导语
每年有125万人死于车祸，其中94%以上是人为失误（酒后驾驶、超速行驶、无视交通信号、开车时发短信）。你能想象125万人是怎样的一个数字吗？这相当于每天有7500架客机坠毁。
为了降低汽车事故发生的可能性，汽车制造商、汽车供应商、政府、学术界甚至非汽车技术供应商都在联合开发先进的驾驶员辅助系统（ADAS），目标是最终能够开发出自动驾驶车辆。
这一新的汽车生态系统结合了多种先进技术，如：
1）多传感器融合：无线电探测和测距（雷达）、光探测和测距（激光雷达）以及光学传感器（摄像机）的融合。
2）高速信息系统：集成了汽车以太网网络、强大的信号处理、高清晰度（HD）地图和高精度导航以及人工智能（AI）。
3）车联网：车辆到车辆（V2V）、车辆到网络（V2N）、车辆到基础设施（V2I）、车辆到行人（V2P）、车辆到公用事业（V2U）以及最终车辆连接到所有事物（V2X）的通信。
每一种传感技术都有其优点和局限性，汽车工业不能仅仅依靠一种传感技术。自动驾驶行业的大多数领先企业都将这三种传感技术结合在一起，以确保其自动驾驶系统在范围、分辨率和鲁棒性方面能够获得可靠的数据组合。
注释：所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持其它某些性能的特性。也就是系统的健壮性，是在异常和危险情况下系统生存的关键。比如说，计算机软件在输入错误、磁盘故障、网络过载或有意攻击情况下，能否不死机、不崩溃，就是该软件的鲁棒性。
自动驾驶汽车技术能够提高驾驶安全性，从而挽救生命，这就是它所能给人类社会带来的巨大好处。但在此之前，开发人员需要确保自动驾驶汽车的技术的安全和可靠的。
近几年来，自驾汽车与行人的碰撞事故频频发生，这引发了人们的担忧。民众和监管机构必须见到有力的证据，来证明自动驾驶汽车的误差接近于零。否则，无论自动驾驶技术能在多大程度上缓解人为交通事故，民众和监管机构都将限制自动驾驶汽车的大规模部署。
为了解决这些问题，设计工程师们必须使用全天候全工时工作的传感器，以及最安全可靠的传感器技术。除此之外，为了证明其传感器和技术的准确性和可靠性，还需要使用最佳模拟和测试方案来验证。
三种主流传感器技术
在三种传感器中，激光雷达是汽车领域相对较新的应用系统，但正愈来愈引起人们的注意。系统和半导体供应商们正专注于研发和改进新的解决方案，并计划2020/2021年将样件应用起来。
激光雷达通过激光扫描自动驾驶汽车周围100米（300英尺）范围内的360度空间，可以绘制出精准的三维地图。部分激光雷达系统每秒可以提供多达64个通道和超过一百万个扫描点。这些数量的信息足以提供2厘米（~1英寸）的高精度，以应对不断变化的环境。
然而，基于激光雷达的传感技术还没有在大众市场应用中得到认可。激光雷达能够依靠硬件本身的运动部件进行360度旋转扫描，这确实非常灵活。但激光雷达扫描后产生大量的数据，需要很强的信号处理能力和复杂的数据管理子系统。尽管最近已经有更经济的激光雷达版本不断更新发布，但这些传感器仍然非常昂贵。
光学相机传感是成本最低的技术，但图像处理成本可能很高。光学相机能够提供目标对象的识别和分类，并读取交通标志。然而，基于光学相机的传感技术会受到天气和其他环境条件的影响，因此不能全天候全工时使用。光学相机的局限性会导致自动驾驶车辆发生事故，曾经一辆搭载光学相机传感技术的半自动车辆就曾发生过事故，而原因恰恰是因为光学相机在白色天空的背景下，没能辨认出道路上的白色卡车。
要论探测物体与物体之间距离和运动的最可靠的技术，那还是非汽车毫米波雷达莫属。无论汽车行驶速度多快，无论目标物体在汽车周围的任何位置，几乎是在任何情况下，毫米波雷达利用反射无线电波，都能够在信号较低的情况下，探测其他障碍物，包括障碍物后面的，我们人眼所无法看见的障碍物。
几十年来，毫米波雷达技术在航空、空中交通管制、海上运输、执法、当然还有汽车等许多注重安全的行业得到了证实。
要保证L3及其以上无人驾驶功能的驾驶员辅助系统，至少需要三种传感器系统：光学相机、毫米波雷达和激光雷达探测，以实现提高道路安全性的目标。每种传感器都应当有好几个，分布在汽车的不同位置上，共同工作。
在所有可用的传感器中，汽车毫米波雷达是唯一一个无论光线、黑暗、阳光或雨天，能做到确定车辆本身以及目标的速度、范围和角度三个变量的技术。
宽频带汽车毫米波雷达
以24GHz窄带传感器为主流的汽车毫米波雷达传感技术，正迅速向高频76-81GHz波段和宽5GHz带宽、毫米波、调频连续波形（FMCW）和波束形成天线等方向发展。
76GHz频段用于远程检测，77-81GHz频段则用于短距离、高精度检测，作用不相同。而对开发人员来说，重要的是要了解更高频率、更宽带宽、更先进的汽车雷达系统所带来的改进程度。
带宽与距离测量误差和最小可分辨距离是成反比的。当带宽从24 GHz转换到79 GHz，意味着多提供了20倍的范围分辨率和更高精度的性能。例如，24GHz转换到79GHz，分辨率精度范围则从75cm提高到4cm，这样一来，能够更好的检测多个相邻的对象（图1）。
注释2：毫米波雷达的分辨率。其定义是“雷达可以区分的两个物体的最近的距离”，比如，两个物体靠得很近，那么雷达可能会将其列为一个物体，如果分得开一些，雷达会看到两个物体。那么究竟离多远雷达能区分两个物体间的距离，这个就叫做雷达的分辨率。
同样，波长越短，速度测量的分辨率和准确度也相应增加。因此，通过从24 GHz转换到79 GHz，速度测量可以提高3倍。
从传统的24 GHz转换到79 GHz的另一个优势是尺寸和重量的减小。24GHz频率更低波长更长，因此雷达所需要的天线就更长，做成小体积雷达的难度就更高。由于79GHz信号的波长是24GHz系统的三分之一，频率也更高，79GHz天线总面积自然是24GHz天线总面积的九分之一了。开发人员可以使用更小更轻的传感器，使得汽车能更加节省燃料，从视觉上看，还能设计出更美观的汽车。
图1：与带宽相关的分辨率
测试比较1 GHz和4 GHz带宽（图2），可以清楚地表明，只有更高带宽的解决方案，才能测量出两个相距近10 cm的不同对象。低带宽雷达由于无法检测到两个不同的目标，于是不能向驾驶员或自动驾驶系统提供正确的数据，这就会导致驾驶员或自动驾驶系统做出错误的决策。
假设一个行人正在遛狗，狗和主人走得很近。这时，狗突然跳到了道路中间。在这种情况下，只有宽带雷达（右侧测试）可以分别检测到这两个信号（狗和行人），并向驾驶员或自动驾驶系统提供正确的信息。反观带宽较窄的雷达（左边的测试），提供了错误或混淆的信息，这就可能会导致悲剧发生。
图2：带宽测试与Keysight 89600 VSA软件的比较。四GHz（右）显示两个分开的物体，相距仅10厘。
汽车毫米波雷达具有更高的分辨率和更广的探测范围，在任何情况下都能带来更安全的驾驶体验。
当汽车以55英里/小时在高速公路上行驶时，司机低头发个短信的时间，就足以穿过一个足球场的距离。分心的驾驶员可能不会注意到驾驶减速了，可是，搭载毫米波雷达的ADAS系统将在潜在碰撞前发出声音和视觉警告。如果驾驶员不采取任何行动，ADAS系统可以启动完全自主制动响应，以避免碰撞或降低冲击力。只有宽频段的汽车毫米波雷达技术才能在晴天、雨天、白天和黑夜执行这项关键任务，完成短距离和远程距离的目标探测。
5G和毫米波雷达
为促进毫米波在 5G 领域的应用，研究人员必须开发新的技术、算法和通信协议，因为毫米波信道的基本属性与现有手机模式不同，因此未知事宜很多。制作毫米波原型的重要性怎么强调都不为过，特别是在早期阶段。制作毫米波系统原型可证明技术或理念的可行性，而单凭模拟无法做到这一点。使用毫米波原型在各种场景进行实时空中通信有助于揭示毫米波信道的秘密，实现技术运用和发展。
制作完整的毫米波通信原型面临诸多挑战。假设有一个能够处理多 GHz 信号的基带子系统，目前多数 LTE 执行通常都使用 10 Mhz （最大 20 MHz ）信道，计算负载与带宽成正比。也就是说，计算能力必须增加 100 倍以上才能满足 5G 的数据速率要求。考虑到毫米波系统的物理层计算，FPGA 对原型制作至关重要。
开发能够验证毫米波应用原型的定制硬件非常困难。毫米波频率如此吸引通信业的原因之一就是大容量的连续带宽。为 5G 应用寻找 1 到 2 Ghz 带宽的现有硬件发射器或接收器十分昂贵，而有的频率根本找不到。即便能找到这样的硬件，其配置和处理原始数据的能力也有限。因此，设计定制 FPGA 处理板卡就成为一个有吸引力的选择。虽然为 FPGA 板设计硬件所需的工程时间并不多，但是还要开发与其通信的软件接口，即便是最有经验的工程师也需要在设计流程花上一年甚至更久，而这只是原型系统的一个组件。
除了 FPGA 板，毫米波原型系统还需要最先进的数模和模数转换器捕捉 1-2 Ghz 的带宽。如今市场上有部分 RFIC 包含能转换基带和毫米波频率的芯片，但选择有限，而且多数只能用于 60 Ghz 频段。 IF 和 RF 阶段可代替 RFIC。一旦工程师有了基带和 IF 解决方案，供应商就能为毫米波无线电头提供更多基带 RFIC 以外的选择，但仍然十分有限。开发毫米波无线电头需要 RF 和微波设计的专业知识，和开发 FPGA 板所需的技能完全不同，也就是说整个团队必须具备开发所有所需硬件的各种技能。必须将 FPGA 作为毫米波基带原型系统的核心组件，而编写能处理多 Ghz 信道的多 FPGA 系统会增加系统的复杂度。为解决服务供应商和通信研究人员面临的系统复杂度和软件问题，国家仪器公司提供了一系列可配置的毫米波原型硬件以及毫米波物理层源代码，其中包含毫米波系统基带的基本层面，还将多 FPGA 的数据传输和处理抽象化，从而简化任务。这些工具都旨在将新原型转变为对 5G 技术的发展至关重要的系统和产品。
关于超声波雷达
超声波雷达的工作原理是通过超声波发射装置向外发出超声波，到通过接收器接收到发送过来超声波时的时间差来测算距离。目前，常用探头的工作频率有 40kHz, 48kHz 和 58kHz 三种。一般来说，频率越高，灵敏度越高，但水平与垂直方向的探测角度就越小。常用的场景是泊车，在高级驾驶辅助场景中也超声波雷达也被当做辅助传感器广泛应用。
宝马最新的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。大众第三代超声波半自动泊车系统，泊车辅助系统通常使用6-12个超声波雷达，车后部的4个短句超声波雷达负责探测倒车时与障碍物之间的距离，一侧的长距超声波雷达负责探测停车位空间。
结语：更清晰的毫米波雷达解决方案
汽车毫米波雷达是当今领先的传感技术，可在所有环境条件下提高驾驶安全性。先进的汽车毫米波雷达利用76-81 GHz频段的高频率和5GHz更宽的带宽，可以获得精度更高的分辨率，更小更轻的传感器设计，非常适用于当前和未来的ADAS系统。
为了实现“零车祸”的理想世界，汽车雷达开发人员需要优化其设计和测试方法，并证明其解决方案的可靠性和安全性。
