【導讀】目前，應用于汽車無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。后兩種雷達技術雖然屬于后起之秀，但在最近幾年，它們在自動駕駛中發揮的作用日益凸顯。
每年有125萬人死于車禍，其中94%以上的致命事故是人為失誤（酒后駕車、超速行駛、無視交通信號燈、邊開車邊發短信）造成的。為了盡可能地將汽車事故減少到接近零的水平，汽車制造商、汽車供應商、政府、學術界，甚至非汽車技術提供商都在聯合開發先進的駕駛員輔助系統（ADAS），并最終開發出自動駕駛汽車。而自動駕駛汽車這種新的汽車生態系統的建立需要傳感器融合、全新的汽車網絡架構、車聯網等多種先進技術的支撐。
目前，應用于汽車無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。后兩種雷達技術雖然屬于后起之秀，但在最近幾年，它們在自動駕駛中發揮的作用日益凸顯。
圖1:自動駕駛汽車中的傳感器融合方案（圖源：網絡）
01 超聲波雷達：技術成熟，成本之選
超聲波雷達在汽車中的應用已經有很多年了，在許多車輛的前后兩側都能發現它們的身影。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，通過收發超聲波，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的。尤其是汽車在高速行駛過程中，由于超聲波信號的傳播延遲，接收到的信息會出現一定的延遲。另外，超聲波設備也存在方向性差的問題，需要更多的設備來覆蓋同一個區域，而且天氣條件也會極大地影響它們的探測效果。
不過，這并沒有影響超聲波雷達在汽車行業的應用，非常關鍵的一點就是它的超高性價比。市場上單個超聲波雷達的售價僅為數十元人民幣，按照一套倒車雷達系統安裝4個超聲波雷達計算，硬件成本還不足二百元。自動泊車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。與動不動就要數萬元甚至數十萬元的激光雷達相比，超聲波雷達在成本方面的優勢實在太突出了。據稱，特斯拉對超聲波雷達就格外偏愛，在泊車輔助中就使用了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，使用激光脈沖掃描環境，而不是無線電波或聲波，波長為納米級。在汽車采用的所有傳感技術中，激光雷達屬于新鮮事物，對于自動駕駛汽車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，并能掃描自動駕駛汽車周圍的360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個通道，每秒掃描超過100萬個點。這些信息量可提供2厘米的高精度，以應對不斷變化的環境。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的材質。
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。機載激光雷達主要安裝在直升機或無人機上用于收集數據。地面激光雷達系統通常安裝在移動的車輛或地面的三腳架上，用于收集準確的數據點。自動駕駛汽車采用的是移動地面激光雷達系統，僅僅使用一個激光雷達，即可在同一時間以光速掃描多個角度，從而創建一個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行回波成像，并實時繪制周圍環境的地圖，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鍵的汽車和移動應用，包括先進駕駛員輔助系統（ADAS）和自動駕駛系統中。在實際應用中，該技術可與其他感官數據相結合，為車輛環境中的靜態和移動物體提供更可靠的表征。
總體來看，極高的分辨率和精確度、快速而直觀的測試結果，是激光雷達能夠用于自動駕駛汽車的優勢所在。要說缺點，目前激光雷達的體積依然較大，且價格不菲，這也是激光雷達技術很難在汽車行業大規模應用的重要原因。
03 毫米波雷達：向77-79GHz邁進
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境因素的影響。毫米波天線也比超聲波天線小得多，功率更低，很容易與車輛設計融為一體。另外，它們可以調整為短、長、寬或窄的探測范圍，以滿足特定應用的需要。
傳統的24 GHz窄帶汽車雷達在區分物體和區分人、狗、其他汽車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雷達傳感技術正朝著76-81GHz頻段、調頻連續波（FMCW）和波束成形天線的方向快速發展。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，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物體。同樣，在波長較小的情況下，速度測量的分辨率和精度也將成比例的提高。
采用79GHz雷達系統的另一個優勢是設備的尺寸和重量將大幅下降。由于79GHz信號的波長約為24GHz系統的三分之一，因此79GHz天線的總面積只相當于24GHz天線的九分之一。開發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，以獲得更好的燃油經濟性和汽車外形設計。可以說，76-81GHz毫米波雷達是一個面向未來的ADAS以及自動駕駛的傳感技術。
04 汽車傳感技術的融合
除了上述三種傳感技術，車載攝像頭也是在汽車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，在當前的車輛中，車載攝像頭充當了ADAS系統的主要視覺傳感器。借由鏡頭采集圖像并通過攝像頭內的感光組件及控制組件對圖像進行處理，然后轉化為可供電腦做進一步處理的數字信號，實現對車輛周邊的路況感知，包括前向碰撞預警、車道偏移報警、行人檢測等功能。
任何一種傳感技術都有其優點與局限性，汽車工業也不會僅僅依賴一種傳感技術實現其自動駕駛功能。大多數廠商都是將這三種傳感技術結合在一起，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法提供足夠的數據來實現全自動駕駛，但它們已經通過ADAS系統大幅降低了駕駛員的人為錯誤。
反過來，ADAS技術的采用以及無人駕駛汽車的出現進一步促進了汽車傳感器技術和市場的發展。根據市場調研機構MarketsandMarkets的預測，到2025年，汽車傳感器市場將從2020年的245億美元增長到403億美元，在2020年至2025年期間復合年增長率為10.5%。而全球機動車產量以及汽車電氣化需求的增加，包括消費者對汽車安全性和舒適性需求的提升，是推動汽車傳感器市場增長的主要因素。
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