上個(gè)月，無人機(jī)方案提供企業(yè)Aerotenna獲得了在美國紐約州雪城舉辦的無人機(jī)交通管制峰會無人機(jī)避障比賽的冠軍，與通常無人機(jī)采用的超聲波或雙目等方案避障不同的是，Aerotenna的避障方案采用以雷達(dá)技術(shù)為基礎(chǔ)的μSharp 360度微波雷達(dá)。

隨著無人機(jī)應(yīng)用的成熟和大規(guī)模普及，穩(wěn)定、可靠的避障系統(tǒng)對于無人機(jī)來說越發(fā)重要，而目前市面上的很多無人機(jī)產(chǎn)品所用的傳感方案無外乎視覺、超聲波等傳統(tǒng)方案，相對這些傳統(tǒng)方案，雷達(dá)的可靠性、準(zhǔn)確度以及感知距離都定高相對上了一個(gè)層次。

那么毫米波雷達(dá)應(yīng)用在無人機(jī)上到底是個(gè)什么樣的存在，其中有什么樣的技術(shù)難度和壁壘？

本期公開課我們請到了Aerotenna北京研發(fā)中心技術(shù)負(fù)責(zé)人冀連營博士，為大家講解《小型民用毫米波雷達(dá)及其應(yīng)用》。

嘉賓介紹

冀連營，北京理工大學(xué)信號與信息處理專業(yè)博士，師從北理工雷達(dá)技術(shù)研究所高梅國教授，主攻數(shù)字信道化雷達(dá)接收機(jī)。

2009年畢業(yè)進(jìn)入中國科學(xué)院大學(xué)讀博士后，新加坡國立大學(xué)訪問學(xué)者，2012年博士后出站開始在中國科學(xué)院大學(xué)電子學(xué)院任教。期間作為合伙人共同創(chuàng)辦中國科學(xué)院大學(xué)傳感網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用中心產(chǎn)業(yè)化公司，任技術(shù)總監(jiān)。

2015年加入Aerotenna公司，聯(lián)合創(chuàng)立北京研發(fā)中心并任技術(shù)負(fù)責(zé)人。負(fù)責(zé)無人機(jī)與汽車毫米波雷達(dá)、SOC FPGA架構(gòu)無人機(jī)飛控研發(fā)。

以下是冀連營博士演講全部內(nèi)容記錄精編：

毫米波的基本特性

大家都知道雷達(dá)使用電磁波，電磁波這個(gè)媒介決定了微波雷達(dá)區(qū)別于超聲、聲吶等其它方法。

電磁波是交變電磁場，在自由空間傳播，這個(gè)電磁場交變的頻率，決定了雷達(dá)的基本屬性。當(dāng)然，波長和頻率是一個(gè)等效的概念。電磁波按頻率劃分有這么幾個(gè)典型的頻段：

平時(shí)用的無線電是低于300Mhz的頻段，主要是AM，F(xiàn)M廣播使用。

微波頻段是通信和雷達(dá)使用的主要頻段，這是個(gè)很寬的頻，有300Mhz--300GHz，我們要講的毫米波是微波的一個(gè)子頻段。

大家可以看到的是，可見光、紅外、激光等，這些也是電磁波的一種但是由于頻率的不同，它和微波頻段的特性有很大差異。

所以所基于可見光、紅外、或者激光的方法一般就嚴(yán)格的講就不叫雷達(dá)了，雖然激光的機(jī)理和雷達(dá)可能是類似的。

那么不同頻段的電磁波主要的區(qū)別在哪里呢？就是以下這幾個(gè)特性，當(dāng)電磁波在空間傳播的時(shí)候，它傳播的介質(zhì)一改變，就會發(fā)生反射、吸收、透射、衍射等現(xiàn)象。不同頻段的電磁波，這幾種現(xiàn)象的占比就很大差異。

那么我們知道無論是雷達(dá)、主動(dòng)紅外、激光雷達(dá)都是基于反射這個(gè)特性，不同頻率的電磁波在反射特性上就有很大差異，這個(gè)一方面取決于介質(zhì)，也就是反射面的材質(zhì)。比如金屬的材質(zhì)更容易反射微波，水主要會吸收電磁波，那么水下我們就很少使用雷達(dá)。同時(shí)，這個(gè)反射、透射等特性還取決于電磁波的頻率。比如我們的廣播，一般在屋里也能接收到，但是wifi在隔了幾堵墻可能就很弱了，紅外和光根本就一張紙可能也透不過去。這是因?yàn)?，波長越長，越容易發(fā)生透射和衍射現(xiàn)象，而波長越短，則很容易被反射。

一般來講電磁波波長和介質(zhì)的尺寸之間的關(guān)系，如果大于，那么就容易透過和衍射，如果小于則容易反射。當(dāng)然這里特別的是射線，因?yàn)樗疽粤Ｗ訉傩詾橹?，所以基本不能看做是波了?/p>

我們要講的毫米波的波長是1cm到1mm之間，這個(gè)波長是很短的，它靠近太赫茲或者紅外，但是比這兩者的波長還長很多，這個(gè)波長早期開發(fā)起來難度很大，是近十年左右才利用起來的。

就像剛剛我們講的，我們現(xiàn)在能用來通信和處理的電磁波頻率越來越高，現(xiàn)在已經(jīng)講太赫茲、可見光通信了，這得益于技術(shù)的發(fā)展。毫米波這個(gè)波段30---300GHz，頻率很高，但是這個(gè)頻段里很多頻率區(qū)域的電磁波在空氣里傳播很容易被水分子、氧氣吸收，所以可用的就是幾個(gè)典型的頻段，也就是這里列出來的24、60、 77,、120GHz。當(dāng)然24GHz很特別，他嚴(yán)格來講不是毫米波，因?yàn)樗牟ㄩL在1cm左右。但是它是最早被利用的?，F(xiàn)在各個(gè)國家把24GHz劃出來可以民用，77GHz劃分給了汽車防撞雷達(dá)，24Ghz也在汽車?yán)镉玫米钤纭?/p>

毫米波由于它的波長很短，就有別于無線電和較低頻的微波，根據(jù)剛才說的反射特性等特點(diǎn)來講，首先它很接近于光的傳播特性，對于較小的反射面（物體）也能較好的反射，另外由于頻率很高，它可調(diào)制的帶寬非常大。還有，一會我們會說到，由于波長很短，天線就可以很小。但是由于波長小，在空間傳播很容易被阻擋和吸收，那么也就導(dǎo)致它作用距離不可能太遠(yuǎn)，當(dāng)然這個(gè)遠(yuǎn)近是相對其他波段來說的，一般作用距離1km以內(nèi)。

 毫米波雷達(dá)的檢測、測距、測速和角度測量

下面我們來說一下毫米波雷達(dá)。

我們知道雷達(dá)就是發(fā)射電磁波并通過檢測回波來探測目標(biāo)的有無和遠(yuǎn)近的一種電子裝置。這個(gè)和超聲、主動(dòng)紅外、激光都一樣。只不過我們強(qiáng)調(diào)用了Radio。

毫米波和大多數(shù)微波雷達(dá)一樣，有波束的概念，也就是發(fā)射出去的電磁波是一個(gè)錐狀的波束，而不像激光是一條線。這是因?yàn)檫@個(gè)波段的天線，主要以電磁輻射，而不是光粒子發(fā)射為主要方法。這一點(diǎn)，雷達(dá)和超聲是一樣，這個(gè)波束的方式，導(dǎo)致它優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)，可靠，因?yàn)榉瓷涿娲?，缺點(diǎn)，就是分辨力不高。

毫米波雷達(dá)可以對目標(biāo)進(jìn)行有無檢測、測距、測速以及方位測量。

判斷有沒有目標(biāo)很簡單，判斷回波有沒有就行了。

測距也簡單，都是基于TOF原理，但是我們說電磁波的傳播速度是光速，所以這個(gè)帶來了一定的挑戰(zhàn)。剛才我們說毫米波雷達(dá)作用距離都不太遠(yuǎn)，比如我們說汽車或者無人機(jī)，那么探測距離就很近，回波和發(fā)射波間隔就非常短，所以一般并不太適合使用簡單的發(fā)射脈沖方式，所以現(xiàn)在主要是用FMCW方式較多。

毫米波雷達(dá)測速和普通雷達(dá)一樣，有兩種方式，一個(gè)基于dopler原理，就是當(dāng)發(fā)射的電磁波和被探測目標(biāo)有相對移動(dòng)、回波的頻率會和發(fā)射波的頻率不同。通過檢測這個(gè)頻率差可以測得目標(biāo)相對于雷達(dá)的移動(dòng)速度。但是這種方法無法探測切向速度，第二種方法就是通過跟蹤位置，進(jìn)行微分得到速度。

最后一個(gè)，是毫米波雷達(dá)的側(cè)向，雷達(dá)對目標(biāo)方位的探測主要基于一種方法，就是使用較窄的波束。因?yàn)楫?dāng)目標(biāo)出現(xiàn)在波束里，我們一般沒有辦法判斷目標(biāo)具體在這個(gè)波束內(nèi)部的那個(gè)方向，所以我們必須把波束做窄，當(dāng)然能和激光一樣最好，但是這個(gè)很難。那么把波束做窄，有幾種方法，一種使用有向天線，比如喇叭天線或者透鏡天線。還有一種方法，就是使用多根天線+陣列信號處理的方法。對于毫米波來講，由于波長很短，所以我們做很多根天線的代價(jià)就很小（這個(gè)代價(jià)指價(jià)格、尺寸），所以毫米波雷達(dá)大量使用陣列天線的方式來構(gòu)成窄波束，能多窄呢？比如3度，5度這樣，是汽車常用的。當(dāng)然這個(gè)和激光還不能比，但是已經(jīng)很好了。

毫米波雷達(dá)的基本技術(shù)

民用毫米波雷達(dá)首先應(yīng)用的方向是汽車應(yīng)用，大約199X年的時(shí)候，毫米波雷達(dá)就被用于汽車的ACC功能（自適應(yīng)巡航）了，也就是在高速上跟著前車跑，他慢你慢，他快你快，保持一定距離。這依賴于毫米波長達(dá)200米以上的距離探測功能，其它手段是很難做到的。到后來，又陸續(xù)發(fā)展為防撞、盲區(qū)探測等其它功能，但是這個(gè)技術(shù)一直很貴，并且對國內(nèi)封閉，直到2012年，出現(xiàn)了芯片級別的毫米波射頻芯片，這個(gè)技術(shù)的門檻一下降低了，所有應(yīng)用打開了一個(gè)窗口。

毫米波雷達(dá)一般有這么幾個(gè)構(gòu)成部分：天線、射頻、基帶、以及可能的控制層。

我們一個(gè)一個(gè)來說，首先天線。

剛才我們講，毫米波雷達(dá)波長幾個(gè)毫米，由于天線尺寸和波長相當(dāng)，所以毫米波雷達(dá)的天線可以很小，從而可以使用多根天線來構(gòu)成陣列天線，達(dá)到窄波束的目的，隨著收發(fā)天線個(gè)數(shù)的增多，這個(gè)波束可以很窄很窄。另外一個(gè)因素是，由于波長很小，毫米波可以使用一種”微帶貼片天線“，就是圖片里這個(gè)樣子，在pcb板上的ground層上鋪幾個(gè)開路的微帶線，就能做天線。這個(gè)導(dǎo)致毫米波雷達(dá)的天線可以做成pcb板。和大家常見的wifi和藍(lán)牙的pcb天線很像。當(dāng)然，由于毫米波的頻率很高，那么一般需要高頻板材。實(shí)際上國內(nèi)在一兩年前，都還不具備制作這個(gè)天線的能力。

接著是毫米波雷達(dá)的射頻部分。

剛才我們提過，早些年用離散器件搭難度很大，只有幾個(gè)大廠能做，并且形成了技術(shù)壁壘，但是芯片級別的毫米波射頻芯片的推出，門檻迅速下降，之前幾萬塊錢的毫米波雷達(dá)，現(xiàn)在可以1000塊左右了。當(dāng)前使用sige工藝的片子還略貴，很多廠家在研發(fā)cmos工藝的，如果成功，可能就白菜價(jià)了。

最后是毫米波雷達(dá)的數(shù)字信號處理部分。

這部分就是一些算法，主要包括陣列天線的波束形成算法、信號檢測、測量算法、分類和跟蹤算法。這個(gè)就不展開了，因?yàn)樯婕暗拿嫣嗔?。雷達(dá)的原理是簡單的，但是要做好，功夫就都要下在這個(gè)地方。

另外，還有一些廠家的方案，都是從射頻帶基帶一體的解決方式，我們可以預(yù)見，不遠(yuǎn)的將來，集成程度會更高，到時(shí)候都是單芯片的方案了。

毫米波雷達(dá)的兩個(gè)應(yīng)用

一個(gè)當(dāng)然就是汽車。

由于毫米波雷達(dá)的距離遠(yuǎn)、可靠性高、不受光線、塵埃影響，相比攝像頭，它距離150米以上的特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝出。相比激光，1000塊左右的價(jià)格也是大大勝出。所以現(xiàn)在仍然是主流技術(shù)。

當(dāng)然剛才我們提到它分辨力略低，那么和攝像頭的融合必然是一個(gè)趨勢。

當(dāng)然，激光雷達(dá)在拼命的技術(shù)革新，想把價(jià)格降下來。由于技術(shù)和價(jià)格的迅速普及，原來只有50萬以上的車才有的毫米波雷達(dá)，現(xiàn)在十幾萬的車上也慢慢開始裝了，而且，telsa這樣ADAS領(lǐng)導(dǎo)者，也開始從汽車?yán)走_(dá)廠商挖技術(shù)主管，并且在九月份開始裝配到它的電動(dòng)車上了?？梢钥闯鰜恚撩撞ɡ走_(dá)在汽車上的應(yīng)用還是主流技術(shù)。

另一個(gè)就是無人機(jī)。

我們常講，汽車和無人機(jī)其實(shí)是很像的：高速移動(dòng)，安全第一。

高速，必然要求，探測距離足夠遠(yuǎn)。安全，必然要求檢測方法的魯棒性，和受環(huán)境影響小。

當(dāng)然在某些應(yīng)用里，無人機(jī)的環(huán)境比汽車也要復(fù)雜一點(diǎn)。

毫米波雷達(dá)在軍事有人機(jī)、無人機(jī)早已大規(guī)模應(yīng)用。

其在無人機(jī)的第一個(gè)應(yīng)用，也是目前市場最大的，是植保無人機(jī)的定高應(yīng)用。

我們知道gps和氣壓計(jì)測的是海拔高度，而植保時(shí)，我們希望無人機(jī)在作物上方固定的高度飛行，無論地面和植被是否起伏。這個(gè)也叫仿地飛行。這種應(yīng)用有很多的解決方案，比如我們說的超聲、激光、紅外、雙目等等。但是由于植保環(huán)境大多很差，有很大的灰塵，還有水霧，那么超聲和基于光學(xué)的都會受到很大干擾。

目前來看，基于毫米波雷達(dá)的高度計(jì)，表現(xiàn)是最穩(wěn)定的，首先他能穿透塵埃水霧，另外也基本不受什么干擾?；诓ㄊ?，而不是點(diǎn)反射，高度恰恰反映植被葉片高度。

無人機(jī)方面第二個(gè)應(yīng)用就是避障。

這個(gè)同樣是一個(gè)多種傳感器爭奪的戰(zhàn)場。但是我們講毫米波雷達(dá)有不受光線影響、作用距離有非常大、可靠等優(yōu)勢，而這些優(yōu)勢在軍事有人機(jī)、汽車、無人機(jī)方面都被證明。

當(dāng)然，雷達(dá)的分辨力確實(shí)較低。但是我們講過，由于陣列天線的優(yōu)勢，其實(shí)這個(gè)是可以有很大提高的，有3-5度的分辨力是有可能的。在美國這個(gè)避障比賽里，我們用毫米波雷達(dá)是得了第一的。所以請大家也有信心。這里有一個(gè)對比圖，大家可以看一看。

所以我們說毫米波雷達(dá)是有很大的調(diào)整空間的，比如波束寬度、作用距離、價(jià)格等。我們相信毫米波雷達(dá)在無人機(jī)測高、避障上優(yōu)勢很明顯，但也有需要光學(xué)來補(bǔ)充的地方。因此，我們提出這樣一個(gè)架構(gòu)，使用毫米波雷達(dá)進(jìn)行360度避障，和高度測量。

當(dāng)然這樣的架構(gòu)下，也需要更強(qiáng)的飛控處理平臺和技術(shù)。

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