公釐波雷達與雷射雷達探秘

2021-10-16 20:49:13 字數 4213 閱讀 4725

雷射雷達是以發射雷射束探測目標的位置、速度等特徵量的雷達系統,計算時是按照光的特性來計算。而公釐波雷達是指工作在公釐波波段探測的雷達。公釐波實質上就是電磁波,利用都卜勒效應計算。

公釐波的頻段比較特殊,其頻率高於無線電,低於可見光和紅外線,頻率大致範圍是10ghz—200ghz。

從工作原理上來講,雷射雷達和公釐波雷達基本類似,都是利用回波成像來構顯被探測物體的,就相當於人類用雙眼探知而蝙蝠是依靠超聲波探知的區別。不過雷射雷達發射的電磁波是一條直線,主要以光粒子發射為主要方法,而公釐波雷達發射出去的電磁波是乙個錐狀的波束,這個波段的天線主要以電磁輻射為主。

從探測精度上來講,雷射雷達具有探測精度高、探測範圍廣及穩定性強等優點,在精確度方面,公釐波雷達的探測距離受到頻段損耗的直接制約(想要探測的遠,就必須使用高頻段雷達),也無法感知行人,並且對周邊所有障礙物無法進行精準的建模。這一點就大不如雷射雷達。

從抗干擾能力上來講,由於雷射雷達通過發射光束進行探測,受環境影響較大,光束受遮擋後就不能正常使用,因此無法在雨雪霧霾天,沙塵暴等惡劣天氣中開啟,而公釐波導引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強,因此可以在糟糕的天氣中探測,在這一點上公釐波雷達更勝一籌。

從**上來講,雷射雷達比公釐波雷達在測距、識別障礙物方面更準確,但由於雷射雷達獲取的資料量遠超公釐波雷達,所以需要更高效能的處理器來處理資料,成本高了,售價自然就更貴了。但雷射雷達在準確性上可以得到更多的保證。

幾種感測器效能對標

其實lidar和公釐波雷達都屬於電磁波雷達的範疇,只是公釐波雷達技術屬於微波範疇,用公釐波作為發射源,而lidar技術用紅外線光、可見光或紫外光等奈米波作為光源。

其實在很久以前,有一種關於人類視覺成像的假說,這種假說認為人們覺得眼睛會發出的看不見的光線,然後擊中了外面的世界中的物體,使它們變得對人類可見。當然,你我都知道,事實的情況情況並非如此,反而是物體發出的光擊中了人眼,才讓人們感知。

但這並不意味著這不是乙個完美的觀察方式。事實上,這種原理就是雷射雷達背後的基本思想,一種數字式的成像形式,已經被證明在從考古學到自動駕駛汽車、消費電子產品所有領域都非常有用。前陣子,lidar幫**古學家對瑪雅文化的古城進行了深度建模。

無論是公釐波雷達,還是lidar,都需要存在一組或多組發射接收裝置。以lidar為例,傳統的機械lidar需要光源、反射鏡、和接收器。由於早期的lidar系統採用純機械式探測方式,是指其發射系統和接收系統存在巨集觀意義上的轉動,也就是通過不斷旋**射頭,將速度更快、發射更準的雷射從「線」變成「面」,並在豎直方向上排布多束雷射(即32線或64線雷達),形成多個面,達到動態3d掃瞄並動態接收資訊的目的。

這也就造成了它體積的龐大,不好與小型的消費電子產品整合。且**十分昂貴。2023年google發布的無人駕駛汽車,乙個機械式lidar的就要7萬美元。這種體積龐大、**昂貴的機械式lidar難逃變為先烈的厄運。

歸功於半導體技術的發展,製造內部非移動結構或相對較小的移動結構的lidar器件,成為了lidar小型化的首要任務,目前lidar小型化的技術設想主要有三種。

雷射由於波長較短,面對極端天氣如雨、霧、霾時,測量準確性會大大下降。這時公釐波雷達的存在就顯得十分有必要了。

在智慧型駕駛感測器領域,和lidar相比,公釐波雷達更接地氣,在技術上已非常成熟,而且其市場出貨量相當可觀,公釐波實質上就是電磁波。公釐波的頻段比較特殊,其頻率高於無線電,低於可見光和紅外線,頻率大致範圍是10ghz—200ghz。公釐波介於微波和thz(1000ghz)之間,可以說是微波的乙個子集。

在這個頻段,公釐波相關的特性使其非常適合應用於車載領域。目前,比較常見的車載領域的公釐波雷達頻段有三類。

其一是24—24.25ghz這個頻段,目前大量應用於汽車的盲點監測、變道輔助。雷達安裝在車輛的後保險槓內,用於監測車輛後方兩側的車道是否有車、可否進行變道。這個頻段也有其缺點,首先是頻率比較低,另外就是頻寬比較窄,只有250mhz。

第二類頻段就是77ghz,這個頻段的頻率比較高,國際上允許的頻寬高達800mhz。這個頻段的雷達效能要好於24ghz的雷達,所以主要用來裝配在車輛的前保險槓上,探測與前車的距離以及前車的速度,實現的主要是緊急制動、自動跟車等主動安全領域的功能。

第三類應用頻段就是77ghz—81ghz,這個頻段最大的特點就是其頻寬非常寬,要比77ghz的高出3倍以上,大約為4ghz。這也使其具備非常高的解析度,可以達到5cm。這個解析度在自動駕駛領域非常有價值,因為自動駕駛汽車要區分行人等諸多精細物體,對頻寬的要求很高。

而在波長方面,24ghz公釐波的波長是1.25cm,而77ghz公釐波的波長大概是4mm,公釐波的波長要比光波的波長長1000倍以上,所以它對物體的穿透能力更強。

77ghz雷達比24ghz的第乙個優勢在距離解析度和精度。

與24ghz頻段下的只有250mhz頻寬的ism頻段相比,77ghz頻段下的srr頻帶可提供高達4ghz的掃瞄頻寬,顯著提高了距離解析度和精度。

由於距離解析度和精度與掃瞄頻寬成反比,因此與24ghz雷達相比,77ghz雷達感測器在距離解析度和精度方面的效能更好,經過測試發現可提高20倍。高距離解析度可以更好地分離物體(例如站在汽車附近的人)並提供檢測到物體的密集點,從而完善環境建模和物體分類,這對於研發先進的駕駛輔助演算法和自動駕駛功能非常重要。

此外,解析度越高,感測器識別的最小距離就越小,因此在停車輔助等需要高精確度的應用方面,77-81ghz雷達有著顯著的優勢。

第二個優勢在速度解析度和精度。速度解析度和精度與射頻頻率成反比。 因此,頻率越高,解析度和精度就越好。與24 ghz感測器相比,77 ghz感測器可將速度解析度和精度提高3倍。對於汽車停車輔助應用,速度解析度和精度是至關重要的,因為在停車時需要以低速準確地操縱車輛。

第三個優勢是晶元設計尺寸的縮小。較高射頻頻率的主要優勢之一就是感測器尺寸可以更小。對於相同的天線視場和增益,77ghz天線陣列的尺寸可以在x和y維度上減小約3倍。這種尺寸上的縮減在汽車上非常有用,主要體現在汽車周圍的應用(包括需要安裝近距離感測器的門和後備箱)和車內的應用。

但是公釐波雷達也存在一些不足,第一就是很難獲得觀測物體z座標的資料,只能獲得x軸和y軸的座標,因此只能測距,無法輸出影象訊號。因此,xy與速度v資訊只能得到乙個3d的物體資訊。第二,對橫向目標敏感度低,例如:對橫穿車輛檢測效果不佳;第三,行人反射波較弱,對行人解析度不高,探測距離近;第四,對高處物體和小物體的識別不佳。

如今公釐波雷達和lidar都進入了4d識物的維度,公釐波雷達在努力完善自己對z軸座標的獲取,而lidar則也憑藉都卜勒效應探測,可以獲得物體速度資訊。下圖是lidar獲得的雷達點雲圖。

上文中也提到了,由於距離解析度和精度與掃瞄頻寬成反比,那麼說明擁有更高掃瞄頻寬的lidar比公釐波雷達擁有更可靠的精度和探測距離。

我們堅信,未來的汽車自動駕駛技術不可能是單一技術獨佔的,一定是基於可見光視覺(cis camera)、公釐波雷達、超聲波雷達、lidar幾種感測器相互配合的。本月初在台灣發生的tesla迎面撞向翻倒卡車的案例,就足以證明了公釐波雷達在防撞預警上的缺陷。因為公釐波雷達無法識別影象,而tesla的演算法也把公釐波雷達探測到的靜止的物體直接交給camera sensor去解析,以免造成算力的浪費。但camera sensor對於白色的影象解析一直是tesla的弱項,在前幾年美國弗羅裡達的事故中,tesla也把卡車的白色側面當作了天空中的雲。可見自動駕駛技術目前其實只實現到l2-l3的水平,離我們所期待額l4-l6還存在很大的差距。

在不久的將來,低成本、小型化、高可靠性的lidar登上汽車的時候,我們的駕駛信賴性也會隨著多種感測器技術的不斷配合而做的越來越好。

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雷射雷達與公釐波雷達區別講解

說起雷射雷達和公釐波雷達,相信業內人士並不陌生,雷射雷達是以發射雷射束探測目標的位置 速度等特徵量的雷達系統。而公釐波雷達是指工作在公釐波波段探測的雷達。公釐波實質上就是電磁波。公釐波的頻段比較特殊,其頻率高於無線電,低於可見光和紅外線,頻率大致範圍是10ghz 200ghz。這是乙個非常適合車載領...