伴隨著國內(nèi)智慧交通建設(shè)的蓬勃發(fā)展，毫米波雷達作為交通感知設(shè)施不可或缺的核心傳感器之一受到了交通行業(yè)越來越多的關(guān)注。但每次涉及具體的方案設(shè)計或產(chǎn)品選型時，經(jīng)常面臨著一個普遍的問題是：到底應該是選擇24GHz還是77GHz頻段的雷達傳感器？本文針對這個問題，從技術(shù)、法規(guī)、干擾等多個角度進行了詳細的對比和說明。
毫米波雷達的可用頻段
目前主流的毫米波雷達主要使用的是24GHz、77GHz和60GHz這個三個頻段。
24GHz，包括是從24.0GHz到24.25GHz，帶寬為250MHz的窄帶(NB)頻段，這一頻段是全球范圍開放的通用ISM頻段之一，常用于工業(yè)、科學和醫(yī)學方面應用。24GHz頻段還包括一個帶寬為5GHz的超寬帶(UWB)頻段，但已經(jīng)處于逐步退出中，所以我們這里說的24GHz頻段指的是250MHz窄帶ISM頻段。
24GHz頻段是全球通用的開放頻段，這一特點使其成為了最早民用毫米波雷達應用的首選頻段，上下游產(chǎn)業(yè)鏈成熟，目前國際市場上主流的交通雷達和上一代的車載雷達基本都是使用的24GHz頻段。木牛領(lǐng)航的Wayv系列交通雷達，以及無人機高度計雷達Landing AG50使用的就是24GHz頻段。
來自德州儀器Texas Instruments白皮書
77GHz頻段，目前是專門被劃分于車載應用，包括早期的76GHz-77GHz頻段，以及后來新增加的79GHz-81GHz頻段，總共4GHz的頻帶。77GHz頻段是國內(nèi)外雷達毫米波在汽車車載應用領(lǐng)域的研究熱點。木牛領(lǐng)航也推出多款77GHz的雷達傳感器，如汽車短距雷達T79、高分辨4D點云成像雷達O79。
除此之外，60GHz頻段最近也受到了很多關(guān)注，尤其是在工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應用，原因是和24GHz頻段一樣，60GHz也是全球范圍通用的ISM頻段。木牛領(lǐng)航最新推出的面向物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應用的室內(nèi)人體運動感知雷達Wayv Air采用的就是60GHz的頻段。
介紹完毫米波雷達的不同頻段，我們再回到交通雷達到底什么頻段更加適合的問題。我們將從性能、尺寸、法規(guī)限制以及雷達設(shè)備干擾等幾個方面分別進行說明。
頻率和交通雷達性能
交通雷達通常都是固定安裝在道路上，用于對車輛、自行車和行人等目標的檢測和測量。針對具體應用需求的不同，性能要求側(cè)重點也會不同，但其最基本指標就是分辨力和精度，分別代表雷達在在距離、速度、角度三個方面區(qū)分不同車輛的能力和測量的準確程度。另外雷達檢測距離也是很多客戶比較關(guān)心的關(guān)鍵指標。下面，逐項分析不同頻段對以上指標的影響：
雷達檢測距離：我們可以直接從雷達方程分析知道，與頻率有關(guān)的主要因素有兩個：一個是波長λ、一個是系統(tǒng)損耗Ls和傳播衰減常數(shù)α。在同等的發(fā)射功率、天線參數(shù)（覆蓋角度范圍）下，我們可以看到，波長越長，雷達作用距離越遠，距離與波長的平方根成正比。所以不考慮其它因素，24GHz的波長大約是77GHz的波長的3.2倍，所以作用距離會比77GHz遠1.8倍左右。此外，24GHz的雷達系統(tǒng)損耗和傳播損耗也都比77GHz小一些。
因此，在最遠作用距離上，24GHz相對于77GH頻段有比較大的優(yōu)勢，因此適合對雷達檢測距離要求遠的場景。例如，木牛領(lǐng)航的Wayv T1000 24GHz超視距交通雷達可以達到1千米以上的車輛檢測距離。
最后提一下，現(xiàn)在也有一些提議使用60GHz用于交通路側(cè)雷達，但60GHz關(guān)鍵阻礙就在于該頻帶受大氣衰減影響非常大，不適合對于探測距離有較高要求的應用。
距離分辨力和精度：理論上，距離分辨力與雷達使用的頻率范圍（帶寬）成正比。77GHz和79GHz的最大帶寬能夠分別達到1GHz和4GHz，但24GHz只有250MHz，所以理論上來講，77GHz雷達的距離分辨力可以達到24GHz雷達的4倍，而79GHz雷達的距離分辨力可以達到24GHz的16倍。
但實際工程設(shè)計角度，要想真正發(fā)揮77GHz和79GHz的帶寬優(yōu)勢，會有很多的限制，比如硬件成本，大帶寬意味著需要更高速的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、更強大的處理器、更大容量的內(nèi)存，導致硬件成本和系統(tǒng)復雜度的快速增加，或者需要犧牲其他的關(guān)鍵指標。其次,在實際情況中，通常情況也不太會出現(xiàn)長時間兩輛車距離小于1米的情況，所以可以通過跟蹤的方法進行區(qū)分比較近的車輛。
這也解釋了為什么目前市場情況是，無論是24GHz還是77GHz的交通或者車載雷達，距離分辨率和精度的指標其實差別并不明顯。以市面上最普遍的C品牌的77Ghz雷達為例，其使用的帶寬也只有200多MHz，距離分辨力和木牛領(lǐng)航的Wayv T300 24GHz交通雷達非常接近。
速度分辨力和精度：雷達測速是依據(jù)多普勒原理，也就是雷達接收的信號頻率會因為相對速度不同而不同。通過測量這個頻率差，可以獲得相對速度，我們把這個頻率差叫做多普勒頻率。多普勒頻率與載波頻率成正比，意味著在同樣速度情況下，因此理論上，77GHz雷達的測速分辨力可以達到24GHz的3倍左右。
但實際工程設(shè)計上，速度分辨力和精度會和其它因素耦合在一起，比如之前提到的ADC的采樣率、處理器計算能力、，如果過于追求高速度分辨力，會導致很多的限制和問題，比如測速出錯概率增加。因此，實際市場上銷售的24GHz和77GHz產(chǎn)品，速度的分辨力和精度指標差距不大。
測角分辨力和精度：目前普遍的測角方法是多發(fā)多收天線的DBF，其測角精度和分辨力主要取決于天線孔徑，通俗的講就是天線陣列的尺寸，與頻率沒有直接關(guān)系。
頻率和設(shè)備尺寸
一般來說，雷達使用的頻率越高，波長越長，同等情況下設(shè)備尺寸可以做的更小。理論上來講，77GHz相比24GHz雷達在尺寸上應該可以做的更小，尤其是雷達的天線板。但現(xiàn)實情況中，由于77GHz雷達要想做到和24GHz雷達相同的探測距離，需要付出的代價更大，這些都會導致實際情況中的77GHz和24GHz的尺寸差異并沒有理論上那么明顯。以木牛領(lǐng)航的一款探測距離260米的交通雷達Wayv T300為例，其硬件尺寸相比市場上主流的C品牌的77GHz前向車載雷達寸尺差別大概僅30%左右，對于采用固定安裝方式的交通雷達這種應用來說并沒有本質(zhì)區(qū)別。
但由于77GHz和24GHz雷達設(shè)備的本身尺寸就比較小，再加上路側(cè)雷達這種固定安裝的方式相比車載應用來說沒有特別嚴格的安裝空間限制，所以單從設(shè)備尺寸這一點來說，77GHz和24GHz的對于路側(cè)雷達應用來說區(qū)別不是很大。
雷達干擾問題
交通雷達的干擾主要來自車載雷達的干擾，并且隨著車載雷達的普及會進一步加劇。干擾會導致交通雷達對于車輛的感知靈敏度下降、探測距離縮短和檢測準確度的嚴重下降，最終影響到道路行車的安全和效率。針對車載雷達干擾問題，部分雷達也集成了干擾壓制算法來減輕影響，但并不能真正本質(zhì)上解決問題。
雷達干擾問題在所有頻率都會存在，但由于全球車載雷達24GHz到77GHz切換的發(fā)展趨勢，77GHz頻段干擾應該會越來越嚴重。根據(jù)佐思產(chǎn)研雷達月報的跟蹤研究，2018年12月，中國乘用車市場的77GHz雷達出貨量正式超越24GHz雷達，比原來預計的2020年轉(zhuǎn)換年整整提前了一年多，并且這個趨勢現(xiàn)在已經(jīng)是越來越明顯。
頻率使用法規(guī)和國內(nèi)現(xiàn)狀
另一方面，車載雷達也會受到路側(cè)交通雷達的干擾。干擾可能導致車載雷達的性能嚴重衰減，無法有效感知外部環(huán)境，對車輛、行人安全造成嚴重影響，因此部分國家對于不同應用場景的雷達頻率制定了嚴格法規(guī)的限制。比如，美國聯(lián)邦通信委員會FCC 14-97條例明確規(guī)定77-81GHz頻段為車載雷達頻段，除了機場異物檢測FOD特殊應用，不能用于任何其他雷達固定安置的應用場景包括路側(cè)感知應用。
從全球來看，車載毫米波雷達的趨勢基本已經(jīng)明確是往統(tǒng)一的77GHz頻段（76-81GHz）發(fā)展，如果不出意外，我國的頻率法規(guī)應該大趨勢是會和和全球保持一致。
總結(jié)
最后，我們再一起來簡單總結(jié)一下24GHz和77GHz頻段的毫米波雷達在交通應用方面的優(yōu)劣勢。
首先，在作用距離性能方面，77GHz雷達由于頻率高，更容易受大氣、雨霧衰減影響，所以反而會弱于24GHz雷達。但77GHz雷達相比24GHz雷達可用帶寬大，理論上距離分辨力和精度會有很大提升，但實際考慮硬件成本的限制和實際應用的需求，77GHz和24GHz雷達的在距離和速度的性能差異并不如理論上突出。
在設(shè)備尺寸方面，77GHz和24GHz雷達也沒有太大差別，對于交通雷達應用來說基本可以不用考慮。
最后，法規(guī)方面和干擾方面，由于全球車載毫米波雷達的趨勢基本已經(jīng)明確是往統(tǒng)一的77GHz頻段（76-81GHz）發(fā)展，雖然國內(nèi)還沒有和美國一樣明確禁止77GHz在非車載領(lǐng)域的應用，但相比于24GHz通用開放頻段的特點，將面臨比較大的法規(guī)風險和干擾問題。
綜上，針對交通應用77GHz和24GHz雷達孰優(yōu)孰劣的爭論，我們的建議是不應該脫離實際應用環(huán)境籠統(tǒng)做出結(jié)論，更好的做法應該是在仔細評估您的應用場景、性能需求、成本、法規(guī)和潛在干擾等多方面因素的情況下再做出合適的選擇。如果您有這方面的需求或者想了解更多的信息，歡迎與我們?nèi)〉蒙钊胩接憽?/span>
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