中投证券电子团队行业趋势热点前瞻解析系列之十三车载毫米雷达波无人驾驶汽车之眼

车载毫米雷达波——无人驾驶汽车之“眼”2016年9月28日中国中投证券有限责任公司研究总部参与人：耿琛(S0960115100022)证券研究报告/行业研究张雷(S0960116060029)张磊(S0960116030023)电子首席分析师：孙远峰(S0960516020001)中投证券电子团队，行业趋势热点前瞻解析系列之十三21•为什么看好车载毫米波雷达？2•车载毫米波雷达如何工作？关键技术有哪些？3•车载毫米波雷达有何发展趋势？4•国内外行业差距及市场发展前景如何？5•受益标的有哪些？主要内容中投电子孙远峰团队3车载毫米波雷达——无人驾驶汽车之“眼”中投电子孙远峰团队汽车ADAS系统常用主要功能资料来源：公开资料整理、中国中投证券研究总部ACC自适应巡航AdaptiveCruiseControlAEB自动紧急制动AutonomousEmergencyBrakingFCW前向碰撞预警ForwardCollisionWarningBSD盲点监测BlindSpotDetectionLCA变道辅助LaneChangeAssistPDS行人检测系统PedestrianDetectionPA泊车辅助ParkingAssistanceLKA车道保持LaneKeepAssistLDW车道偏离预警LaneDepartureWarning无人驾驶=高级驾驶辅助系统（ADAS）+车联网（V2V/V2X/……）AdvancedDriverAssistanceSystemsVehicletoVehicle/VehicletoX（外界）4车载毫米波雷达——无人驾驶汽车之“眼”中投电子孙远峰团队美国高速公路安全局关于无人驾驶阶段划分国际自动机工程师学会关于智能驾驶等级分类L0L1L2L3L4完全不具备自动驾驶功能。具有预警类ADAS系统仍属于L0阶段。1个或多个功能自动化。且各项之间独立工作。如具备ACC,ESC功能中的一个。组合功能自动化。至少两种功能自动化且能协同工作；如ACC,ELA,AEB同时工作。限定环境下的无人驾驶。在某些特定环境下，如高速、城市道路等实现自动驾驶。任意环境下的完全无人驾驶。单车智能与车联网技术已成熟，汽车完全自动驾驶。L0无自动驾驶功能2000年2015年2025年2035年L1辅助驾驶功能L2部分自动驾驶功能L3有条件下自动驾驶L4高度自动驾驶L5完全自动驾驶目前绝大部分汽车处于L0~L2阶段，即ADAS的应用普及阶段。ADAS的普及和融合既能促进单车的智能化，同时也是完全无人驾驶实现的基础条件。谷歌的无人驾驶汽车已经达到L3水平，各大整车厂在无人驾驶方面也正从L1阶段向L2以上阶段过渡。资料来源：NHTSA、中国中投证券研究总部资料来源：SAE、中国中投证券研究总部L1——L3L4L5ADAS自动紧急制动AEB、主动巡航系统ACC、前向碰撞预警FCW、PA、LDW……ADAS+V2X资料来源：谷歌、中国中投证券研究总部完全自动驾驶ADAS的普及是未来无人驾驶实现的先行条件，是提高汽车主动安全性能的技术基础。5车载毫米波雷达——无人驾驶汽车之“眼”中投电子孙远峰团队多种传感器融合应用是未来必然趋势，毫米波雷达将率先成为ADAS系统主力传感器。ADAS系统三大模块环境感知计算分析控制执行算法芯片电子制动电子驱动电子转向传感器汽车ADAS系统传感器性能对比参数/性能超声波雷达摄像头红外线激光雷达毫米波雷达成本很低适中适中目前很高适中探测角度120°30°30°15°-360°10°-70°远距离探测弱强一般强强夜间环境强弱强强强全天候弱弱弱弱强不良天气环境一般弱弱弱强温度稳定性弱强一般强强车速测量能力一般弱一般弱强路标识别X√XXX资料来源：IEEE、中国中投证券研究总部毫米波雷达是什么?毫米波雷达是使用工作频段为30～300GHz毫米波(波长为1～10mm)的雷达。毫米波的波长介于厘米波和光波之间，因此毫米波兼有微波制导和光电制导的优点。同厘米波雷达相比，毫米波雷达具有体积小、易集成和空间分辨率高的特点。早期毫米波雷达主要应用于军事领域，随着雷达技术的发展与进步，毫米波雷达传感器开始应用于汽车电子、无人机、智能交通等多个行业中。常见的车载毫米波雷达工作频段为24GHz频段和77Ghz频段。少数国家（如日本等）采用60GHz频段。资料来源：公开资料整理、中国中投证券研究总部6车载毫米波雷达——无人驾驶汽车之“眼”中投电子孙远峰团队功能视觉传感器红外线激光雷达毫米波雷达长距中短距BSD盲点检测★★★LCA变道辅助★★★LKA车道保持★★★EBA电子刹车辅助★★★TSP交通标志识别★LDW车道偏离预警★PA泊车辅助★★★PDS行人检测系统★★★NVS夜视系统★★FCW前向碰撞预警★★★ACC自适应巡航★★★AEB自动紧急制动★★资料来源：中国产业信息网、中国中投证券研究总部汽车ADAS系统传感器功能对比长/中短距离车载毫米波雷达简介LRR长距离雷达SRR/MRR短/中距离雷达窄带雷达宽带雷达覆盖距离可达280m覆盖距离达30/120m车速上限250km/h车速上限150km/h探测幅度窄探测幅度较宽空间分辨率一般为0.5m近距离精确度可达cm级常用于ACC自适应巡航即时监测车辆周围环境Bosch长距离77GHz前向距离1-250m大陆短距离24GHz前向60m后向20m资料来源：NXP、Bosch、中国中投证券研究总部7车载毫米波雷达——无人驾驶汽车之“眼”中投电子孙远峰团队毫米波雷达目前主要应用于中高端车型，随着大众对汽车主动安全性能的认可度增加，ADAS相关产品将逐渐向低端车型普及。完全实现ADAS各项功能一般需要“1长+4中短”5个毫米波雷达。目前全新奥迪A4采用5个毫米波雷达（1长+4短），奔驰的S级采用7个毫米波雷达（1长+6短）。以自动跟车型（Stop&Go）ACC功能为例，一般需要3个毫米波雷达。车正中间一个77GHz的LRR，探测距离在150-250米之间，角度为10度左右；车两侧各一个24GHz的MRR，角度都为30度，探测距离在50-70米之间。AEB是最有实际意义的ADAS功能，未来会成为中高档汽车的标配，需要1个77GHzLRR。奔驰S级采用7个毫米波雷达“1LRR+6SRR”，基本可实现各项ADAS功能；资料来源：Benz、中国中投证券研究总部81•为什么看好车载毫米波雷达？2•车载毫米波雷达如何工作？核心工艺有哪些？3•车载毫米波雷达有何发展趋势？4•国内外行业差距及市场发展前景如何？5•受益标的有哪些？主要内容中投电子孙远峰团队9车载毫米波雷达工作路径及功能中投电子孙远峰团队短距毫米波雷达SRR（24GHz）功能资料来源：中国产业信息网、中国中投证券研究总部长距毫米波雷达LRR（77GHz）功能前向碰撞预警FCW自适应巡航ACC自动紧急制动AEB资料来源：中国产业信息网、中国中投证券研究总部前向SRR功能后向SRR功能LRR与SRR/MRR结合应用ADAS系统中毫米波雷达工作路径简图天线天线收发开关接收机发射机信号处理器汽车控制电路报警装置汽车变速传感器汽车刹车制动器环境感知（毫米波雷达）资料来源：互联网资料整理、中国中投证券研究总部计算分析算法芯片控制执行车载毫米波雷达通过天线向外发射毫米波，接收目标反射信号，经后方处理后快速准确地获取汽车车身周围的物理环境信息（如汽车与其他物体之间的相对距离、相对速度、角度、运动方向等），然后根据所探知的物体信息进行目标追踪和识别分类，进而结合车身动态信息进行数据融合，最终通过中央处理单元(ECU)进行智能处理。经合理决策后，以声、光及触觉等多种方式告知或警告驾驶员，或及时对汽车做出主动干预，从而保证驾驶过程的安全性和舒适性，减少事故发生几率。10车载毫米波雷达工作体制中投电子孙远峰团队资料来源：网络整理、中国中投证券研究总部根据辐射电磁波方式不同，毫米波雷达主要有脉冲体制以及连续波体制两种工作体制。车载毫米波雷达最常用的工作体制：LFMCW线性调频连续波工作方式脉冲体制（脉冲多普勒雷达）连续波体制CW恒频连续波FSK频移键控连续波FMCW调频连续波特点多用于近距离目标信息测量；技术比较成熟；测量过程简单，测量精度较高；可探测目标速度；可探测移动目标的位置与速度信息；探测时间短，精度高；能同时测出多个目标的距离和速度信息，可对目标连续跟踪，系统敏感性高，错误报警率低；不易受外界电磁噪声的干扰；测量距离远，分辨率高；所需发射功率低；成本较低；信号处理难易程度及实时性可达到系统要求；不足当目标近距离时，脉冲收发时间短，需要采用高速信号处理技术，结构要求复杂，成本大幅上升；高分辨率需要占用较大带宽；发射功率限制导致作用距离近；不能测量距离不能同时测量多个目标零差型FMCW调频连续波LFMCW线性调频连续波LFSCW线性步进调频连续波相位噪声性能较差,若收发天线共用,还需要一个环行器,使得收发通道的隔离度变差,而且增加了成本；车载毫米波雷达最常用的工作模式探测精度高，调制方式相对简单，后端处理相对复杂；FMCW与FSK模式联合使用，大大提高探测精度、分辨率；对基准频率源要求苛刻，增加了硬件设计难度，简化了后端基带数字信号处理；两种体制毫米波雷达电磁波辐射能量简图资料来源：网络整理、中国中投证券研究总部脉冲体制雷达连续波体制雷达资料来源：网络整理、中国中投证券研究总部11调频连续波雷达系统工作原理中投电子孙远峰团队FMCW毫米波雷达系统简图FMCW雷达系统主要包括收发天线、射频前端、调制信号源和信号处理模块等。1.FMCW调制信号发生器经过压控振荡器（VCO）产生高频信号（GHz级别），一部分能量耦合输入混频器作为本振信号，另一部分能量经功率放大器（PA）由发射天线以电磁波的方式向空中辐射。2.电磁波在空气中向前方传播过程中如遇到目标则会小部分反射，反射回来的回波信号被接收天线截获形成电信号。3.回波信号经低噪声放大器（LNA）放大，与本振信号在混频器进行混频，输出一个较低的差拍频率（一般为MHz级别），差频信号含有目标和雷达之间的距离和相对速度等信息。4.然后通过带通滤波器（BPF）放大滤波，A/D转换，对所得到的数字信号作FFT（快速傅氏运算），进行频谱分析，便可以获得目标和雷达之间的距离、相对速度及方位角等信息。5.最后后经由控制电路做出危险状况的判断，向驾驶员发出预警，或结合环境情况对汽车做出主动干预。资料来源：互联网资料整理、中国中投证券研究总部资料来源：互联网资料整理、中国中投证券研究总部FMCW毫米波雷达工作原理FMCW雷达有多种不同的频率调制方式，如正弦波调制、锯齿波调制、三角波调制等，不同调频方式的雷达硬件构成基本相同，只有小部分电路模块、电路参数与信号处理算法有所区别。对于单个静止物体的测量，锯齿波调制方式即可满足；对于运动物体，多采用三角波调制方式。下面以三角波为例说明FMCW毫米波雷达的测距、测速等原理。资料来源：互联网资料整理、中国中投证券研究总部12车载毫米波雷达核心工艺中投电子孙远峰团队前端单片集成电路MMIC和雷达天线高频PCB板是毫米波雷达的硬件核心。前端单片毫米波集成电路（MMIC）包括多种功能电路，如低噪声放大器（LNA）、功率放大器、混频器、甚至收发系统等功能。具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高、抗电磁辐射能力强等特点。雷达天线高频PCB板：毫米波雷达天线的主流方案是微带阵列，即将高频PCB板集成在普通的PCB基板上实现天线的功能，需要在较小的集成空间中保持天线足够的信号强度。车载雷达射频前端MMIC芯片和结构图雷达天线高频PCB板和结构图Bosch各代LRR雷达拆解图和RF模组演进资料来源：Bosch、中国中投证券研究总部资料来源：Infineon、Schweizer、中国中投证券研究总部相比于第2代LRR需要用几个砷化镓芯片生成、放大并检测77GHz微波，Bosch第3代LRR极大简化了雷达天线PCB板，仅使用1或2个英飞