同济大学汽车学院白杰教授主题演讲：毫米波雷达和智能驾驶 | 厚势
由上海交通大学智能网联汽车创新中心主办、上海厚势网络科技有限公司承办、上海交通大学上海高级金融学院金融 MBA 项目和交大安泰 MBA 汽车协会协办的「2017 上海智能网联新能源汽车高峰论坛」8 月 5 日在上海高级金融学院成功举行！
来自学术界（上海交通大学，同济大学）、投资界（中机联、GGV、英诺、基石投资、清控金信、德丰杰龙脉、辰韬等）、企业界（吉利，大众，通用，泛亚，博世等）的产业同仁齐聚中国汽车科技之都--上海，深度交流讨论时下最热门且为世界各大工业强国支柱型产业的「智能网联汽车和新能源汽车」。
今天我们来回顾千人计划专家、同济大学汽车学院白杰教授在「2017上海智能网联新能源汽车高峰论坛」的主题演讲「毫米波雷达和智能驾驶」！以下是厚势根据白教授在论坛上的演讲内容整理而成，经白教授授权发布，转发请注明作者及来源。
现场图：千人计划专家、同济大学汽车学院教授白杰博士
我来自同济大学汽车学院，今天会跟各位同仁汇报的主题是《毫米波雷达和智能驾驶》。大致汇报的内容有以下 5 点，总体来说内容上可能会稍微偏专业一点，但我尽可能讲的通俗一点。
智能驾驶的背景与进程
现在对自动驾驶、智能驾驶、智能网联，有很多各种各样的定义。在这些定义里面，ADAS 系统是我们通常说的智能驾驶员辅助系统，「ADAS 系统」一般来说在 Level 0 到 Level 1，具备单一的控制功能。当复数的 ADAS 系统搭载在一辆车里面之后，我们把它定义为「准自动驾驶」，或者说已经接近自动驾驶。如图 1 所示，准自动驾驶里面，包括「驾驶员负全责」以及「驾驶员与系统」的切换，这个部分都属于准自动驾驶的领域。
图 1 自动驾驶的内容与定义
「完全自动驾驶」就是说汽车由整个自动驾驶系统负责任，包括加速、转向、制动都由汽车来操纵。这是自动驾驶大致的内容和定义。图 1 中没有提完全无人驾驶，就是说整个车完全无人的话，应该在这上面还有一层，估计到那个时候，汽车工业可能是另外一种形态，就是说汽车工业可能来到后汽车工业时代，所以没有把这一部分表达出来。
大家可以看到，自动驾驶进入市场的时间上大致在 2020 年或者 2025 年，可能这是限于一些高档车型以试验性质来运行的时间。就是说，实际到我们一般人买的车里面出现自动驾驶的话，估计还要更长的时间。
图 2 自动驾驶的实现途径
在自动驾驶里面，我们实现自动驾驶，主要是这么两种途径：一个是基于车载自身传感器的「自主行走控制系统」；还有一个基于 V2X 获取前方信息的「协调型行走系统」，也就是所谓的汽车网联。再往上一层就是智能加上网联，当智能和网联这两个系统联合在一起，可能就是将来的自动驾驶系统。
2020年或者2025年，这个时间上都是相对来说比较含糊的。为什么？因为网联这条路，用什么样的方式，包括什么样的标准，到目前来说还具有很多模糊性，在技术上还没有完全准确的时间。所以，要将智能和网联这两条线合并到一条线的时间上，就不是那么准确了。
图 3 自动驾驶的商业路线
现在在自动驾驶技术的商业化路线方面，我们前面有的初级自动驾驶，也可以说是 ADAS 系统，在主机厂里面，现在主机厂里面一般采用 SAE 1 级、2 级，然后往 3 级、4 级方向发展。0 级在很早以前，90 年代就有了。
然后在中级里面，像现在的特斯拉直接从 2 级开始。当然特斯拉从 SAE 2 级、3 级开始也有它的产业基础，在美国那边汽车公司里面都已经进入了 2 级，它再从 0 级出发也是不符合时代的。所以它的表现也是属于比较正常的，当然特斯拉更多的是从 2 级自动化用了 3 级的 HMI （人机界面）系统，这样有一种跨界的感觉。
图 4 汽车环境感知传感器的特点
自动驾驶里面，智能的这部分更多是车载传感器的集合、传感器的融合以及应用。在传感器里面（如图 4 所示），车载传感器主要是分五种：电子雷达、激光雷达、相机、红外线相机、超声波传感器。其中，超声波由于探测距离太近，虽然现在搭载率很高，但是将来可能会更多的被取代。
在激光雷达方面，现在多线的激光雷达价格还相对比较高，而且这个价格什么时候降下来并不一定，我们很多人都想激光雷达在未来几年内价格能降下来，但是这个可能很难做到。当年毫米波雷达也是从 90 年代开始一直降价降到现在，终于从数万美金降到―百美金。所以说，这个时间的发展往往不一定如我们所期待的那么顺利。
图 5 现代车载雷达构成
在汽车电子雷达方面，现在汽车搭载的主要是往前看的前视雷达，有 24G 和 77G 两种远距离雷达。这个 24G 的里面，也有往后视的 24G 的雷达。24G 和77G 的雷达的区别点在于，24G 分窄带和宽带两种雷达，77G 主要是窄带雷达，它的带宽比较窄。
77G、76G，虽然法规上允许最大 1 个 GHz，但是 77G 雷达的带宽大概在 500 MHz 以内，带宽不够高的话，会带来距离分解能力不高的问题。24G 的宽带雷达当时在法规上最大可以到 2 个 GHz，也有说当时 26G 可以用 4 个 GHz。这里带宽的提高使得分解能力提高很多。但是由于只有 2G 带宽的信息分辨能力、运算速度的限制和EU区域限制，带宽带来的效果并没有表现出来。
智能驾驶毫米波雷达
稍微介绍一下汽车雷达的历史，其实最早从 70 年代、80 年代，大家就一直在做汽车车载毫米波雷达。汽车的智能化也不是最近才提起的话题，实际上在 70 年代的时候大家就想做汽车的智能化。
图 6 车载毫米波雷达的发展史
在图 6 中可以看到，70 年代的时候汽车上面背着几个大脸盆似的天线，这个时候就开始想着做汽车智能化。1990 年开始，进入 90 年代微电子技术的发展，一下子使得雷达小型成为可能，也是在这个时候雷达开始开发得快一点。
图 7 雷达芯片的进程
车载雷达里面有一个芯片材料，这个芯片从 90 年代开始，最早是用 GaAs 这种材料，现在是 SiGe，在将来五到十年可能 CMOS 芯片会出来。用 CMOS 做的高频信号发生器，当材料变得越来越便宜的同时，它的功率、噪声、功放这方面的表现会越来越难控制，它对生产工艺的相对要求就会越来越高。
现在国外也在往 CMOS 这个方向转，但是刚刚起步阶段，相对来说制造工艺技术方面要求更高。我们要注意一点，当一种新的材料、新的技术导入的时候，在起步的前几年，它的价格肯定会比它的上一代暂时贵，例如 CMOS 芯片比 SiGe 芯片贵，但这是起步阶段必然的问题。
79GHz 雷达技术
我们的下一代雷达会是什么？
我们反转来看过去历史的发展就会看到，现在我们使用的技术，其实就是十年前各个研究所、大学在开发的技术。也就是说，在将来下一个五年、十年，我们会用的技术基本上目标是定在 79G 毫米波雷达。国外 5 到 10 年前就已经开始做 79G。
为什么会用 79G？
图 8 为何会是 79GHz 雷达？
如图 8 所示，我们现阶段用的 77G 的毫米波雷达，根据雷达的公式，带宽较窄的情况下，它的距离分辨率大概也就是 1 米的范围。
当带宽提高的话，我们可以看到在 79G 用了 4 个 GHz，它的距离分辨率可以提高到很多。当距离分辨率提高到了 10 个厘米，两个物体前后左右相隔的距离差达到 10 个厘米也能测量出来的话，就不需要角度的分解了，也就是说不需要相控阵天线就可以把两个物体分开。这能够极大地提高道路上各种障碍物的分离检测能力，而不需要带上一个强大的相控阵天线。
图 9 自动驾驶用下一代车载雷达构成
在今后，由于 79G 雷达的出现，将来的智能驾驶的汽车就会前向还是 24G、77G 的远距离雷达，但在中间侧向有 4 个 79G 的毫米波雷达，来实现环视。
79G 的毫米波雷达具有高分解能力，使得在某些功能可以逐渐代替一些现有的光学传感器的性能。也就是说 79G 除了水平方向的高分解能力之外，同时可以做一个上下方向的 79G 毫米波雷达，水平和上下同时进行扫描，很容易实现毫米波的成像。
也就是说，很快（大概十年内）将会有一种很强大的毫米波成像雷达，这在很大的程度上会替代现有的光学传感器。
图 10 车载雷达的未来
图 10 是目前整个雷达在发展机制上区分出的几种雷达，这里列出来了 24G、77G、79G 三种。这几种雷达里面，主要考虑两种走向：
距离分辨率跟成本，也就是说在性价比这个方面；
最大检测距离。
从图 10 的坐标中可以知道，将来的趋势有可能是从性能更好的方向上来说，会往 79G 走。还有一个性价比，价格最便宜的方向是 24G，这在中国可能在一段时期里面都会存在。这跟欧美市场可能会有不一样的走向。因为欧美市场的话已经使用 77G 了，而国内的话，可能采取性能高的往 79G 走、价格便宜的往 24G 走的路线。
79G 的毫米波雷达会有什么好处呢？
图 11 研发动态：79 GHz 雷达的行人检测
79G 的毫米波雷达由于它可以做到 4 个 G 的带宽，在这 4 个 G 的带宽里面可以实现成像。比如说像这个室内，两个人和反射板（用于表示汽车），把它们放在一起，79G 能够很精准的将其分解出来，当然图 11 这是通过机械式扫描来看这个 79G 的性能会怎样。在以前的雷达里面是看不到这些东西，与现在在医院里做 CT 成像是基本一样的。
图 12 研发动态：79 GHz 雷达降雨条件下车辆与行人测试
当然 79G 也是电磁波雷达，由于频率越来越高，我们要考虑到电波在降雨或者是冰雪条件之下，传感器的性能也必然会衰减。
比如说行人行为检测，没降雨的时候，这一款雷达可以看到 50 米的话，下中雨的时候，同款雷达看人的距离会缩短到 40 米。也就是说，会有 10 米的衰减出现。因此，如果 79G 雷达要看得更远的话，在信噪比方面的性能还需要做进一步的增强，还要做很多的努力。
图 13 研发动态：79 GHz 高分辨率雷达信号双收技术
刚才讲的 79G，在没有相控阵的时候，它的分解能力就很高。而如果同时对 79G 雷达也做与现在 77G 一样的相控阵天线，多发射多接收的话，这时候对多目标的分离检测能力除了距离上的分解还会有角度上的分解，对多目标的分离检测能力将会有大幅度的提高。
当然这个大幅度的提高的同时，也会带来一个很大的问题，就是多目标的分离检测。现在 77G 雷达用的是 32 或 64 个目标，在 79G 的时候雷达内部信号处理就不是同时跟踪 764 个目标，而是 128 个或者更多的目标数。我们同时跟踪的目标数越多，对雷达内部的信号处理芯片运算能力要求会成指数增长。这是 79G 雷达开发需要考虑的问题。
图 14 研发动态：雷达信号处理系统硬件概要
雷达信号处理可以集成在一个 DSP 芯片里面。这在一个芯片里面做信号处理的话，除了刚才多目标数量的影响之外，还有下雨天气，道路环境噪声的影响，在这里面除了对多目标的分离检测信号做分离处理，还要做进一步的跟踪处理。
图 15 研发动态：雷达信号处理系统概要
还有如自动驾驶里的车辆惯导，通过惯导来推算前方障碍物对你来说具有多大的危险性。这个危险性的判断，是雷达信号处理的一部分。也就是说在雷达信号处理里面，会在雷达的内部做图 15 中所提到的六项信号处理。
随着现在雷达波形越来越复杂，从第二个阶段开始信号处理都已经是运算负荷很重的信号处理，包括我们现在用的最新的雷达，这也是 79G 雷达需要克服的技术难题。
苏州豪米波雷达技术动态
图 16 苏州毫米波雷达技术有限公司简介
下面我简单介绍一下苏州毫米波这个公司。苏州毫米波技术有限公司成立的时间不长。这个公司的核心产品主要在于两个地方，一个是智能驾驶系统的控制算法，同时也做关键的传感器硬件以及传感器的算法。从系统到传感器的合成方面，我们具有强大的开发能力。
公司成立一年，现在我们已经把 24G 的中距离 80 米的雷达和远距离 150 米雷达这两款产品，从性能上和产品上都已经调试完毕。
图 17 苏州毫米波雷达产品
尽管我们轻车熟路，尽管我们以前在国外一直做毫米波雷达，但是真正做到产品化，我们在去年一年的时间里，还是做了四五轮的试制。通过每一次的试制、仿真，来改善性能，使得中距离雷达能够达到 80 米的检测距离，远距离雷达能够达到 150 米。
去年国内很多人跟我讲，24G 做不出远距离，但是我们 24G 也在这么一个小小的天线里面把 150 米给做出来了。同时，我们看到这个天线和信号处理分成两块板，我们现在已经把这两块板整合到一块板了。同时我们也还在做 77G 雷达的开发，尽管这个 77G 不一定把它产品化，但是 77G 也已经很顺利的把样品做出来了。
刚才讲远距离雷达主要是放在汽车前面的，用来做自适应巡航或者紧急防碰撞紧急制动系统，包括乘用车和商用车的紧急防碰撞。中距离雷达主要用来做汽车的后向检测，这为什么会需要 80 米？因为当你的雷达搭载在汽车的两个后角的时候，后挡板对雷达的减衰非常大。当雷达检测距离是 30 米或者 50 米的时候，实际安装汽车看的距离可能只有几米。尽管我们做了最大探测距离80米，但是实际上安装在汽车上，我们的雷达只能感觉到车后方 40 米左右的障碍物，挡板会减衰掉一半。这也是我们跟国内其他公司不太一样的，一直下决心把这个最远的距离提高的原因。
我们同时有四台样车，我在各个公司里面进行测试和评价讨论。当然我们也积极的参与国家相关的标准和法规的制定工作，这确实对于一个产业发展也是一个很重要的方向。在法规方面，也还是需要积极参与。
同时，我们团队也在做汽车的自动驾驶，从整个汽车的自动驾驶方面进行开发。因为我们始终感觉，虽然我们卖的产品是传感器，但实际上在做传感器的同时，我们要把整车的自动驾驶整个系统的控制都要做。
只有把自动驾驶系统这个大方向在前面作为引领的话，才能够知道将来的传感器会需要什么样。也是因为我们在一边做，所以现在 79G 我们已经有了样品，而且在样机性能上也感觉还是很不错。当然，79G 的研发现在对我们自己来说也还是属于在绝密的阶段，我们现阶段 79G 就不在外面展示。
结论
图 18 现在与今后的车载雷达构成对比
如图 18 所示，今后我们感觉车载雷达，它肯定会从这么几个方向来发展。
下一代的感知系统里面，感知系统会往哪个方向走，取决于毫米波雷达成像技术走得有多快。只有毫米波雷达往成像方向走了以后，整个感知系统，对于将来的自动驾驶会起到很多引领作用。
当然毫米波雷达成像，在军用上早就已经有，只不过是成本方面的问题。现在 79G 已经实现了距离方面的扫描，即现在是水平方面，只要加一个垂直方向的维度，也就是最多是以两个 79G 的成本来做，就可实现毫米波的成像。现在 79G 也就在一两百美金的范围，乘以二也就是四五百美金，毫米波雷达的成像在今后五年里面会成功出来。
我们现在做的是从研究到设计到制造到销售，这整个一条龙，我们都在做。应该说是朝着这个美好的人生前进，还是很不错！
在这里我也非常欢迎上海交大的学生加入到我们的团队！
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