浅谈汽车前向毫米波雷达布置及设计要求

熊盛勇，陈丽，黄梅珊，蓝荣福

广汽乘用车有限公司，广东广州 511434

摘要：本文介绍了前向毫米波雷达的工作基本原理，并对可能影响毫米波雷达性能因素进行了设计要求说明。基于实际运用，概述了前向毫米波雷达在汽车上的布置方式，雷达安装支架类型;介绍了前向雷达的安装位置和安装角度要求，以及前罩盖的设计要求。为前向毫米波雷达在汽车布置设计运用中提供了重要参考。

关键词：前向毫米波雷达；设计要求；前罩盖

Discussion on Layout and Design Requirements of Automotive Forward Millimeter Wave Radar

XIONG Shengyong, CHEN Li, HUANGMeishan, LAN Rongfu

(Guangzhou Automobile Group Motor Co., LTD, Guangzhou Guangdong 511434,China)

Abstract: This paper introduces the basic principle and the design requirements of the factors that may affect the performance of forward millimeter wave rada. Based on the practical application, the layout of forward millimeter wave radar on automobiles and the types of radar mounting brackets are summarized. This paper introduces the installation position and angle requirements of the forward facing radar, as well as the design requirements of the front cover. It is an important reference for the application of forward millimeter wave radar in automobile layout design.

Keywords: Forward millimeter wave radar；Design requirements；Front cover

随着智能驾驶技术的发展，智能驾驶汽车逐渐普及。毫米波雷达和智能摄像头作为智能驾驶重要感知元件，对周围的环境进行探测，为汽车控制提供重要信息。毫米波雷达具备较强的穿透能力和抗干扰能力，而且具有全天候的特点，同时能满足对目标物距离、速度和角度的测量需求，因而被广泛使用。

目前汽车领域主要有三种毫米波雷达：短距的SRR、中距的MRR、长距的LRR。其频率主要分为24GHZ和77GHZ[1]。本文主要介绍安装在汽车正前方的77GHZ的中距毫米波雷达，也叫前向毫米波雷达。

目前行业内对车载毫米波雷达的运用文献主要为的雷达的产线标定的研究。如苌乐介绍了一种轻卡的前向毫米波雷达的售后标定流程和方法[2]。仲正等人设计了一种多传感器下线标定系统，提高了下线系统的稳定性[3]。但是，毫米波雷达在汽车布置上的研究内容较少。

为了加速推广毫米波雷达在智能汽车上的使用，同时避免出现巡航系统故障、标定角度超差、识别目标丢失等问题。需了解毫米波雷达工作的基本原理，清楚毫米波雷达性能的重要影响因素，并在设计前期进行规避。

本文主要介绍了毫米波雷达工作的基本原理，基于汽车整车布置，系统性的总结了毫米波性能的影响因素。基于运用实际，归纳了毫米波雷达在整车上的布置方式，介绍了雷达支架的类型；并基于市场现有的主要雷达，概述了其设计要求，为前向毫米波雷达在汽车上的运用提供了重要参考。

1 前向毫米波雷达工作的基本原理

车载毫米波雷达的系统结构简图如图1所示，主要由调制信号发生器、发射天线、接收天线、混频器等组成。毫米波雷达通过调制信号发生器，产生被调制的高频信号，天线阵列向外发射信号，经过功率放大器，以电磁波的形式向外辐射；遇到目标物后，一部分电磁波被反射，接收天线将接收到的物体反射的回波转化为电信号。混频器将发射信号和接收的回波信号进行混频，得到一个中频信号。通过对中频信号进行处理，基于多普勒效应可以测量车辆到目标物的距离、速度、方位等目标物信息。

图1 车载毫米波雷达系统结构简图

2 前向毫米波雷达常见的布置方式

根据毫米波雷达的校准原理，设计雷达的布置方式，目前的整体布置结构如图2所示。主要包含雷达、雷达安装支架、前罩盖。下文概括了雷达的布置位置、安装支架类型以及前罩盖的相关设计要求。

图2 整体布置示意图

2.1布置位置

基于造型设计、总布置约束、性能要求等，前向毫米波雷达在整车上的位置布置，常见2种布置：一种是安装在前保险杠下方，如图2所示。另一种安装在前车标的Log后面，如图3所示。

图3 Log后面的雷达整体布置示意图

市场大多数车型的雷达布置都是布置在前保险杠下方。优点是布置约束少，缺点是不美观，而且雷达位置低，雷达容易被干扰，容易误触发。

有的高端车型基于美观性要求，会将雷达隐藏布置，安装在Log后面，例如广汽传祺M8和广汽传祺GA8。这种布置优点是美观，缺点是Log需要采用特殊材质，成本较高，而且雷达天线与Log的布置位置要求高。常见Log为金属Log，会影响毫米波雷达信号的发射与接收。安装在雷达前方的Log，由多种不同材质构成，而且整体厚度不均一，在布置时，雷达天线位置需避免Log材质突变位和厚度突变位置。

无论何种方式，根据前向毫米波雷达的工作原理，为了不影响电磁波的发送和接收，在其发射范围内，雷达外壳与前罩盖之间不允许有任何物体，包括标签纸、支架、油漆标记等。

2.2 雷达安装支架形式

雷达安装支架根据结构可分为分体式支架（可调节雷达支架）和一体式支架。实际运用常结合总布置、雷达性能、尺寸链公差分配、成本等进行选择。

如图4所示为分体式支架，该支架由底座、支架和调节螺栓构成。其中底座与前保险杠或格栅连接，支架和底座通过调节螺栓连接。主要优点可以通过调节螺栓来调节雷达的水平和垂直姿态，在生产线下线校准时，水平角、俯仰角度，可以根据超差情况来调整，能吸收制造偏差，生产适应性较好。缺点是成本高。

图4 分体式支架示意图

如图5所示为一体式支架，支架直接安装在前保险杠或格栅上。一体式支架重量轻，成本低，但是不可调节，对于整车精度、安装一致性要求较高。

图5 一体式雷达支架

3前向毫米波雷达设计要求

为保证前向毫米波雷达在使用过程中的性能，同时考虑整车生命周期内长期使用后的变化，雷达在布置、设计时需要对关联件进行约束。

3.1雷达安装位置要求

为了保证ADAS功能，前向毫米波雷达的布置位置需满足电磁波的发射和接收要求，才能获得更好的探测距离和FOV。

前向毫米波雷达主要用于探测车辆正前方的物体，因此雷达一般推荐安装在车辆的中轴线上，如果由于空间限制，可以布置在车辆中轴线±0.6m的范围内。为了综合考虑探测距离和干扰，雷达安装高度，应布置在距离地面0.3m~0.9m范围内。前向雷达可布置范围示意图如图6所示。

图6 前向雷达可布置范围示意图

3.2 雷达安装角度要求

前向毫米波雷达的天线发射面应与空载地面保持垂直，且发射面应该朝汽车正前方，但是实际安装会存在偏差，其公差如表1所示。根据雷达的旋转轴不同，可分为三个角度，如图7所示，分别为偏航角（Yaw）、俯仰角（Pitch）、横滚角（Roll）。其中，偏航角yaw是围绕z轴旋转，可视为控制汽车的偏航；俯仰角pitch是围绕y轴的旋转，可视为汽车的上下俯仰；翻滚角roll是围绕x轴旋转。

图7 雷达坐标旋转示意图

表1前向毫米波雷达的安装公差

角度	公差	示意图
偏航角（Yaw）	±3°
俯仰角（Pitch）	±3°~±6°
横滚角（Roll）	±1.5°~±3°

4 前罩盖设计要求

为避免行车过车中飞石、泥水、腐蚀性物品对毫米波雷达造成损害，以及美观性要求，前向毫米波雷达一般会隐藏布置，通常布置在Logo、前保险杠、罩盖后方，为了便于表述，统称为前罩盖。由于电磁波的特性，前罩盖的材料、厚度、形状、与天线的距离等对雷达性能都有影响。

4.1 材料及厚度要求

由于金属对电磁波具有高反射特性，会对雷达传感器造成屏蔽，因此前罩盖不应为金属。为保证前向毫米波雷达的透过性，前罩盖材质应为树脂件，PP或PC材料等；如果表面需喷涂，不建议使用具有多金属颗粒的金属漆。

前罩盖的厚度也有要求，厚度应均一，避免堆叠，且应该满足介电常数值和介电损耗。可以通过经验公式（1）计算[4]：

T=           公式（1）

式中λ为天线工作频率下对应的波长；为前罩盖材料的介电常数；为入射角；n为正整数。

4.2 间隙及形状要求

前罩盖不应紧贴雷达，应保持间隙≥5mm。

为避免改变天线的指向性，前罩盖的形状需满足设计要求。前罩盖形状建议为平板，如果有弧度，弧度应≥350mm，避免有造型特征线、尖角，避免厚度、材料突变。

在垂直方向上，前罩盖的形状（雷达穿透区域）最好为平面，且与天线平面的角度φ应该在5~25deg或-5~ -25deg范围内，如图8-（a）所示。

如果前罩盖为曲面，建议曲面半径R≥500mm，且曲面与雷达照射区域的交点形成的平面与天线平面的夹角定义为φ，也应在5~25deg内，如图8-（b）。应该避免在垂直方向上雷达照射区域内前罩盖有波浪形、厚度不均一、不同材质。

    

（a）前罩盖为平面   （b）前罩盖为曲面

图8垂直方向前罩盖与雷达角度

在水平方向上，前罩盖的形状（雷达穿透区域）最好为平面，且与天线平面的角度θ≤10 deg或≤-10deg,如图x所示。如果前罩盖为曲面，建议曲面半径R≥500mm，且曲面与雷达照射区域的交点形成的平面与天线平面平行，如图x所示。应该避免在水平方向上雷达照射区域内前罩盖有波浪形、厚度不均一、不同材质。

   

（a）前罩盖为平面   （b）前罩盖为曲面

图9 水平方向前罩盖与雷达角度

5总结

本文基于实际运用概述了前向毫米波雷达及其关联件在汽车中的装配及设计要求。介绍了毫米波雷达的布置位置、雷达支架类型及其优劣势；概述了毫米波雷达安装位置、安装角度的设计要求，以及前罩盖的设计规范。本文为前向毫米波雷达在汽车布置设计运用中提供了重要参考，为设计阶段规避毫米波雷达性能不良具有重要意义。

参考文献

[1] 瑞佩尔.智能汽车无人驾驶与自动驾驶辅助技术[D]. 北京：化学工业出版社, 2021.6:36-38.

[2] 苌乐. 一种轻卡前向毫米波雷达售后标定方法[J]. 汽车电器，2021(6):4-6.

CHANG L. One After-sales Calibration Method of the Millimeter Wave Radar in Light Truck [J]. Auto electric parts, 2011(6):4-6.

[3] 仲正, 宋小军. 基于ADAS平台的下线标定系统设计与实现[J/OL]. 计算机测量与控制, 2022.  https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.4762.TP.20220818.1113.016.html

ZHONG ZH, SONG X J. Design and Implementation of Factory Calibration System Based on ADAS Platform[J].Computer measurement & control，2022. https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.4762.TP.20220818.1113.016.html

[4]刘翰. 77GHz车载毫米波雷达天线设计与性能优化[D]. 大连: 大连理工大学, 2021.

作者简介：熊盛勇（1990-），男，硕士研究生，中级工程师，主要研究方向为智能驾驶技术及产品运用。