雷达与激光雷达

对视觉、雷达和激光雷达传感器的需求正在上升，这些传感器可以在汽车中实现辅助和自动驾驶功能，但汽车制造商现在正在推动供应商提出一些新的、苛刻的要求。

汽车市场对供应商来说一直很艰难。对于先进的驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶技术，oem希望在安全水平相同或更高的情况下，拥有更小、更快、更便宜的设备。一般来说，ADAS涉及汽车的各种安全功能，如自动紧急制动、车道检测和后方物体预警。

雷达是一种用于车辆盲点探测和其他安全功能的物体探测技术，就是一个很好的例子。“随着时间的推移，雷达模块已经大幅缩小。热的要求越来越难，”托马斯威尔逊说，生产线经理NXP．“所以，性能要求正在提高。尺寸变小了。成本要求也越来越高。”

如今汽车上使用的雷达模块是一种笨重的系统，它包含了基于不同工艺的多个芯片。但为了降低尺寸和成本，英飞凌、恩智浦、瑞萨和德州仪器正转向集成雷达芯片组，将各种组件组合在同一设备上。

雷达芯片组是某些应用的目标，但它们指出了一个新兴的趋势。IC制造商不再为不同的芯片使用不同的工艺，而是使用45纳米和28纳米的标准CMOS工艺集成雷达设备。其他工艺选项包括22nm批量和FD-SOI．

另一项技术激光雷达(LiDAR)正在从庞大的系统转向具有更多集成组件的更小的固态单元，以降低该技术的高成本。激光雷达(光成像、探测和测距)使用脉冲激光来测量距离。

还有其他因素在起作用。例如，该行业正在开发具有更高分辨率的下一代雷达，旨在取代激光雷达。但是激光雷达技术并没有停滞不前。

事实证明，没有一种技术可以涵盖所有ADAS/自动驾驶需求。如今，一些车辆配备了先进的视觉系统和雷达。随着时间的推移，它们还可能包括激光雷达，这意味着各种技术将共存。

每种技术都有其优点和缺点。“与雷达相比，激光雷达是一种更昂贵的系统，但它在识别物体方面更准确。激光雷达在雪、雨和雾等恶劣天气条件下有其局限性，”Semico Research总裁吉姆·费尔德汉(Jim Feldhan)说。“虽然雷达似乎不受天气条件的影响，但它不能像激光雷达那样准确地确定物体的大小和形状。”

为了帮助原始设备制造商走在前面，半导体工程公司研究了先进视觉、雷达和激光雷达的趋势，以及供应商试图降低成本的方法。

更安全的车
汽车制造商正在接受这些以安全为导向的技术，这是有充分理由的。据美国国家公路交通安全管理局(U.S. National Highway Traffic Safety Administration)统计，94%的严重交通事故都是由于驾驶员失误造成的。

因此，多年来，汽车行业在车辆中加入了更多的安全功能。根据恩智浦的威尔逊的说法，为了实现这一目标，汽车行业正在走两条平行的道路——新车评估计划(NCAP)和自动驾驶技术。

多年来，亚洲、欧洲和美国都推出了NCAP指导方针。在该项目中，汽车会接受测试，并根据车辆的安全性给予星级评级。五星级是最高等级，一星是最低等级。

“五星评级对汽车销售有巨大影响。更多的消费者被激励去购买五星级汽车，因为保费更低。而且，它们也更安全。”

每个大陆都有自己的NCAP标准。但简而言之，根据恩智浦的说法，基本的NCAP标准涉及几种ADAS技术，如自适应巡航控制、自动紧急制动、路口辅助、车道保持辅助等。

图1:NCAP五星评级标准。来源:NXP

在自适应巡航控制系统中，汽车在车流中自动调整速度。自动紧急制动是指车辆在感知到碰撞时自动刹车。

在车道保持辅助系统中，汽车将自动阻止驾驶员进行不安全的变道。然后，在路口辅助时，司机想要转弯。如果不安全，汽车会自动刹车。

NCAP路线图推动了汽车对更多传感器的需求。福特汽车副总裁Mark Granger表示:“例如，自动紧急制动将同时利用摄像头和雷达GlobalFoundries．“这项技术正开始从超豪华车型转向中端车型。”

除此之外，汽车制造商也在走一条涉及自动驾驶技术的平行道路，这一举措正在推动对摄像头、激光雷达和雷达的需求。然而，完全自动驾驶技术可能在10年或更长时间内不会成为主流。

图2:自动驾驶架构。来源:NXP

ADAS和自动驾驶技术只是这个等式的一部分。它们必须与车里的其他系统无缝配合，毫无故障。“这项技术可以归结为两个基本组成部分:1)车辆与互联网的连接，2)车辆感知周围环境并与之互动的能力，”福特汽车营销副总裁Steven Liu说联华电子．

刘说:“例如，车对车(V2V)和车对基础设施(V2X)的采用越来越多，这意味着车辆雷达系统的数量将持续增加。”这些系统所需的技术包括汽车的防撞雷达和全球定位系统，以及与红绿灯和车辆调度员交互所需的传感器。这些系统将与现有系统协同工作，如乘客舒适度和信息娱乐控制系统，以及调节温度、胎压和汽油的发动机监控子系统。”

还有另一个关键方面——安全。“许多半导体现在都是ADAS的一部分，对车辆的功能和安全至关重要，故障是不能容忍的。KLA-Tencor．“自动驾驶功能和最终自动驾驶的快速推进进一步推动了所有半导体芯片的完美协同工作，以保护车内人员和周围环境中其他人的安全。这是当今行业实现零缺陷要求的最大驱动力。”

不仅仅是视觉
与此同时，汽车制造商正在采取各种方法来实现ADAS。例如，特斯拉的汽车配备了8个摄像头、12个超声波传感器和雷达。超声波传感器通过声波测量到物体的距离。

特斯拉目前没有使用激光雷达，因为这项技术太昂贵了。相比之下，其他的可能包括摄像头、雷达和激光雷达。

无论哪种情况，先进的视觉都是等式的关键部分。TowerJazz CMOS图像传感器事业部高级副总裁兼总经理Avi Strum表示:“近年来，基于摄像头的传感器已经开始执行广泛的任务，如路标检测、车道偏离警告、光束控制、停车辅助，甚至是司机监控。”

但摄像头并不能提供所有的安全功能。“事实上，Mobileye等公司相信，仅靠基于摄像头的传感器就可以提供完整的ADAS解决方案，”Strum说。“虽然基于摄像头的传感器在光照充足或中等光照条件下提供了出色的环境横向分辨率，但在黑暗、下雨、有雾或下雪等恶劣条件下，其性能会迅速恶化。”

他补充说，这意味着相机传感器必须改进，即在动态范围和近红外灵敏度方面。

用雷达制造波澜
雷达也是ADAS组合的一部分。简单地说，雷达发射毫米范围内的电磁波。波信号在物体上反弹，然后被反射回来。然后，雷达系统捕捉信号，以识别物体的范围、速度和角度。

在一些汽车上，原始设备制造商使用短程和远程雷达。自适应巡航控制和自动紧急制动采用远程雷达(LRR)。对于LRR，雷达模块位于汽车保险杠后面的前中心。

图3:自动驾驶汽车雷达。来源:NXP

前置LRR在160-200米范围内以77 GHz的毫米波频率工作。通常，前置雷达模块包含几个不同的组件，如微控制器(MCU)和射频收发器。在操作中，收发器通过链路将雷达数据发送到单片机。

负责处理的mcu基于CMOS，正在从55nm或40nm迁移到28nm及以上。同时，独立收发器通常基于一种不同的高性能射频工艺，称为硅锗(SiGe)。有些人使用BiCMOS。这两种技术都处于更加成熟的节点。

前置LRR将保持在77 GHz，但技术已经开始改变。例如，作为最近产品推出的一部分，德州仪器(Texas Instruments)推出了一款将MCU和收发器结合在同一设备上的单芯片雷达产品。雷达芯片组基于45nm射频CMOS工艺，实现了不同组件的集成。

“单芯片雷达传感器解决方案比双芯片解决方案有许多优势，”TI产品经理Kishore Ramaiah表示。“因为它是一个射频CMOS解决方案，它具有更低的功耗和更高的集成度，这反过来意味着更小的尺寸和优化的BOM。”

然而，基于lrr的前置雷达可能会坚持离散解决方案，至少目前是这样。“这些LRR模块的设计有相当多的变化，这让我认为mcu和收发器在一段时间内将是分开的，”NXP的Wilson说。随着时间的推移，随着射频CMOS技术的进步，并能够支持LRR的射频性能要求，那么它将与SiGe更具竞争力。我希望他们能共存一段时间。”

真正的设计工作发生在短程雷达(SRR)模块中，目前该模块的工作频率为24 GHz，距离为60至70米。

SRR模块位于汽车后角，主要用于车道检测、车道保持等相关功能。同时，连接辅助也使用SRR，其中模块位于左前保险杠。

随着车辆向更先进的ADAS功能发展，SRR雷达正在从24 GHz频段发展到更高性能的79 GHz频段。79 GHz规格用于避免前面77 GHz的干扰。

后角雷达模块也正在从离散型转向芯片组型解决方案。“市场对射频CMOS在收发器与mcu集成方面很感兴趣。这并不是针对远程前向雷达，而是针对角雷达，它们需要更小，而且对成本更敏感。”

对于这个模块，oem有几种选择。如上所述，TI提供使用45nm RF CMOS的芯片组。然后，在另一种方法中，ADI和瑞萨正在开发使用28nm射频CMOS工艺的77/79 GHz雷达设备。

与此同时，在另一种选择中，GlobalFoundries提供了22nm FD-SOI技术，该技术在基板中加入了一层薄绝缘层，以抑制泄漏。

与批量CMOS一样，FD-SOI使芯片制造商能够集成各种组件，包括雷达芯片。FD-SOI还解决了另一个问题。“一个雷达单元的功耗已经相当高了。如果你引进更多的雷达设备，热问题就会成为一个大问题。GlobalFoundries．“批量CMOS无法解决这个问题。通过FD-SOI，您可以将每个雷达解决方案的功耗降低到1瓦以下。”

当然，还有使用独立的基于sig的收发器的传统选择。TowerJazz公司战略营销高级总监Amol Kalburge表示:“基于sig的短程和远程雷达满足了汽车雷达的需求。“使用SiGe最重要的参数是将发射端功率放大器和接收端低噪声放大器完全集成在同一个芯片上，从而实现最佳性能和更低的成本。”

如前所述，雷达有优点也有缺点。雷达善于探测高分辨率的物体。但是雷达无法识别那个物体。例如，它无法分辨物体是人还是狗。雷达需要摄像头，这有助于了解周围环境。因此，我们需要快速的图形处理和深度学习。

Kalburge说:“例如，雷达在恶劣的天气条件下(雨、雾、雪)要优越得多，而激光雷达可以对周围环境进行详细的3D扫描，以检测和分类静止和移动的物体。”雷达传感器结构紧凑，成本效益高，因此已被大多数oem厂商积极采用。目前的汽车雷达解决方案的分辨率有时不足以满足全自动驾驶应用，但正在开发新的硬件和软件解决方案来提高分辨率。”

事实上，该行业正在研究下一代雷达。一个目标是缩小与激光雷达的分辨率差距，甚至取代激光雷达。GlobalFoundries的格兰杰说:“在未来，你将看到激光雷达和雷达之间的竞争。

在研发方面，Imec正在开发140 GHz雷达技术。其他人则在研究成像雷达。“雷达正在不断改进，”马科斯·门罗(Marcus Monroe)说国家仪器．“新的天线设计和先进的处理算法赋予了雷达新的功能，使其能够用于以前没有使用过的领域，例如行人检测。”

那么什么是成像雷达呢?成像雷达是雷达的一种应用，通过快速生成雷达脉冲，利用雷达的反射能量生成2D或3D图像。多年来，这一技术一直应用于航空航天行业，用于土地测绘和天气等应用。它还没有用于汽车雷达，可能是由于功率和处理的限制，”门罗说。

图4:高分辨率雷达与激光雷达。来源:NXP

什么是激光雷达?
激光雷达继续取得进展。Monroe说:“激光雷达也在降低成本，向固态和新的连续波形版本发展。”

激光雷达与自动驾驶有关，但它并不局限于这些应用程序。激光雷达供应商Velodyne的首席技术官阿南德•戈帕兰(Anand Gopalan)表示:“你会发现，激光雷达正与摄像头和雷达一起应用于ADAS车辆。”

这项技术与雷达不同。戈帕兰说:“在激光雷达中，你发出一系列光脉冲，并测量返回飞行时间。”“你正在创建你周围世界的三维、高分辨率地图。”

激光雷达有各种技术挑战。它的几个活动部件也很昂贵，但这种情况正在开始改变。Yole Développement的数据显示，一般情况下，摄像头的售价为30美元，而激光雷达的售价为3000美元。但据Yole称，一些激光雷达系统的价格正朝着300美元或更低的方向发展。

激光雷达有三种方法-机械的，微机电系统以及混合固态。机械激光雷达用于高端工业市场，而基于mems的解决方案正在兴起。

然后，许多公司正在研究更小、更紧凑的固态激光雷达系统。固态激光雷达几乎没有移动部件。

图5:Velodyne的激光雷达系统

激光雷达使用几个关键部件，即激光二极管、光电探测器和处理元件。

使用激光二极管，光脉冲以波长905nm的激光的形式发出。根据弗罗斯特和沙利文的说法，激光发射一百万个光子，但问题是只有一个光子返回系统。

因此，激光雷达制造商结合了几种激光器，有时多达64种，以增加光子的数量。根据该公司的说法，发送10亿个光子的激光会产生1000个返回的光子。光子一旦发射出来，就会被物体反射。然后，光电探测器在一个狭窄或360度视野的系统中感知并捕获返回的信号。阳光和天气条件会影响探测器的信噪比。

然后，计算给定物体的距离。然后对数据进行处理。Velodyne的Gopalan说:“复杂的信号处理是在FPGA或处理器等密度更大的处理元件中进行的。

随着时间的推移，目标是集成更多的功能以降低成本。“我们正在使用自己的ASIC技术，将大量功能组合到一组ASIC中。这可以实现更紧密的集成，更小的外形尺寸，还可以降低成本。”“我们不相信在不久的将来，你会在一块硅上安装整个激光雷达，但它会非常接近这一点。你将看到一个高度集成的多芯片模块，它将拥有一个功能齐全的激光雷达。”

其他组件也在朝着在激光雷达中更多地集成的方向发展，例如激光二极管驱动器。这部分为激光二极管提供电流。

例如，Velodyne公司使用了基于高效功率转换公司(EPC)的氮化镓(GaN)技术的激光二极管驱动芯片。EPC首席执行官亚历克斯•利多(Alex Lidow)表示，GaN的转换速度比硅快100倍。

GaN用于发电、激光点火和控制。Lidow说:“由于GaN的快速开关速度、高电压和高电流能力，激光发送的光子包可以更短，每个脉冲中包含更多的光子。”因此，激光雷达系统可以看得更远，分辨率更高，同时可以更快地绘制周围环境的位图。”

他说，驱动激光二极管的方法有很多种，但主要有两种——电容放电(CD)和场效应管控制。基于gan的激光二极管驱动器占激光雷达系统总成本的不到5%。他说:“氮化镓晶体管已经被氮化镓集成电路所取代，这降低了系统成本，提高了性能。”随着系统成本的下降，GaN的成本也会相应下降。”

Episil在代工基础上制造，EPC的gan激光二极管驱动器基于350nm工艺。它计划逐步迁移到130纳米。

另一个关键部件是光电二极管，这是一种将光转换成电流的半导体器件。对于激光雷达，有四种主要的光电二极管类型——引脚光电二极管、雪崩光电二极管(APD)、单光子雪崩二极管(SPADs)和硅光电倍增管(SiPMs)。

戈帕兰说:“探测器技术的选择可能取决于波长的选择。”“在905nm区域，硅apd在增益和提供最佳信噪比的能力方面仍然是最可靠和最成熟的技术。SiPMs继续显示出前景，但它们在激光雷达系统级别上的信噪比优势仍有待证实。”

那么这一切在未来会如何发展呢?摄像头、激光雷达和雷达可能会共存。“我们不认为你会看到非此即彼的局面，”他说。“雷达有继续补充和增强激光雷达提供的信息的空间。你将继续看到摄像头作为第三种传感器模式。”

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