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毫米波雷達(dá)是什么?自動(dòng)駕駛、智能家居都少不了它!

2019-02-14 08:44 dahetalk

導(dǎo)讀:我們?cè)凇救f(wàn)物聯(lián)網(wǎng),淺談IoT低功耗廣域網(wǎng)趨勢(shì)】中談過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu),分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用服務(wù)層。這一次,我們回歸物聯(lián)網(wǎng)的源頭,來(lái)談?wù)劯袦y(cè)層中成長(zhǎng)速度驚人的“毫米波雷達(dá)”。

圖片來(lái)源:https://pixabay.com/photo-1036354/

我們?cè)凇救f(wàn)物聯(lián)網(wǎng),淺談IoT低功耗廣域網(wǎng)趨勢(shì)】中談過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu),分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用服務(wù)層。這一次,我們回歸物聯(lián)網(wǎng)的源頭,來(lái)談?wù)劯袦y(cè)層中成長(zhǎng)速度驚人的“毫米波雷達(dá)”。

開(kāi)始之前,先復(fù)習(xí)一下三個(gè)基礎(chǔ)的通訊原理。

1. 電磁波(Electromagnetic wave)是由互相垂直的“電場(chǎng)”與“磁場(chǎng)”交互產(chǎn)生的一種能量。

2. 在數(shù)學(xué)上,“毫”代表的是“千分之一”,數(shù)學(xué)代號(hào)為m。當(dāng)數(shù)學(xué)代號(hào)“毫”加上“米”這個(gè)單位的時(shí)候,“毫米”就代表“千分之一公尺”的意思,也就是millimeter(縮寫(xiě)mm)。

3.“波長(zhǎng)”指的是電磁波的波峰到波峰的距離,通常以毫米(mm)、微米(μm)或是奈米(nm)為單位;“頻率”則指電磁波每一秒震動(dòng)的次數(shù),以“赫茲(Hz)”作為單位。其中,最重要的特性就在于“波長(zhǎng)”與“頻率”成反比。

回歸正題,毫米波就是指波長(zhǎng)介于1~10毫米(mm)的電磁波。若以頻率來(lái)?yè)Q算的話(huà),大概是工作在10~300GHz的頻率,高于無(wú)線(xiàn)電波,低于可見(jiàn)光及紅外線(xiàn)。

一、什么是“毫米波雷達(dá)”?

毫米波雷達(dá),指的是工作在毫米波波段(millimeter wave)的雷達(dá),透過(guò)天線(xiàn)發(fā)射毫米波,及接收障礙物反射回來(lái)的訊號(hào),來(lái)計(jì)算出與目標(biāo)的相對(duì)速度、距離以及角度。

說(shuō)到這,你可能會(huì)好奇,毫米波雷達(dá)到底厲害在哪?與我們常聽(tīng)到的紅外線(xiàn)雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、光達(dá)又有什么差異?而最近AI影像辨識(shí)興起,攝影機(jī)是不是也有機(jī)會(huì)取代掉傳統(tǒng)雷達(dá)呢?

其實(shí),這五種感測(cè)方式各有擅長(zhǎng)。例如,紅外線(xiàn)、超聲波雷達(dá)的價(jià)格雖然較低,但是可探測(cè)的距離過(guò)短;攝影機(jī)雖然可分辨障礙物的大小與顏色,但就像人類(lèi)的眼睛一樣,易受天氣因素影響。

光達(dá)雖然精準(zhǔn)度高,但有天氣因素制約,且目前價(jià)格少說(shuō)一顆也要400美元,離大量普及還有一段時(shí)間。至于毫米波雷達(dá),雖然價(jià)格適中,不易受環(huán)境影響,但精度卻也遜于光達(dá)。

因此,目前看來(lái),并沒(méi)有哪一類(lèi)型的感測(cè)方式獨(dú)霸一方,實(shí)務(wù)上反倒是在各應(yīng)用場(chǎng)景中互相搭配、各取所需。例如,在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域中,超聲波雷達(dá)、紅外線(xiàn)傳感器、光達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝影機(jī)便會(huì)各司其職,在性能上互補(bǔ),可參考下表。

根據(jù)日本YANO Research Institute的研究報(bào)告,幾個(gè)主流的傳感器中,除了紅外線(xiàn)傳感器、超聲波雷達(dá)的成長(zhǎng)幅度相對(duì)持平,其他像是毫米波雷達(dá)、攝影機(jī)、光達(dá)等傳感器皆顯著成長(zhǎng)。其中,毫米波雷達(dá)更是這幾年來(lái)成長(zhǎng)最快速的類(lèi)別。

二、24GHz、60GHz、77GHz和79GHz車(chē)載毫米波雷達(dá)的發(fā)展

如同前面所提,毫米波是指工作介于10~300GHz的頻段,雖然目前各國(guó)針對(duì)車(chē)載毫米波雷達(dá)所分配的頻段各有不同,但主要還是集中于24GHz及77GHz,只有少數(shù)國(guó)家如日本則采用了60GHz頻段。

2015年的世界無(wú)線(xiàn)電通信大會(huì)上,各國(guó)將77GHz頻段劃分為「車(chē)載高分辨率雷達(dá)頻段」,因此77GHz瞬間成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。由于高頻段的77GHz相對(duì)于24GHz具有諸多優(yōu)勢(shì),也使得日本從60GHz逐漸轉(zhuǎn)而開(kāi)發(fā)77GHz的毫米波雷達(dá)。

在分析24GHz、77GHz、79GHz各頻段之優(yōu)劣前,我們?cè)傺a(bǔ)充三個(gè)電磁波原理,等等比起來(lái)會(huì)更有感覺(jué)。

1. 根據(jù)電磁波原理,當(dāng)天線(xiàn)長(zhǎng)度為電磁波波長(zhǎng)的1/2或1/4時(shí),收訊情況最好。換言之,頻率越高、波長(zhǎng)越短,天線(xiàn)就可以做的越小,雷達(dá)體積也會(huì)較小。

2. 高頻電磁波也代表著能量較高,因此不用消耗很多電力,就能讓天線(xiàn)產(chǎn)生足夠的增益(Gain)傳送比較遠(yuǎn)的距離。不過(guò),高頻電磁波的繞射性質(zhì)比較差,不容易繞過(guò)障礙物,所以室內(nèi)接收訊號(hào)的質(zhì)量會(huì)比較差。

3. 毫米波雷達(dá)“分辨率”的定義為:“雷達(dá)可以區(qū)分的兩個(gè)物體的最近距離”。例如,若兩個(gè)物體靠的太近,那么雷達(dá)可能會(huì)把它視為一個(gè)物體,如果分開(kāi)一點(diǎn),雷達(dá)便會(huì)視為兩個(gè)物體。簡(jiǎn)言之,可以讓雷達(dá)辨別出“這里有兩個(gè)物體,而不是一個(gè)物體”的前提下,兩物體之間的最短距離,就是雷達(dá)的分辨率。

分辨率的計(jì)算公式為光速/(2倍的雷達(dá)帶寬),因此24GHz(250MHz帶寬)的分辨率為0.6m,77GHz(1GHz)的分辨率為18cm。4GHz帶寬的毫米波雷達(dá)分辨率可以做到5cm。

由于24GHz毫米波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)(約1.25cm),故其天線(xiàn)、雷達(dá)體積會(huì)相較77GHz(約4mm)來(lái)得大。不過(guò),由于24GHz雷達(dá)的「繞射能力」較強(qiáng),因此24GHz毫米波雷達(dá)主要用于小于50公尺的短距離偵測(cè)。

77GHz雷達(dá)由于頻率較高,具有精度高、訊號(hào)穿透性佳等優(yōu)點(diǎn),因此77GHz的毫米波雷達(dá)主要適用于長(zhǎng)距離(約250公尺)偵測(cè)。

至于79GHz,由于24GHz ISM頻段的帶寬只有250MHz,使得其「分辨率」與「探測(cè)距離」有其限制,因此,2015年國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)決定開(kāi)放76GHz~81GHz頻段供車(chē)載雷達(dá)應(yīng)用。79GHz不僅較24GHz車(chē)載雷達(dá)帶寬更大,讓分辨率得以壓縮至5公分,而設(shè)備體積也更小,更易于后續(xù)安裝。

整體看來(lái),汽車(chē)毫米波雷達(dá)不斷朝高精度需求發(fā)展,使得雷達(dá)系統(tǒng)持續(xù)從24GHz往77GHz、79GHz升級(jí)。我們可以預(yù)測(cè),未來(lái)車(chē)載雷達(dá)頻段將趨向76GHz~81GHz之間,最終以77GHz雷達(dá)作為長(zhǎng)距通信的載體,79GHz作為短距通信的載體。

三、全球汽車(chē)毫米波雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈

打開(kāi)毫米波雷達(dá)的硬件結(jié)構(gòu),主要零組件包括發(fā)射器、接收器、訊號(hào)處理器、電路板以及天線(xiàn)等等。除了硬件的組成外,毫米波雷達(dá)如何透過(guò)算法,來(lái)取得分析結(jié)果,也是一門(mén)很大的學(xué)問(wèn)。

在了解雷達(dá)的基本構(gòu)造后,接下來(lái)我們來(lái)看看全球汽車(chē)毫米波雷達(dá)的產(chǎn)業(yè)鏈,從上游的芯片、電路板開(kāi)始,再到中游的車(chē)用電子系統(tǒng)廠(chǎng),最后再到下游的車(chē)廠(chǎng),市場(chǎng)分布狀況可參考下圖。

a.上游:芯片廠(chǎng)

毫米波雷達(dá)的核心芯片主要來(lái)自于國(guó)際大廠(chǎng),這幾年不少I(mǎi)C廠(chǎng)商推出毫米波雷達(dá)SOC芯片,將微控制器(MCU)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、訊號(hào)放大器及負(fù)責(zé)收發(fā)雷達(dá)波的射頻芯片全部整合在在單一芯片上,例如NXP的77GHz SOC感測(cè)芯片、Infineon的79 GHz SOC感測(cè)芯片等。

以市場(chǎng)占有率來(lái)看,目前國(guó)際市場(chǎng)主要被恩智浦(NXP)、英飛凌(infineon)、德州儀器(TI)等芯片設(shè)計(jì)公司占據(jù)。

b. 中游:車(chē)用電子系統(tǒng)廠(chǎng)

至于中游的毫米波雷達(dá)市場(chǎng),幾乎被奧托立夫(Autoliv)、博世(Bosch)、大陸集團(tuán)(Continental)、德?tīng)柛?Delphi)、天合汽車(chē)集團(tuán)(TRW)、法雷奧(Valeo)、海拉(Hella)、電裝(Denso)、富士通(Fujitsu)等國(guó)際廠(chǎng)商壟斷。

若以中國(guó)的毫米波雷達(dá)市場(chǎng)占有率來(lái)看,24GHz雷達(dá)市場(chǎng)主要由博世(Bosch)、法雷奧(Valeo)、海拉(Hella)所主導(dǎo),合計(jì)市場(chǎng)占有率60%以上;77GHz雷達(dá)主要由博世(Bosch)、大陸集團(tuán)(Continental)和德?tīng)柛?Delphi)主導(dǎo),合計(jì)市場(chǎng)占有率更是高達(dá)80%。

臺(tái)灣地區(qū)也不乏發(fā)展汽車(chē)毫米波雷達(dá)系統(tǒng)之廠(chǎng)商,例如啟碁電子(6285)、為升科技(2231)、明泰科技(3380)等,皆陸續(xù)出貨24GHz毫米波雷達(dá),至于77GHz產(chǎn)品則多處于客戶(hù)驗(yàn)證的階段。此外,其他廠(chǎng)商包括輝創(chuàng)科技、同致電子(3552)等公司,亦積極發(fā)展毫米波雷達(dá)。

c.下游:車(chē)廠(chǎng)

為了實(shí)現(xiàn)ADAS的各項(xiàng)功能,一臺(tái)車(chē)至少需要「1長(zhǎng)」+「4中短」,共5個(gè)毫米波雷達(dá)。因此,目前像是BMW、Benz、Audi、Toyota、Ford,甚至是電動(dòng)車(chē)大廠(chǎng)Tesla、小鵬汽車(chē)都在其車(chē)款中,配置多個(gè)毫米波雷達(dá)。

四、3個(gè)新創(chuàng)的機(jī)會(huì)點(diǎn)

以24GHz的毫米波雷達(dá)來(lái)看,除了市場(chǎng)擁擠外,國(guó)際Tier 1大廠(chǎng)在技術(shù)上也已深耕許久,新創(chuàng)公司較難以進(jìn)入。不過(guò),由于這些Tier 1的售價(jià)居高不下,且市場(chǎng)板塊也漸漸邁向77GHz、79GHz等頻段,使得新創(chuàng)公司有一個(gè)不錯(cuò)的機(jī)會(huì)點(diǎn),可以從提升精度、降低成本來(lái)努力。

另外,在目前各類(lèi)型的雷達(dá)各有優(yōu)缺下,結(jié)合攝影機(jī)、毫米波雷達(dá)、光達(dá)等多合一功能的傳感器也逐漸興起。例如,AEye開(kāi)發(fā)的iDAR傳感器,不僅做到降低成本,也同時(shí)提供相機(jī)與光達(dá)組合的性能,不僅辨識(shí)范圍高達(dá)300米,也具備相機(jī)辨識(shí)顏色與交通號(hào)志的特性。

最后,一般來(lái)說(shuō),傳統(tǒng)車(chē)廠(chǎng)基于技術(shù)可靠度,其實(shí)不大敢用新創(chuàng)公司的產(chǎn)品。若硬要跟這些車(chē)廠(chǎng)周旋,也往往曠日費(fèi)時(shí),有時(shí)一不小心就榨干了新創(chuàng)公司的資源。其實(shí),除了車(chē)用市場(chǎng)外,毫米波雷達(dá)也開(kāi)始擴(kuò)展到其他新興領(lǐng)域,值得新創(chuàng)觀(guān)察。

例如,24GHz毫米波雷達(dá)就廣泛地用于智能家居、智能開(kāi)門(mén)系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人等等。60GHz雷達(dá)除了上述應(yīng)用外,也適合做一些生命特征感測(cè),用以偵測(cè)心跳及呼吸。甚至,毫米波雷達(dá)也可整進(jìn)智能音箱,透過(guò)偵測(cè)使用者的遠(yuǎn)近、手勢(shì)變化,來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。相較于車(chē)用市場(chǎng),這些應(yīng)用進(jìn)入門(mén)坎較低,也是新創(chuàng)公司的另一個(gè)機(jī)會(huì)點(diǎn)。