交通雷达关于频率选择的几点考虑

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伴随着国内智慧交通建设的蓬勃发展,毫米波雷达作为交通感知设施不可或缺的核心传感器之一受到了交通行业越来越多的关注。但每次涉及具体的方案设计或产品选型时,经常面临着一个普遍的问题是:到底应该是选择24GHz还是77GHz频段的雷达传感器?本文针对这个问题,从技术、法规、干扰等多个角度进行了详细的对比和说明。

 

毫米波雷达的可用频段

目前主流的毫米波雷达主要使用的是24GHz、77GHz和60GHz这个三个频段。

24GHz,包括是从24.0GHz到24.25GHz,带宽为250MHz的窄带(NB)频段,这一频段是全球范围开放的通用ISM频段之一,常用于工业、科学和医学方面应用。24GHz频段还包括一个带宽为5GHz的超宽带(UWB)频段,但已经处于逐步退出中,所以我们这里说的24GHz频段指的是250MHz窄带ISM频段。

24GHz频段是全球通用的开放频段,这一特点使其成为了最早民用毫米波雷达应用的首选频段,上下游产业链成熟,目前国际市场上主流的交通雷达和上一代的车载雷达基本都是使用的24GHz频段。木牛领航的Wayv系列交通雷达,以及无人机高度计雷达Landing AG50使用的就是24GHz频段。

来自德州仪器Texas Instruments白皮书

77GHz频段,目前是专门被划分于车载应用,包括早期的76GHz-77GHz频段,以及后来新增加的79GHz-81GHz频段,总共4GHz的频带。77GHz频段是国内外雷达毫米波在汽车车载应用领域的研究热点。木牛领航也推出多款77GHz的雷达传感器,如汽车短距雷达T79、高分辨4D点云成像雷达O79。

除此之外,60GHz频段最近也受到了很多关注,尤其是在工业和物联网领域应用,原因是和24GHz频段一样,60GHz也是全球范围通用的ISM频段。木牛领航最新推出的面向物联网相关应用的室内人体运动感知雷达Wayv Air采用的就是60GHz的频段。

介绍完毫米波雷达的不同频段,我们再回到交通雷达到底什么频段更加适合的问题。我们将从性能、尺寸、法规限制以及雷达设备干扰等几个方面分别进行说明。

 

频率和交通雷达性能

交通雷达通常都是固定安装在道路上,用于对车辆、自行车和行人等目标的检测和测量。针对具体应用需求的不同,性能要求侧重点也会不同,但其最基本指标就是分辨力和精度,分别代表雷达在在距离、速度、角度三个方面区分不同车辆的能力和测量的准确程度。另外雷达检测距离也是很多客户比较关心的关键指标。下面,逐项分析不同频段对以上指标的影响:

 

雷达检测距离我们可以直接从雷达方程分析知道,与频率有关的主要因素有两个:一个是波长λ、一个是系统损耗Ls和传播衰减常数α。在同等的发射功率、天线参数(覆盖角度范围)下,我们可以看到,波长越长,雷达作用距离越远,距离与波长的平方根成正比。所以不考虑其它因素,24GHz的波长大约是77GHz的波长的3.2倍,所以作用距离会比77GHz远1.8倍左右。此外,24GHz的雷达系统损耗和传播损耗也都比77GHz小一些。

因此,在最远作用距离上,24GHz相对于77GH频段有比较大的优势,因此适合对雷达检测距离要求远的场景。例如,木牛领航的Wayv T1000 24GHz超视距交通雷达可以达到1千米以上的车辆检测距离。

最后提一下,现在也有一些提议使用60GHz用于交通路侧雷达,但60GHz关键阻碍就在于该频带受大气衰减影响非常大,不适合对于探测距离有较高要求的应用。

 

距离分辨力和精度:理论上,距离分辨力与雷达使用的频率范围(带宽)成正比。77GHz和79GHz的最大带宽能够分别达到1GHz和4GHz,但24GHz只有250MHz,所以理论上来讲,77GHz雷达的距离分辨力可以达到24GHz雷达的4倍,而79GHz雷达的距离分辨力可以达到24GHz的16倍。

但实际工程设计角度,要想真正发挥77GHz和79GHz的带宽优势,会有很多的限制,比如硬件成本,大带宽意味着需要更高速的模拟数字转换器(ADC)、更强大的处理器、更大容量的内存,导致硬件成本和系统复杂度的快速增加,或者需要牺牲其他的关键指标。其次,在实际情况中,通常情况也不太会出现长时间两辆车距离小于1米的情况,所以可以通过跟踪的方法进行区分比较近的车辆。

这也解释了为什么目前市场情况是,无论是24GHz还是77GHz的交通或者车载雷达,距离分辨率和精度的指标其实差别并不明显。以市面上最普遍的C品牌的77Ghz雷达为例,其使用的带宽也只有200多MHz,距离分辨力和木牛领航的Wayv T300 24GHz交通雷达非常接近。

 

速度分辨力和精度雷达测速是依据多普勒原理,也就是雷达接收的信号频率会因为相对速度不同而不同。通过测量这个频率差,可以获得相对速度,我们把这个频率差叫做多普勒频率。多普勒频率与载波频率成正比,意味着在同样速度情况下,因此理论上,77GHz雷达的测速分辨力可以达到24GHz的3倍左右。

但实际工程设计上,速度分辨力和精度会和其它因素耦合在一起,比如之前提到的ADC的采样率、处理器计算能力、,如果过于追求高速度分辨力,会导致很多的限制和问题,比如测速出错概率增加。因此,实际市场上销售的24GHz和77GHz产品,速度的分辨力和精度指标差距不大。

 

测角分辨力和精度目前普遍的测角方法是多发多收天线的DBF,其测角精度和分辨力主要取决于天线孔径,通俗的讲就是天线阵列的尺寸,与频率没有直接关系。

 

频率和设备尺寸

一般来说,雷达使用的频率越高,波长越长,同等情况下设备尺寸可以做的更小。理论上来讲,77GHz相比24GHz雷达在尺寸上应该可以做的更小,尤其是雷达的天线板。但现实情况中,由于77GHz雷达要想做到和24GHz雷达相同的探测距离,需要付出的代价更大,这些都会导致实际情况中的77GHz和24GHz的尺寸差异并没有理论上那么明显。以木牛领航的一款探测距离260米的交通雷达Wayv T300为例,其硬件尺寸相比市场上主流的C品牌的77GHz前向车载雷达寸尺差别大概仅30%左右,对于采用固定安装方式的交通雷达这种应用来说并没有本质区别。

但由于77GHz和24GHz雷达设备的本身尺寸就比较小,再加上路侧雷达这种固定安装的方式相比车载应用来说没有特别严格的安装空间限制,所以单从设备尺寸这一点来说,77GHz和24GHz的对于路侧雷达应用来说区别不是很大。

 

雷达干扰问题

交通雷达的干扰主要来自车载雷达的干扰,并且随着车载雷达的普及会进一步加剧。干扰会导致交通雷达对于车辆的感知灵敏度下降、探测距离缩短和检测准确度的严重下降,最终影响到道路行车的安全和效率。针对车载雷达干扰问题,部分雷达也集成了干扰压制算法来减轻影响,但并不能真正本质上解决问题。

雷达干扰问题在所有频率都会存在,但由于全球车载雷达24GHz到77GHz切换的发展趋势,77GHz频段干扰应该会越来越严重。根据佐思产研雷达月报的跟踪研究,2018年12月,中国乘用车市场的77GHz雷达出货量正式超越24GHz雷达,比原来预计的2020年转换年整整提前了一年多,并且这个趋势现在已经是越来越明显。

 

频率使用法规和国内现状

另一方面,车载雷达也会受到路侧交通雷达的干扰。干扰可能导致车载雷达的性能严重衰减,无法有效感知外部环境,对车辆、行人安全造成严重影响,因此部分国家对于不同应用场景的雷达频率制定了严格法规的限制。比如,美国联邦通信委员会FCC 14-97条例明确规定77-81GHz频段为车载雷达频段,除了机场异物检测FOD特殊应用,不能用于任何其他雷达固定安置的应用场景包括路侧感知应用。

从全球来看,车载毫米波雷达的趋势基本已经明确是往统一的77GHz频段(76-81GHz)发展,如果不出意外,我国的频率法规应该大趋势是会和和全球保持一致。

 

总结

最后,我们再一起来简单总结一下24GHz和77GHz频段的毫米波雷达在交通应用方面的优劣势。

首先,在作用距离性能方面,77GHz雷达由于频率高,更容易受大气、雨雾衰减影响,所以反而会弱于24GHz雷达。但77GHz雷达相比24GHz雷达可用带宽大,理论上距离分辨力和精度会有很大提升,但实际考虑硬件成本的限制和实际应用的需求,77GHz和24GHz雷达的在距离和速度的性能差异并不如理论上突出。

在设备尺寸方面,77GHz和24GHz雷达也没有太大差别,对于交通雷达应用来说基本可以不用考虑。

最后,法规方面和干扰方面,由于全球车载毫米波雷达的趋势基本已经明确是往统一的77GHz频段(76-81GHz)发展,虽然国内还没有和美国一样明确禁止77GHz在非车载领域的应用,但相比于24GHz通用开放频段的特点,将面临比较大的法规风险和干扰问题。

综上,针对交通应用77GHz和24GHz雷达孰优孰劣的争论,我们的建议是不应该脱离实际应用环境笼统做出结论,更好的做法应该是在仔细评估您的应用场景、性能需求、成本、法规和潜在干扰等多方面因素的情况下再做出合适的选择。如果您有这方面的需求或者想了解更多的信息,欢迎与我们取得深入探讨。

2020年7月22日 10:53
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