部件和强大数字信号处理单元的花费将进一步降低。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/r7mm.html