雷達(dá)通過發(fā)射聲波或者電磁波對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行照射并接收其回波,由此獲得目標(biāo)物體的距離、距離變化率(徑向速度)、大小、方位等信息。雷達(dá)最先應(yīng)用于軍事中,后來逐漸民用化。隨著汽車智能化的發(fā)展趨勢(shì),雷達(dá)開始出現(xiàn)在汽車上,主要用于測(cè)距、測(cè)速等功能。汽車?yán)走_(dá)可分為超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等,不同雷達(dá)的原理不盡相同,性能特點(diǎn)也各有優(yōu)勢(shì),可用于實(shí)現(xiàn)不同的功能。

(1)超聲波雷達(dá)

超聲波雷達(dá)是利用傳感器內(nèi)的超聲波發(fā)生器產(chǎn)生 40KHz的超聲波,再由接收探頭接收經(jīng)障礙物反射回來的超聲波,根據(jù)超聲波反射接收的時(shí)間差計(jì)算與障礙物之間的距離。超聲波雷達(dá)成本較低,探測(cè)距離近精度高,且不受光線條件的影響,因此常用于泊車系統(tǒng)中。

自動(dòng)泊車功能離不開超聲波雷達(dá)。 寶馬最新的 i 系列和 7 系列已經(jīng)支持使用車鑰匙遙控汽車自動(dòng)泊車,在操作過程中用戶只需要發(fā)出前進(jìn)或后退兩個(gè)指示,汽車就會(huì)持續(xù)使用超聲波傳感器檢測(cè)車位和障礙物,自動(dòng)操作方向盤和制動(dòng)器,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車。大眾第三代超聲波半自動(dòng)泊車系統(tǒng),泊車輔助系統(tǒng)通常使用 6-12 個(gè)超聲波雷達(dá),車后部的 4 個(gè)短距超聲波雷達(dá)負(fù)責(zé)探測(cè)倒車時(shí)與障礙物之間的距離,一側(cè)的長(zhǎng)距超聲波雷達(dá)負(fù)責(zé)探測(cè)停車位空間。

(2)毫米波雷達(dá): ADAS 核心傳感器

毫米波是指波長(zhǎng)在 1mm 到 10mm 之間的電磁波,換算成頻率后,毫米波的頻率位于30GHz到 300GHz 之間。毫米波的波長(zhǎng)介于厘米波和光波之間,因此毫米波兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)。毫米波雷達(dá)在導(dǎo)彈制導(dǎo)、目標(biāo)監(jiān)視和截獲、炮火控制和跟蹤、高速通信、衛(wèi)星遙感等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。近些年,隨著毫米波雷達(dá)技術(shù)水平的提升和成本的下降,毫米波雷達(dá)開始應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。

不同波長(zhǎng)雷達(dá)的應(yīng)用場(chǎng)景

毫米波雷達(dá)具有眾多優(yōu)點(diǎn),是 ADAS 核心傳感器。毫米波的波長(zhǎng)介于厘米波和光波之間,因此毫米波兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn): 1)同厘米波導(dǎo)引頭相比, 毫米波導(dǎo)引頭具有體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點(diǎn); 2)與紅外、激光等光學(xué)導(dǎo)引頭相比, 毫米波導(dǎo)引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng),傳輸距離遠(yuǎn),具有全天候全天時(shí)的特點(diǎn); 3) 性能穩(wěn)定,不受目標(biāo)物體形狀、顏色等干擾。 毫米波雷達(dá)很好的彌補(bǔ)了如紅外、激光、超聲波、攝像頭等其他傳感器在車載應(yīng)用中所不具備的使用場(chǎng)景。

毫米波雷達(dá)探測(cè)距離遠(yuǎn),精度高,是 ACC、 AEB 首選傳感器。 毫米波雷達(dá)的探測(cè)距離一般在 150m-250m 之間,有的高性能毫米波雷達(dá)探測(cè)距離甚至能達(dá)到 300m,可以滿足汽車在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)探測(cè)較大范圍的需求。另外,毫米波因波長(zhǎng)較短,彌散程度低,聚焦性好,因此毫米波雷達(dá)的探測(cè)精度較高。這些特性使得毫米波雷達(dá)能夠監(jiān)測(cè)到大范圍內(nèi)車輛的運(yùn)行情況,同時(shí)對(duì)于前方車輛的速度、加速度、距離等信息的探測(cè)也更加精準(zhǔn),因此是 ACC、AEB 的首選傳感器。毫米波雷達(dá)可用頻帶有 24GHz、 60~61GHz、 76~79GHz,目前比較主流的是 24GHz 和76~77GHz, 60~61GHz 只有日本使用。 一般 24GHz 用于短/中距, 76~79GHz 用于中/長(zhǎng)距,頻率越高,波長(zhǎng)越短,測(cè)距測(cè)速的精度就越高。頻帶發(fā)展的趨勢(shì)是從低頻向高頻過渡: 1)歐盟: 1997 年,歐洲電訊標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)確認(rèn) 76-77GHz 作為防撞雷達(dá)專用頻道; 2)美國(guó): 24GHz 和76~77GHz 兩個(gè)頻帶均可用; 3)日本:先選用了 60~61GHz,后又轉(zhuǎn)入76~77GHz 頻帶; 4)日內(nèi)瓦 2015 年世界無線電通信大會(huì), 77.5~78.0GHz 劃分給無線電定位業(yè)務(wù),以支持短距離高分辨率車載雷達(dá)的發(fā)展; 5)中國(guó): 2005 年,原信息產(chǎn)業(yè)部《微功率(短距離)無線電設(shè)備的技術(shù)要求》,77GHz 劃分給車輛測(cè)距雷達(dá)。

毫米波雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)主要由國(guó)外電子公司掌控。毫米波雷達(dá)系統(tǒng)主要包括天線、收發(fā)模塊、信號(hào)處理模塊,而 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)芯片和天線 PCB 板(Printed Circuit Board)是毫米波雷達(dá)的硬件核心。目前毫米波雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)主要被 Bosch、Continental、 Denso、 Autoliv 等零部件巨頭壟斷,特別是 77GHz 產(chǎn)品技術(shù)只有 Bosch、Continental、Denso、Delphi 等少數(shù)幾家公司掌握。Bosch 的所有的車載雷達(dá)都采用 77GHz的頻率,預(yù)計(jì) 2016 年將出產(chǎn)第一千萬個(gè) 77GHz 毫米波雷達(dá)。 Continental 的雷達(dá)產(chǎn)品較全面,其中主力產(chǎn)品是 24GHz。

2015 年全球車載毫米波雷達(dá)主要供應(yīng)商及市場(chǎng)份額(單位: %)

低成本 CMOS 解決方案有望加快市場(chǎng)開啟。 目前 77GHz 毫米波雷達(dá)系統(tǒng)單價(jià)大約在 250歐元左右,高昂的價(jià)格限制了毫米波雷達(dá)的車載化應(yīng)用。毫米波雷達(dá)的收發(fā)器芯片普遍使用 SiGe 雙極型晶體管等特殊半導(dǎo)體,但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步,被廣泛用于數(shù)字電路且成本相對(duì)較低的 CMOS,也可被用于毫米波電路。CMOS 與傳統(tǒng) SiGe 雙極型晶體管相比,由于在低電壓條件下也可運(yùn)行,因此可降低耗電量。雖然 CMOS 存在低頻區(qū)噪聲偏大的問題,但兩者在毫米波區(qū)域(76-81GHz)具有大致同等的性能,未來車載毫米波雷達(dá)主流頻段是 77-79GHz,因此 CMOS 低頻區(qū)噪聲大的問題并不太突出。 由于目前全球CMOS 產(chǎn)業(yè)鏈已較為成熟,可大批量生產(chǎn),未來若能用 CMOS 替代 SiGe 雙極型晶體管,毫米波雷達(dá)的成本有望顯著下降,市場(chǎng)也有望加快開啟。

兩種毫米波雷達(dá)收發(fā)器芯片工藝技術(shù)比較

目前 Fujitsu 研究所已成功研發(fā)出采用 CMOS 工藝的 4 通道接收芯片。 Fujitsu 研發(fā)的此款產(chǎn)品不僅與現(xiàn)行 SiGe 產(chǎn)品具有同等的高頻功能,還成功解決了低頻區(qū)噪聲問題。而新的 CMOS 芯片比傳統(tǒng)的 SiGe 芯片降低了一半左右的電耗,還可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和低成本化。Fujitsu 預(yù)計(jì) 2018 年左右,該產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化,采用該技術(shù)的毫米波雷達(dá)的成本也有望大幅降低。低成本化有望加快引爆車載毫米波雷達(dá)市場(chǎng)。

(3)車載毫米波雷達(dá)國(guó)產(chǎn)化大潮將至

車載毫米波雷達(dá)國(guó)產(chǎn)化在即, 24GHz 產(chǎn)品技術(shù)已獲突破, 77GHz 產(chǎn)品正加緊研發(fā)。 前端單片微波集成電路(MMIC)是毫米波雷達(dá)的關(guān)鍵部件, MMIC 技術(shù)主要被國(guó)外零部件巨頭壟斷,國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域尚處于起步階段。但國(guó)內(nèi)部分公司經(jīng)過幾年的研發(fā), 24GHz 車載雷達(dá)技術(shù)已獲得突破,產(chǎn)品即將問世。 77GHz 產(chǎn)品的研制由于受到國(guó)外的技術(shù)封鎖,目前大多還處于研發(fā)試驗(yàn)階段。我們預(yù)計(jì),隨著智能汽車行業(yè)的快速發(fā)展,將開啟對(duì)毫米波雷達(dá)的大量需求,國(guó)內(nèi)相關(guān)公司將加速研發(fā), 77GHz 產(chǎn)品有望在未來三年內(nèi)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

國(guó)內(nèi)毫米波雷達(dá)相關(guān)企業(yè)及單位研發(fā)進(jìn)展

汽車智能化浪潮洶涌, ADAS 資源整合是關(guān)鍵。汽車智能化水平的提升使得國(guó)內(nèi)整車廠商對(duì) ADAS 系統(tǒng)的需求巨大,而整車廠商對(duì)整套 ADAS 系統(tǒng)的需求比單一傳感器的需求更為強(qiáng)烈,擁有整套 ADAS 技術(shù)(感知、控制、執(zhí)行)的公司將更有競(jìng)爭(zhēng)力。因此我們認(rèn)為,國(guó)內(nèi)大型廠商(一級(jí)、二級(jí)供應(yīng)商)將十分關(guān)注對(duì) ADAS 前端(感知)、中端(控制)、后端(執(zhí)行)資源的整合,率先掌握稀缺資源就會(huì)擁有先發(fā)優(yōu)勢(shì),更容易在智能駕駛的潮流中脫穎而出。關(guān)注車載毫米波雷達(dá)市場(chǎng)并購機(jī)會(huì)。 國(guó)內(nèi)在毫米波雷達(dá)研發(fā)方面起步較晚,擁有 24GHz產(chǎn)品技術(shù)的公司還較少,而掌握 77GHz 產(chǎn)品技術(shù)的公司更是鳳毛麟角,是市場(chǎng)上非常稀缺的資源。因此我們認(rèn)為, 掌握車載毫米波雷達(dá)核心技術(shù)的公司將是國(guó)內(nèi)大型廠商、上市公司十分重視的資源,要關(guān)注市場(chǎng)上存在的潛在并購機(jī)會(huì)。如 2015 年 12 月 16 日,亞太股份控股股東亞太機(jī)電集團(tuán)與杭州智波科技有限公司簽訂合作協(xié)議,以 700 萬元增資智波科技獲 10%的股權(quán),引進(jìn)車載毫米波雷達(dá)項(xiàng)目。

激光雷達(dá): 功能強(qiáng)大 成本大幅降低可期

激光雷達(dá)是軍轉(zhuǎn)民的高精度雷達(dá)技術(shù)。 激光雷達(dá)的應(yīng)用一開始主要為軍事領(lǐng)域,受到了各國(guó)軍事部門的極大關(guān)注。相比普通雷達(dá),激光雷達(dá)可提供高分辨率的輻射強(qiáng)度幾何圖像、距離圖像、速度圖像。按用途和功能劃分,有跟蹤激光雷達(dá)、制導(dǎo)激光雷達(dá)、火控激光雷達(dá)、氣象激光雷達(dá)、水下激光雷達(dá)等,可適應(yīng)不同戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。在民用領(lǐng)域中,激光雷達(dá)因其在測(cè)距測(cè)速、三維建模等領(lǐng)域的優(yōu)越性能也被廣泛應(yīng)用。激光雷達(dá)性能精良,是無人駕駛的最佳技術(shù)路線。 激光雷達(dá)相對(duì)于其他自動(dòng)駕駛傳感器具有非常優(yōu)越的性能:

1)分辨率高。 激光雷達(dá)可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率。通常激光雷達(dá)的角分辨率不低于 0.1mard 也就是說可以分辨 3km 距離上相距 0.3m 的兩個(gè)目標(biāo),并可同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo);距離分辨率可達(dá) 0.1m;速度分辨率能達(dá)到 10m/s 以內(nèi)。如此高的距離、速度分辨率意味著激光雷達(dá)可以利用多普勒成像技術(shù)獲得非常清晰的圖像。

2)精度高。 激光直線傳播、方向性好、光束非常窄,彌散性非常低,因此激光雷達(dá)的精度很高。

3)抗有源干擾能力強(qiáng)。 與微波、毫米波雷達(dá)易受自然界廣泛存在的電磁波影響的情況不同,自然界中能對(duì)激光雷達(dá)起干擾作用的信號(hào)源不多,因此激光雷達(dá)抗有源干擾的能力很強(qiáng)。

光雷達(dá)可以分為一維光雷達(dá)、二維光雷達(dá)、三維光掃描儀、三維光雷達(dá)等。 其中一維光雷達(dá)主要用于測(cè)距測(cè)速等,二維光雷達(dá)主要用于輪廓測(cè)量、物體識(shí)別、區(qū)域監(jiān)控等,三維光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)三維空間建模。車載三維光雷達(dá)一般安裝在車頂,可以高速旋轉(zhuǎn),以獲得周圍空間的點(diǎn)云數(shù)據(jù),從而實(shí)時(shí)繪制出車輛周邊的三維空間地圖;同時(shí),光雷達(dá)還可以測(cè)量出周邊其他車輛在三個(gè)方向上的距離、速度、加速度、角速度等信息,再結(jié)合 GPS 地圖計(jì)算出車輛的位置,這些龐大豐富的數(shù)據(jù)信息傳輸給 ECU 分析處理后,以供車輛快速做出判斷。

不同類型激光雷達(dá)的功能及應(yīng)用場(chǎng)景

三維激光雷達(dá)逐漸發(fā)展為自動(dòng)駕駛的標(biāo)配。三維激光雷達(dá)功能強(qiáng)大,是無人駕駛的最佳解決方案,從最早的谷歌豆莢車到層出不窮的車企測(cè)試案例,激光雷達(dá)已經(jīng)逐漸發(fā)展為標(biāo)配。不難發(fā)現(xiàn),隨著企業(yè)自動(dòng)駕駛方案的選擇和規(guī)劃,車用激光雷達(dá)的商業(yè)化正悄然發(fā)生。

Velodyne 64 線激光雷達(dá)成為無人駕駛的標(biāo)志性特征。 2012 年 5 月,谷歌改裝版豐田普銳斯自動(dòng)駕駛汽車在內(nèi)華達(dá)州上路測(cè)試,出場(chǎng)時(shí)頭頂轉(zhuǎn)個(gè)不停的 Velodyne 64 線,很快就成了自動(dòng)駕駛汽車的標(biāo)志性特征。與此同時(shí),谷歌對(duì)外宣布項(xiàng)目研究目標(biāo)——實(shí)現(xiàn)無人駕駛并且量產(chǎn)。從正面看,拆解后的 Velodyne 64 線整個(gè)激光收發(fā)器可以視為上下兩部分,每部分都有三個(gè)并排透鏡,兩側(cè)透鏡是激光發(fā)射處,中間是接收處。轉(zhuǎn)到產(chǎn)品背后會(huì)發(fā)現(xiàn),兩側(cè)凸鏡后各有 16 個(gè)一組的二極管,中間透鏡對(duì)應(yīng) 32 個(gè)接收器,可以把光信號(hào)變成電信號(hào)。

在保證質(zhì)量的前提下,成本的降低將反推智能駕駛的產(chǎn)業(yè)進(jìn)程。 激光雷達(dá)憑借其超高精準(zhǔn)度,被認(rèn)為是無人駕駛的必然選擇; 2016 年以來,激光雷達(dá)巨頭 Velodyne 與 Quanergy紛紛表態(tài)未來其激光雷達(dá)成本將大幅度降低,以此來滿足無人駕駛汽車量產(chǎn)的需要。

Velodyne 車用激光雷達(dá)產(chǎn)品未來有望將成本控制在 200 美元以內(nèi)。Velodyne 的激光雷達(dá)輸出的是原始數(shù)據(jù),需要經(jīng)過二次處理,以 64 線激光雷達(dá),每秒的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量是 130 萬,這需要桌面級(jí)顯卡支持才能流暢工作。而桌面級(jí)顯卡字眼需要昂貴的顯存和散熱設(shè)計(jì),而且價(jià)格昂貴,高達(dá) 7 萬美元。2016 年 1 月, CES 期間 Velodyne 與福特揭曉了最新產(chǎn)品 Solid-State Hybrid Ultra PuckTM Auto,范圍為 200 米,可以滿足車企 ADAS 和全自動(dòng)駕駛需要。目前供給車企的 Pack1.5 投放壽命為 6-8 個(gè)月,車企測(cè)試后 Velodyne 會(huì)根據(jù)反饋重新調(diào)整設(shè)計(jì)。明年初推近改良后的 pack2.0 進(jìn)行第二輪測(cè)試,在 18 年初或年中推出 pack3.0 作為正式商用版本。公司對(duì)這款產(chǎn)品 2020年目標(biāo)產(chǎn)量定價(jià)為每個(gè) 500 美元, 2025 年將成本控制在 200 美元以內(nèi)。

Quanergy 激光雷達(dá)量產(chǎn)后售價(jià)有望接近 100 美元。Quanergy 在今年 CES 展出了一款固態(tài)激光雷達(dá) S3 約為一盒名片大小,而且單個(gè)售價(jià)初步定在 250 美元左右,其展臺(tái)工作人員表示上量生產(chǎn)后有可能 100 美元搞定。未來幾年里,小型專用激光雷達(dá)將會(huì)在汽車行業(yè)爭(zhēng)奪市場(chǎng)。