融商观点

超声波雷达

超声波雷达，作为较早应用于汽车的成熟产品，前期主要用于汽车倒车预警，随着特斯拉等车企将其提升应用于自动泊车（PA）等汽车智能驾驶领域，得到了新的发展，但由于其利用声波原理，测距范围较小，难以应用于更复杂的路况。车载摄像头，近几年得到了大规模应用，由于手机摄像头的应用使得镜头和算法技术得到了较快发展，在L1-L2级别ADAS辅助驾驶上发挥了重要作用，但受到光线环境的制约，在更高等级L3-L5智能驾驶领域受到了严峻挑战，需要探测范围更远，精度更高的毫米波雷达和激光雷达产品。除了以上产品之外，需要实现更高等级的自动驾驶，需要传感器、高精度地图、车载通信、V2X等产品技术的深度融合应用。

短距离测量中，超声波测距传感器具有非常大的优势，多用在汽车驻车或者倒车时的安全辅助装置，帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷。超声波雷达防水、防尘，即使有少量的泥沙遮挡也不影响，且价格较为便宜，市场价在几十至上百元之间。探测范围在 0.1-3 米之间，有些超声波雷达甚至可以达到10米的探测距离，而且短距离精度较高（测距精度大约是1~3厘米左右），因此非常适合应用于泊车。

相比其他传感器，超声波雷达是最便宜的雷达，且在短距离测量中，超声波测距具有非常大的优势。超声波的传输速度很容易受天气情况的影响，在不同的天气、温度情况下，超声波的传输速度不同；超声波雷达在速度很高情况下测量距离有一定的局限性，当汽车高速行驶时，使用超声波测距无法跟上汽车的车距实时变化，误差较大。另一方面，超声波散射角大，方向性较差，在测量较远距离的目标时，其回波信号会比较弱，影响测量精度。

常见的超声波雷达有两种。第一种是安装在汽车前后保险杠上的，也就是用于测量汽车前后障碍物的倒车雷达，这种雷达称为UPA；第二种是安装在汽车侧面的，用于测量侧方障碍物距离的超声波雷达，称为APA。UPA和APA的探测范围和探测区域都太相同，如下图所示。

APA超声波雷达的探测距离一般在30~12500px之间,相比UPA探测范围更远，因此成本更高，功率也更大。APA的探测距离优势让它不仅能够检测左右侧的障碍物，而且还能根据超声波雷达返回的数据判断停车库位是否存在。APA超声波传感器是自动泊车辅助系统的核心部件，探测距离较远，可用作探测车位宽度，获得车位尺寸及车辆的位置信息。APA传感器使用与倒车雷达不同的工作频率，不形成干扰。一般在泊车系统中，通常的配置是8UPA+4APA。

超声波雷达的工作原理是通过超声波发射装置向外发出超声波，到通过接收器接收到发送过来超声波时的时间差来测算距离。常用探头的工作频率有 40kHz, 48kHz 和 58kHz 三种。一般来说，频率越高，灵敏度越高，但水平与垂直方向的探测角度就越小，故一般采用 40kHz 的探头。超声波在传播过程中能量消耗较缓慢，在介质中传播的距离比较远，穿透性强，基本原理是多普勒效应，测距的方法相对简单(距离=传播速度*传播时间/2)。检验超声波的性能指标，通常有传感器的水平/垂直侦测范围、传感器的阻抗特性、传感器的感度温度特性、传感器的余振温度特性、传感器的响应频率与感度温度特性、传感器的电容与温度特性、雷达的抗同频干扰性、不侦测地面技术、自动故障诊断技术、抗共震、耐高低温、防水技术。

其构造一般分为等方性传感器和异方性传感器，所谓的等方性传感器为水平角度与垂直角度相同，异方性传感器为水平角度与垂直角度不同。等方性传感器的缺点在于垂直照射角度过大，容易探测到地，无法侦测较远的距离。异方性超声波探头产生的超声波波形强弱较不易稳定，而容易产生误报警的情况。每个超声波雷达传感器（探头）内部带有 CPU，独自完成信号的发射接收及数据处理，基本上不存在信号在传输上的干扰及损失；探头通过CPU可以及时各自地对各种信号进行处理和运算，并对检知器（超声波传感器本体）进行控制，从而取得非常精准的信号和判断。

超声波雷达除了用于传统的倒车雷达距离检测外，还与车载摄像头传感器等融合使用用于泊车库位检测。自动泊车系统是一种通过探测车辆周围环境信息来找到合适的泊车位,从而控制车辆的转向、速度，使得车辆能够自主驶入泊车位的系统。自动泊车功能需要经历两个阶段：识别库位和倒车入库。汽车缓缓驶过库位时，汽车右前方的APA传感器返回的探测距离，根据时间与距离的模型关系，即可得到库位的近似长度，当检测的长度超过车辆泊入所需的最短长度时则认为当前空间有车位。同样后侧向的APA也会生成类似信号曲线，用以做库位的二次验证，从未达到自动泊车效果。目前自动泊车在主要品牌汽车上的应用如下：

自动泊车系统一般分为APL1，APL1.5，APL2，……到APL6 共九个等级。近年来，该系统逐渐配置于主流车型中，多数停留在APL4 级自动泊车及以下，属于被动式自主泊车或半自动式自主泊车，通常需配置普通车载摄像头及超声波雷达。如要实现APL5 级以上全自动泊车，则需选用性能更强的毫米波雷达和视野更广的360 环视摄像系统。毫米波雷达检测距离更远，抗干扰能力更强，而360 环视系统则用于识别停车辅助线，同时也可以让驾驶者在车内知晓车辆周围的情况，必要时也可以亲自介入停车动作。

部分汽车如特斯拉Model S在AutoPilot 1.0时代就实现了高速公路的巡航功能，为了增加高速巡航功能的安全性和舒适性，特斯拉将用于泊车的APA超声波雷达，也用在了高速巡航上。当左侧驶过的汽车离自身汽车较近时，Model S在确保右侧有足够空间的情况下，自主地向右微调，降低与左侧车辆的碰撞风险。

超声波雷达主要生产商有博世、法雷奥、日本村田、尼塞拉、电装、三菱、松下、台湾同致电子、深圳航盛电子、深圳豪恩、辉创、上富、奥迪威等。传统的超声波雷达多用于倒车雷达应用，这部分市场基本被博世、法雷奥占据，国内厂商很多，但能进前装市场的寥寥无几。超声波雷达在技术原理上本身没有太大的难度，国内外厂商之间的差距，主要在于传感器实现上的稳定性和可靠性。

譬如博世公司有倒车雷达、半自动泊车、全自动泊车系列产品，每一个超声波雷达产品有一个信号代码，避免超声波雷达有噪音，可以更加精准。第六代超声波雷达可以很好的识别第五代产品无法识别的低矮物体。法雷奥的超声波雷达已经有十年的量产经验，短距超声波雷达覆盖范围为（2-4m）。其最新一代的自动泊车系统Park4U，就是基于超声波雷达，有平行与转角的两种泊车模式。车身前后只需留出40厘米的空间，就能够自动完成泊车过程。

传统应用于对障碍物距离做预判的普通的倒车雷达产品技术门槛较低，产品附加值不高，其主要利润来自于大规模的量产数量和有效降低硬件及生产成本。另外支持高级辅助驾驶的超声波雷达，例如自动泊车、紧急制动、错误加速、360防撞等高级功能的产品需要具备与车载摄像头视觉系统融合技术而达到L2级别汽车的应用，其技术难度较大，只有少数几家国际知名厂商具备该规模量产能力。

车载摄像头

在ADAS涉及的各个领域中，车载摄像头是国内具备成熟、完整产业链，且最早实现突破的环节。当然，车载摄像头除了用于ADAS系统之外，还被用于倒车影像、360环视系统等L0级别传统车辆中。与智能手机摄像头类似，车载摄像头主要由CIS芯片和镜头组成，不同的是，车载CIS芯片的像素与手机CIS芯片相比较低，而车载镜头—特别是用于ADAS系统的车载镜头—对于产品质量和稳定性要求较高，因此镜片材质一般使用相对不容易老化、高温适应能力相对较强的玻璃。随着ADAS渗透率的不断提升，车载摄像头市场有望迎来进一步成长。据IHS预测，2020年全球车载摄像头出货量有望超过8000万颗。

车载摄像头按照安装位置可分为前视、车内监控、后视、环视、侧视车载摄像头，广泛应用于各类 ADAS。不同 ADAS 产品根据实现功能区别需将摄像头安装于汽车不同位置，以提供前方、内部、车后及四周的图像、距离信息，若需实现完全自动驾驶，每辆汽车至少需使用 5 颗车载摄像头（车前、后、左、右、内）。车载摄像头是目前应用最广的传感器，基于摄像头 ADAS 产品技术相对成熟，与其相关的 ADAS 产品如LDW、FCW 等已经在前装、后装市场得到广泛应用，其他产品如TSR、BSM、SVP、PA、DSM 等应用亦快速增加。

车载摄像头具有成本优势，但环境适应性较差。车载摄像头工作环境变化大，对帧率、稳定性和可靠性要求较高，摄像头一旦失效，将对用户生命安全造成极大威胁。因此摄像头对模组和封装要求极为严格，供应商认证壁垒较高。其中CMOS感光元件为核心单元，占摄像头成本的三分之一左右。相对比10美金左右电子消费摄像头，车载摄像头价格可达30美金左右。但是相对激光雷达成本价格来说，摄像头成本已经极为低廉了。相对比车载激光雷达仍处于研发试验阶段，摄像头相关技术已经相对成熟。近年来特斯拉发生的交通事故，也暴露了摄像头作为车载传感器存在的不足：识别精度较低，容易受强光、雨幕、大雾等恶劣天气影响等。

上表显示了目前国内外基于摄像头ADAS的水平差距。Mobileye 为车载摄像头系统全球巨头，其主要从事车载视觉系统的算法和相关芯片研究开发，客户覆盖主要汽车整车厂，覆盖全球 50 个国家，其车载视觉系统可提供相对完善的主动控制功能，2019年Mobileye的收入为8.79亿美元，同比增长26%，且截止2019年Mobileye已经销售了5400万颗ADAS芯片，2019年销售了1740万套 ADAS系统，占据全球七成的ADAS市场份额。国内目前与国外先进水平差距明显，目前国内这类产品研发企业以初创团队为主，部分已体现出不俗实力，如苏州智华、纵目科技等。

毫米波雷达

车载毫米波雷达是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。

毫米波雷达发出和接收的实质上是电磁波，毫米波的频段比较特殊，高于无线电，低于可见光和红外线，频率范围在10GHz~200GHz之间，波长在1mm~10mm之间，属于毫米波的范畴，毫米波的这个频段和波长范围及特性适合车载雷达的应用。根据波的传播理论，频率越低，波长越长，绕射能力越强，传输距离越远。所以与微波(波长为微米级别)相比，毫米波的分辨率高、指向性好、抗干扰能力强和探测性能好。与红外相比，毫米波的大气衰减小、对烟雾灰尘具有更好的穿透性、受天气影响小。这些特质决定了毫米波雷达具有全天时全天候的工作能力。毫米波雷达通过发射电磁波并通过检测回波来探测目标的有无、距离、速度和方位。应用在智能驾驶领域的毫米波雷达主要有2个频段，分别是24GHz，77GHz，不同频段的毫米波雷达有着不同的性能和成本。毫米波雷达具有波长短、频带宽(频率范围大)，穿透能力强的特点，具体优缺点如下：

（1）穿透能力强，不受天气影响。大气对雷达波段的传播具有衰减作用，毫米波雷达无论在洁净空气中还是在雨雾、烟尘、污染中的衰减都弱于红外线、微波等，具有更强的穿透能力。毫米波雷达波束窄、频带宽、分辨率高，在大气窗口频段不受白天和黑夜的影响具有全天候的特点。

（2）体积小巧紧凑，识别精度较高。毫米波波长短，天线口径小，元器件尺寸小，这使得毫米波雷达系统体积小重量轻，容易安装在汽车上。对于相同的物体，毫米波雷达的截面积大、灵敏度较高，可探测和定位小目标。

（3）可实现远距离感知与探测。毫米波雷达分为远距离雷达(LRR)、中距离雷达（MRR）和近距离雷达(SRR)，由于毫米波在大气中衰减弱，所以可以探测感知到更远的距离，其中远距离雷达可以实现超过200m的感知与探测。

（4）由于毫米波雷达发射出去的电磁波是一个锥状的波束，造成了本身一定缺陷，由于反射面较大，分辨力不高，误报率高，较难算出物体的大小，行人检测困难，无法显示物体高度信息，近距离检测困难。

毫米波雷达1999年就开始被应用到奔驰S级别汽车上，以前只有在豪华车上才可以看到毫米波雷达，现在10-20万的车上也可以看到毫米波雷达。实际车辆上一般会安装1-2个长距离毫米波雷达（LRR）和4-8个短距离毫米波雷达(SRR)，长距离雷达的辐射角度小，短距离雷达的辐射角度大。

目前，毫米波雷达市场主要被海外巨头控制，例如博世、大陆、海拉等，核心元器件也主要为英飞凌、德州仪器、意法半导体等企业垄断。国内车载毫米波雷达市场仍属于起步阶段。在24GHz雷达方面，国内少数企业研发已有成果，市场化产品即将问世；但在77GHz毫米波雷达方面仍属于初级阶段，国内只有极少数企业能做到77GHz雷达的样机阶段，产业化进程仍待突破。

“短程+中程+长程”毫米波雷达三者结合一起可以共同完成自适应巡航（ACC）、自动紧急制动（AEB）、前方/后方碰撞预警（FCW/BCW）、变道辅助（LCA）、盲点检测（BSD）、倒车辅助（BPA）、泊车辅助（PA）等多种ADAS功能。随着汽车智能网联化的推进，实现大部分 ADAS 功能通常至少需要 1LRR+4SRR/MRR。目前全新奥迪 A4 采用 1LRR+4SRR/ MRR，奔驰 S 级轿车采用 1LRR+6SRR/MRR。实现 ACC，通常需要 3 个毫米波雷达，1 个 77GHz LRR，探测距离 150-250m，角度 10 度；车两侧各 1 个 24GHz 的 MRR，角度 30 度，探测距离50-70m。整体来看，未来车辆标配为 1LRR+ nSRR/MRR（n>4）。

资料来源：EEWorld，Elecfans，搜狐科技，光大证券研究所整理

美欧日车载毫米波雷达技术领先，国内差距明显。1999 年奔驰第一次采用77GHz 毫米波雷达用于 ACC 以来，其在中高端车中应用越来越多，目前毫米波车载雷达关键技术主要由大陆、博世、电装等传统零部件巨头垄断，其中掌握 77GHz 毫米波雷达技术的厂商数量有限。中国市场中高端汽车装配的毫米波雷达全部依赖进口，价格昂贵，尤其是占雷达成本大头的射频芯片和 DSP 芯片，国内基本没有规模量产能力。

（未完待续）