自动驾驶汽车开发中要用到不少传感器，其中雷达是最重要的传感器总成件之一。许多开发工程师，对雷达的工作原理、功能、类别、应用场景不太清楚，下面对此进行解读，供同行参考。
一、对雷达的认识
普通人对雷达的认识基本上源于电影的画面（图1），雷达可以发现敌人飞机。
图1 雷达发现敌人飞机的画面
有一个指针，在屏幕上做360度的旋转，再就听到了中国人民解放军的工作人员在报告首长，在什么方位上，发现了敌人的飞机而已。其工作原理？电影没有解释，给人基本知识是，人用肉眼，看不见飞机的时候，用雷达，可以看到飞机的行踪。
雷达应用到民用汽车上的时间不长。大家对汽车倒车的提示声："正在倒车，请注意"，已经比较熟悉了。这是超声波雷达在汽车应用的典型案例。但是雷达是什么，工作原理、功能、类别、应用场景不太清楚，而是自动驾驶汽车开发的相关工程师，都想了解。
二、雷达是传感器
通俗地理解，传感器是检测装置，能感受到被测量对象的特征量信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。通常有敏感元件和转换元件组成。
a)敏感元件是指传感器中能直接（或响应）被测量的部分;
b)转换元件指传感器中能较敏感元件感受（或响应）的被测量转换成是与传输和（或）测量的电信号部分;
c)当输出为规定的标准信号时，则称为变送器；
常见传感器有，温度传感器、压力传感器，汽车的传感器比较多。比如油压、油温等传感器。
雷达是也是传感器。雷达是通过发射和接受无线电波，来实现对目标的探测。现代雷达可以同时探测目标的距离、方位、高度、速度、形状和目标类型等。
三、雷达结构、功能、工作原理、分类
自动驾驶汽车研发，离不开对目标的距离、方位、高度、速度、形状和目标类型等探测。可以说，雷达是自动清除研发中，必备的总成件。
雷达是英文radar的音译，意为无线电检测和测距，是利用微波波段电磁波探测目标的电子设备。雷达概念形成于20世纪初。
1)雷达基本组成结构（见图2、图3）
包括5个基本组成部分:发射机、发射天线、接收机、接收天线以及显示器（扬声器、灯光）。还有配有辅助设备：电源、设备、数据录取、设备、抗干扰的设备。
（图2 车载雷达基本组成结构）
（图3车载 雷达电路板功能组成）
2）雷达的基本作用
雷达所起的作用和眼睛相似。其信息载体是无线电波。无线电波也是电磁波。（注意：不论是可见光或是无线电波，在本质上是同一种东西，都是，传播的速度都是光速C,差别在于它们各自占据的波段不同。
从线束上可分为单线激光雷达和多线激光雷达
①单线激光雷达所扫描的是一个二维平面，可用于L2级别自动驾驶汽车；
②多线激光雷达所扫描的是一个三维空间，可以对汽车周边环境实时扫描建模，可用L3级别以上自动驾驶汽车。
3）雷达的基本功能及原理（见图4）
雷达的基本功能是三个，一是测量目标对象的距离、二是测量目标对象角位置、测量目标对象运动速度。
a)测量目标对象距离基本原理：是利用发射脉冲与接收脉冲之间的时间差，乘以电磁波的传播速度（光速），从而得到雷达与目标之间的精确距离。
b)测量目标对象角位置原理:是利用天线的方向性，雷达天线将电磁能量汇集在窄波束内，当天线波束对准目标时，回波信号最强，根据接收回波最强时的天线波束指向，就可确定目标的方向。
c)测量目标对象速度原理,是雷达根据自身和目标之间有相对运动产生的频率多普勒效应。雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两者的差值称为多普勒频率。
（图4 雷达电路原理图）
4）雷达的分类：
雷达的分类比较多，在自动驾驶汽车开发中的分类有：
a)按照天线扫描方式分类，分为机械扫描雷达、相控阵雷达等;
b)按频段分，可分为超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达以及激光雷达等;
C)按照目标测量的参数分类，有测高用的雷达、二坐标雷达、三坐标雷达等。
常用的分类是按频段分，可分为超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达以及激光雷达等。
四、自动驾驶汽车开发中的车用雷达
自动驾驶汽车开发中，必须要用到雷达，不用多说了；或者说，没有雷达技术的支持，就没有自动驾驶汽车的出现。人们要问的是，如何选用雷达（见图5）？
图5 不同雷达在自动驾驶应用
1）必须选用车规级雷达
从产品质量来说，雷达必须是车规级的。通俗地理解，雷达要符合汽车车用标准的。低了，满足不了汽车使用环境，其生命周期比较短；高了，成本也高，汽车用不了。
2）雷达用在汽车什么场景，要实现什么能？
（1）泊车系统中，超声波雷达。
①原理：超声波雷达，是利用传感器内的超声波发生器产生40KHz的超声波，再由接收探头，接收经障碍物反射回来的超声波。根据超声波反射接收的时间差，来计算与障碍物之间的距离。
②优势：超声波雷达成本较低（单价：100元左右），探测距离近，精度高，且不受光线条件的影响。
③实例：宝马的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。
④图例：安装在汽车尾部保险杠上，有的安装3个，有的安装4个。
图6 自动泊车用超声波雷达
（2）ADAS系统中毫米波雷达
①原理：毫米波，毫米波的波长介于厘米波和光波之间，波长在1mm到10mm之间的电磁波，换算成频率后，毫米波的频率位于30GHz到300GHz之间。毫米波雷达系统，主要包括天线、收发模块、信号处理模块，其中芯片、天线、PCB板是毫米波雷达的硬件核心。
②优势：毫米波兼有微波制导和光电制导的优点。近些年，随着毫米波雷达技术水平的提升和成本的下降，毫米波雷达（见图7）开始应用于汽车领域。
③实例：
图7 ADAS系统中毫米波雷达
④图例：安装在前保险杠上方中间即可
图8 毫米波雷达外形、内部结构
（3）L4级别以上自动驾驶车辆激光雷达
①原理：用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统、接收系统 、信息处理等部分组成。发射系统是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光学扩束单元等组成；接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。
图9 激光雷达内部结构图
②优势：
a)激光直线传播、方向性好、光束非常窄，弥散性非常低；
b）其角分辨率不低于0.1mard，也就是说可以分辨3km距离上相距0.3m的两个目标，距离分辨率可达0.1m；速度分辨率能达到10m/s以内；
c）自然界中，能对激光雷达起干扰作用的信号源不多，抗有源干扰能力强。
③实例：
图10 激光雷达的应用L4效果图
④图例：安装车顶上，一般安装1个
图11 车规级激光雷达
五、激光雷达强大，选用认真考究
激光雷达，因其在测距测速、三维建模等领域的优越性，L4级别以上自动驾驶车辆，是必选件。有了激光雷达，可实现车辆前向间距预警、车辆双侧间距预警、车辆转向盲区预警、车辆车道偏离预警等功能。激光雷达还可以测量出周边其他车辆在三个方向上的距离、速度、加速度、角速度等信息，再结合GPS地图计算出车辆的位置。
1）基本用途
①一维激光雷达，主要用于测距测速等，一般安装在车内、风挡玻璃前面，后者安全后视镜上；
②二维激光雷达,主要用于轮廓测量、物体识别、区域监控等，一般安装在车外面的前头；
③三维激光扫描仪、三维激光雷达，实时三维空间建模，一般安装在车顶；
2）国产激光雷达实例介绍
①国产的16 通道激光雷达跨阻放大器 LS1716M 芯片
图12 国产激光雷达芯片
②其参数如下：
电源电压：3.3V；·输入 ：APD 管的 N 极与输入相连，P 极接负压，16 通道跨阻放大器；单端输入，单端输出；·四种可编程跨阻放大器增益模式：86dBΩ / 80dBΩ / 74dBΩ / 68dBΩ；接收器带宽> 200MHz·可接受最小激光脉冲半宽度：3.5ns；·单通道功耗< 70mW；·可选通输出，通道切换时间<100ns；·输出阻抗：50Ω； ·LQFP80L 封装。
③国产32 线激光雷达（见图13）能够对周围环境进行三维扫描探测。其参数见表1.
（图13 国产32 线激光雷达）
表1 国产32 线激光雷达参数
六、激光雷达建模原理及用途
自动驾驶通常要到车辆周边物体位置信息，对物体进行识别。目前可以做到人、电瓶车、小车、卡车的识别。基本原理是，采用多线激光雷达对周边环境扫描，比如16线激光雷达，每秒可打出32万点，并将这些点的位置信息和光强度信息输出到处理模块，处理单元完成3D建模。激光雷达目前按测距原理可分为TOF时间飞行法、三角法、相位法。
①三角法适用于近进距离探测，它的精度是随距离增加而成百分比增加的；
②相位法适用于中长距离，它的精度性能更方面都很适中。
③飞行法通过发射和接受的时间差，来算出距离，适用于长距离探测，精度高。
七、自动驾驶技术发展基本趋势
在特定情况下自动驾驶还是比较容易实现的，但是要求目前人工驾驶车辆一样上路，因道路情况十分复杂，所以需要处理的东西就很多，雷达需要探测更远的距离，对目标更精细的识别，还需要做到车规级别水准，还有一段路需要去走。
自动驾驶技术发展基本趋势是，将激光雷达、毫米波、摄像头进行融合处理，补足彼此补足之处。随着5G的来临，车与车，车与路，车与人之前的信息交互会变得容易可行，通过5G的超低延时，可以做到车辆周围的信息交互。
目前比较容易落地实现的有：
①低速车的自动驾驶，是比如园区车，环卫车，观光车等，
②商用车有港口运输卡车、固定线路的公交车、物流车。
目前最大困惑是激光雷达，尤其多线激光雷达，成本太高，价格高达15万元，国产的也在5万元以上。
作者简介
雷洪钧博士，扬子江汽车集团高级工程师、总经理助理（总工程师），中国国电子节能技术协会节能与新能源汽车专家委会专家，国家建设部城市车辆专家委员会理事，全国交通职业教育指导委员会汽车技术专业类指导委员会聘请的专家讲师，中国公路学会客车分会客车市场研究员，中国土木工程学会城市公交学会客车专家委会副主任，中国标准化协会理事，中国管理科学研究院担任过特聘研究员、中科电动汽车产业联盟首席研究员。
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