太赫兹汽车雷达展望

前言：太赫兹汽车雷达不仅仅是当前毫米波汽车雷达的简单升级，在技术体制和功能上都将会有一个飞跃，有望实现周边场景的三维视频成像。

目前，实现汽车无人驾驶的三大主流传感器是光学摄像头、激光雷达与毫米波雷达。光学摄像头与激光雷达作为光学传感器，性能上存在覆盖距离近、恶劣天气工作受影响的缺点。毫米波雷达探测距离远、不受恶劣天气工作影响；但不能识别物体形状，且分辨率较低，主要用于避障。

汽车毫米波雷达工作示意图

汽车毫米波雷达主要工作频率有24GHz和77GHz，其中77GHz是未来发展的主流。其主要功能有盲点检测(BSD)、变道辅助(LCA)、开门预警(DOW)、后方碰撞预警(RCW)、后方横向交通预警(RCTA)等。

汽车毫米波雷达近距离需要宽波束大角度扫描，远距离需要窄波束小角度扫描。目前的主流技术是采用相控阵体制。目前已有厂商采用MIMO、DBF等先进雷达技术，优化波束扫描性能。

汽车毫米波雷达扫描示意图

2发4收天线阵示意图

采用2个发射天线与4个天线阵元可实现虚拟8阵元的测角效果，与1发8收等效，同时计算资源相比1发8收 节约1倍。天线尺寸可缩小40%，雷达体积可缩小23%。

现阶段，各厂商基本上采用的是一维相控阵方案，获取的是方位和距离的二维信息。因此不能识别物体形状，只能得到回波反射强度和速度信息，难以直接判断目标属性。二维相控阵技术难度大，硬件成本高，目前尚未有在汽车雷达领域应用的报道。

雷达方位分辨率是角度分辨率，随着距离增加，方位向空间分辨率会随之增加，带来定位精度的下降。而且方位分辨率与工作频率、天线孔径相关，改善方位向分辨率的方法通常是提升雷达工作频率，增大天线孔径(等效孔径)。考虑到汽车安装空间有限，天线孔径不可能无限制增加，提升雷达工作频率，看起来是进一步提高方位分辨率的唯一有效途径。

比毫米波更高的频段，是太赫兹(毫米波与太赫兹在频段划分上存在一定交叠)。太赫兹处于红外与微波之间，是唯一没有获得较全面研究并很好加以利用的波谱区间。

直接将现有汽车毫米波雷达的工作体制，提升至太赫兹频段，面临的最大挑战，就是相控阵体制目前在太赫兹难以实现，特别是关键器件移相器，现有的工艺在太赫兹频段难以量产。目前，国内外尚未有太赫兹相控阵雷达实现的报道。

SAR成像体制，目前也在被一些汽车雷达厂家研究。传统SAR方位向是通过机械扫描实现的，在汽车雷达领域，为了实现快速扫描，最好使用开关阵列。相比相控阵体制，SAR体制的一大优势是只需要一半孔径长度(实际上是合成孔径长度)就可以实现相同的方位向分辨率。

一维开关阵列已在毫米波安检仪中得到应用

当前人体安检领域使用的三维全息成像技术，可以看做一种近场SAR。目前处于技术领先的，是德国罗德施瓦茨的QPS200安检仪。采用稀疏二维阵列，工作在77GHz，可以在不到10ms时间内，完成扫描，实现三维全息成像。

罗德施瓦茨QPS 200安检仪与成像结果

相比二维相控阵，稀疏二维阵列不需要采用移相器、波束合成网络这些器件，硬件架构相对简单，而且天线总孔径可以更小，方便安装。可以用相对较低的硬件成本和较为简单的硬件架构，实现对周围场景的三维全息成像，成像速度可以达到视频级。稀疏二维阵列太赫兹汽车雷达，与现有一维相控阵体制的毫米波汽车雷达相比，无论是性能还是功能上，都会是一大飞跃。

但付出的代价是，需要进行复杂的SAR成像算法(传统雷达包括相控阵是扫描出来的，SAR是计算出来的)。而且考虑到汽车雷达的应用场景，成像计算必须实时完成。目前SAR实时成像的主流硬件平台有DSP、FPGA、GPU等，直接应用在汽车雷达上，成本、安装空间、功耗与散热等方面都存在较大困难。

5G标志

5G移动通信的出现，使得上述问题，有了新的解决思路。可以利用5G网络大带宽、低延时的特点，将雷达回波数据传送至远端高速处理平台处理，完成成像处理后，再将图像结果回传。即简化了太赫兹汽车雷达硬件，又为5G移动通信找到了一个应用方向。

太赫兹波与毫米波一样，不容易受天气和光线干扰。太赫兹汽车雷达相比光学摄像头与激光雷达，即使在恶劣天气下，性能也不会出现大幅度衰退；而功能与激光雷达类似(分辨率差一些)，在某些应用场景中，可能会替代激光雷达。

中国每年因为天气原因，导致高速公路封路，造成的直接与间接经济损失，预计至少在百亿人民币这个量级。未来太赫兹汽车雷达的出现，有望使这方面的损失大幅度缩小。预计太赫兹汽车雷达可能会先行应用于无人驾驶货车，即使天气恶劣，也能按时送货。

中国在毫米波汽车雷达领域，是个后来者，目前正在迎头赶上。太赫兹汽车雷达，预计将会在技术体制上有一个革命性的变化；功能性能相比现有毫米波雷达，会有巨大的飞跃。对于国内外相关厂商来说，重新洗牌的时刻到了。