深度聊聊4D毫米波雷達(dá)技術(shù)及發(fā)展

來源：AIOT大數(shù)據(jù)

4D指的是在原有的距離、方位、速度三個維度基礎(chǔ)上增加了高度信息。相比傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)僅能判斷出前方有障礙物，4D毫米波雷達(dá)增加了縱向天線及處理器，可以接收更多信息返回點(diǎn)，并像激光雷達(dá)一樣呈點(diǎn)云圖，能呈現(xiàn)出更多細(xì)節(jié)信息，探測出障礙物的形狀，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)雷達(dá)難以識別靜態(tài)障礙物的短板。

相比攝像頭而言，4D毫米波雷達(dá)有更多的天線數(shù)，更高的角度分辨率、速度分辨率和距離分辨率，可以在沒有激光雷達(dá)參與的情況下更有效地解析目標(biāo)的輪廓、類別、行為。

特斯拉增配4D毫米波雷達(dá)，能夠增加獲取障礙物距離信息，以彌補(bǔ)攝像頭缺陷。值得注意的是，4D毫米波雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)量大幅增加，其算法比傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)更為復(fù)雜，目前大部分車企并不具備這種算法能力。有毫米波雷達(dá)廠商項目經(jīng)理曾表示：“在2022年~2023年量產(chǎn)的項目，用的基本都是毫米波雷達(dá)做完數(shù)據(jù)處理之后的結(jié)果，大部分車廠還沒有能力將毫米波雷達(dá)的點(diǎn)云真正用起來?！?/p>

此外業(yè)內(nèi)有觀點(diǎn)認(rèn)為，對于特斯拉的傳感器配置和其他車廠要分開來看，特斯拉核心依賴視覺感知+算法，由于視覺方案對于一些corner case問題無法解決，因此需要增加一顆可以測距的4D毫米波雷達(dá)；對于其他車企而言，本身自動駕駛的基礎(chǔ)就是視覺算法+強(qiáng)感知，比較依賴于激光雷達(dá)的高精建模能力，再新增配置一顆4D毫米波雷達(dá)并無必要性。

目前，4D毫米波雷達(dá)市場的主要玩家包括大陸、采埃孚、博世、安波福等傳統(tǒng)Tier1廠商，Waymo、Mobileye、華為等自動駕駛方案公司，傲酷、Arbe、幾何伙伴、楚航科技、森思泰克等初創(chuàng)公司。

4D毫米波雷達(dá)與激光雷達(dá)相比，受制于激光的物理特性，激光雷達(dá)在雨雪、沙塵等極端天氣環(huán)境下，工作可靠性會受到影響。4D毫米波雷達(dá)能全天候全天時工作，在暴雨、大雪、漆黑及空氣污染等惡劣環(huán)境條件下也能提供高可靠性的探測。此外，4D雷達(dá)能夠“看穿”墻壁、緊閉的門和其他固體物體，這是激光雷達(dá)所不具備的能力。

特斯拉 HW4.0 硬件曝光

具體體現(xiàn)在：(1）FSD芯片性能小幅提升；(2）顯存從LPDDR4大幅升級為GDDR6；(3）攝像頭接口數(shù)量提升33%，同時攝像頭分辨率提高；(4）新增以太網(wǎng)接口，為4D激光雷達(dá)上車準(zhǔn)備。

計算芯片方面：FSD 芯片性能提升，HW4.0 的2 顆 FSD芯片仍然沿用了上一代FSD 的ARM Cortex-A72 CPU內(nèi)核，但數(shù)量從3.0的12個提升到4.0的20個，最大頻率2.35GHz，默認(rèn)頻率1.37Ghz，TRIP內(nèi)核數(shù)量從2個增加到3個，工作頻率提高到2.2GHz.CPU和GPU保持不變，CPU依舊采用AMD Ryzen Zen+ V180F嵌入式處理器，GPU采用基于AMD Radeon Navi 23 打造的 RDNA2。工藝制程極有可能采用 7nm 先進(jìn)制程，整體提升了算力并降低功耗。

存儲芯片方面，顯存規(guī)格和容量跨越式升級。以往因算力需求不高以及GDDR功耗過高等因素，導(dǎo)致車廠普遍使用LPDDR系列芯片，特斯拉開創(chuàng)了在車載領(lǐng)域使用GDDR的先河。GDDR6最高運(yùn)行頻率可達(dá)1750MHz，最高傳輸速率約是12800MT/s，是HW3.0中所使用的LPDDR4的三倍。根據(jù)目前曝光的HW4.0拆解圖，HW4.0共使用16顆GDDR6芯片，總計容量為32GB，預(yù)估價值量約200-250美元。而HW3.0則是使用8顆LPDDR4芯片，總計容量為16GB，價值量約201美元，成長約十倍。

傳感器方面：HW4.0的智能駕駛模塊上有12個攝像頭接口（1個預(yù)留），相較HW3.0的9個攝像頭接口數(shù)量提升33%.據(jù)業(yè)內(nèi)人士推測，4.0 硬件或在 3.0 基礎(chǔ)上將前擋風(fēng)玻璃的三目攝像頭變成雙目攝像頭，但前視攝像頭由 120 萬像素提升至500萬像素，同時新增2個側(cè)攝像頭和1個前攝像頭，意味著HW4.0逐漸轉(zhuǎn)向TeslaVision純視覺路線，360度環(huán)視也有望實(shí)現(xiàn)。

接口方面：HW4.0 將以太網(wǎng)接口從 1 個升級到 2 個。新增加的以太網(wǎng)接口正是為定制的高分辨率毫米波雷達(dá)服務(wù)，代號Phoenix（或是4D毫米波雷達(dá)），傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)用CAN或CAN-FD連接，4D毫米波雷達(dá)信息量大，需要使用10OMbps以太網(wǎng)。

國內(nèi)市場方面，4D毫米波雷達(dá)已搭載于飛凡R7、深藍(lán)SL03等量產(chǎn)車型，產(chǎn)品有望加速滲透。目前，威孚高科、經(jīng)緯恒潤正與4D毫米波雷達(dá)芯片供應(yīng)商Arbe緊密合作，進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)，華域汽車的4D毫米波雷達(dá)已實(shí)現(xiàn)小批量供貨，保隆科技的相關(guān)產(chǎn)品也已處于研發(fā)測試階段。

從毫米波雷達(dá)到4D毫米波雷達(dá)

4D毫米波雷達(dá)的誕生還要從古老的多普勒效應(yīng)說起。

1842年，奧地利物理學(xué)家多普勒發(fā)現(xiàn)了多普勒效應(yīng)。所謂多普勒效應(yīng)，是指波源和觀察者有相對運(yùn)動時，觀察者接收到的頻率和波源發(fā)出的頻率并不相同，兩者之間的差值叫做多普勒頻率。

多普勒效用公式表達(dá)如下。式中，fr為觀察者觀測到的頻率，f0為波源發(fā)出的頻率，v為波的傳播速度，vr為觀察者的速度，vs為波源的速度。當(dāng)觀察者或波源有向?qū)Ψ娇拷倪\(yùn)動時，對應(yīng)分子分母取減號，反之取加號。

如果我們在波源的位置放置一個探測器接收反射回來的波，通過檢測多普勒頻率，就可以測得觀察者相對于光源的移動速度。再根據(jù)波發(fā)出和接收的時間差，基于TOF原理，便可以計算出觀察者相對于光源的距離。

多普勒效應(yīng)，奠定了毫米波雷達(dá)這誕生的理論基礎(chǔ)。

毫米波雷達(dá)發(fā)展簡史

毫米波雷達(dá)的雛形出現(xiàn)在20世紀(jì)四十年代的第二次世界大戰(zhàn)中，英國通過部署對空雷達(dá)站，有效抵御了德國空軍的一系列空襲行動。二戰(zhàn)中的一戰(zhàn)成名，也讓其在二戰(zhàn)后迅速推廣普及到各個領(lǐng)域。

毫米波雷達(dá)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用可以追溯到1973年，德國AEG-Telefunken和BOSCH公司開始合作投資研究汽車防撞雷達(dá)技術(shù)，但由于技術(shù)和成本原因，一直未能大規(guī)模商業(yè)化落地。

20世紀(jì)80年代，歐洲在“歐洲高效安全交通系統(tǒng)計劃”指導(dǎo)下重新開啟了車載毫米波雷達(dá)的研制。并在技術(shù)和成本均實(shí)現(xiàn)突破后，迎來了汽車防撞雷達(dá)的廣泛應(yīng)用。

里程碑事件是在1999年，奔馳在S級車上使用77GHz毫米波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了基本的自適應(yīng)巡航功能，開啟了輔助駕駛時代，也迎來毫米波雷達(dá)在汽車領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。

毫米波雷達(dá)剛剛出道的時候，受制于芯片工藝等原因，一個雷達(dá)中需要配備七八顆射頻芯片才能保證基本的分辨率。這導(dǎo)致當(dāng)時的毫米波雷達(dá)體積巨大，成本巨高，只在高端車型偶有應(yīng)用。機(jī)械式激光雷達(dá)誕生的初期，各方面都像極了這位前輩。

進(jìn)入到千禧年之后，伴隨著鍺硅半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，毫米波雷達(dá)集成度大幅提高，成本大幅下探，在高端車型上的應(yīng)用也迎來了一次小爆發(fā)。這又像極了混合固態(tài)激光雷達(dá)當(dāng)前的局面。

2017年，TI推出了基于CMOS工藝的毫米波雷達(dá)芯片，一口氣將射頻芯片、數(shù)字處理芯片和微控制器三個模塊集成到一個SOC上，既顯著降低毫米波雷達(dá)的成本，又大幅拉低了毫米波雷達(dá)的開發(fā)難度。這又有點(diǎn)像我們期待的固態(tài)激光雷達(dá)的樣子。

更驚為天人的是，TI隨后將天線也集成在芯片里，推出了集成度更高的天線片上集成（AoP）芯片，直接將毫米波雷達(dá)價格拉到了百元級別，并提供了毫米波雷達(dá)開發(fā)傻瓜式工具鏈，國內(nèi)由此掀起了轟轟烈烈的毫米波雷達(dá)創(chuàng)業(yè)及國產(chǎn)化浪潮。

毫米波雷達(dá)工作原理

使用頻段

毫米波雷達(dá)，從名字也可以猜測出，這是一種工作在毫米波頻段的雷達(dá)。而毫米波是指波長在1-10mm，頻率在30-200GHz的電磁波，其傳播速度和光速近似相等。這個頻段電磁波在探測能力、穿透能力、抗干擾能力等方面實(shí)現(xiàn)了“中庸之道”，完美契合車載領(lǐng)域。并助力毫米波雷達(dá)在車載傳感器領(lǐng)域贏得了“全天時、全天候”工作的美譽(yù)。

毫米波雷達(dá)主要使用24GHz，60GHz，77GHz和79GHz四個頻段。24GHz準(zhǔn)確來說屬于厘米波，由于測量距離有限（60m左右），分辨率一般，常被設(shè)計為角雷達(dá)，探測大視場角范圍的近距離障礙物。60GHz由于受大氣衰減影響特別大，常被設(shè)計為生命體征檢測雷達(dá)，對車內(nèi)生命體征及人員姿勢進(jìn)行檢測。77GHz和79GHz由于測量距離較遠(yuǎn)（200m左右），常被設(shè)計為主雷達(dá)，作為前向長距離感知的利器，這兩個頻段也是未來車載毫米波雷達(dá)領(lǐng)域的主流頻段。

基本組成

毫米波雷達(dá)核心組成部分包括收發(fā)天線（TX&RX），射頻單元（RF）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)字信號處理器 (DSP)、微控制器 (MCU)等。上文提到過，毫米波雷達(dá)剛誕生那會，這些器件都是分立的，后來通過CMOS工藝將RF、ADC、DSP、MCU等直接整到一顆SOC中（不同廠家SOC集成模塊數(shù)量略有差異）。

今天我們隨便拆開一個普通毫米波雷達(dá)，除了索然無味的外殼、接插件和固定裝置，尚能引起一點(diǎn)興趣的就是那兩塊PCB板了（有的廠家集成到一塊PCB板上），如下3D爆炸圖所示。

電源主板上面密密麻麻豎立著電感、電容、二極管、電源芯片等，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)電源管理。各家一般還會在上面集成一顆安全控制器，提供與整車通訊及安全相關(guān)功能。

雷達(dá)主板可以說是整個毫米波雷達(dá)的核心，上面包括天線、RF、DSP和控制電路等。

（1）天線。理論和實(shí)踐證明，當(dāng)天線的長度為電磁波波長的1/4時，天線的發(fā)射和接收轉(zhuǎn)換效率最高。而毫米波的波長只有幾個毫米，所以天線可以做得很小。通過使用多根天線來構(gòu)成陣列天線，還能夠?qū)崿F(xiàn)窄波束的目的，而窄波束意味著更高的方位角分辨率。

目前毫米波雷達(dá)天線的主流方案是微帶陣列，最常見的一種設(shè)計是在高頻PCB上集成“微帶貼片天線”，并將高頻PCB集成在雷達(dá)主板上。下圖展示了一個雷達(dá)主板集成天線高頻PCB板的實(shí)物，這是一個3發(fā)6收陣列天線。此種方案極大降低了毫米波雷達(dá)的成本和體積。

（2）RF。RF負(fù)責(zé)信號調(diào)制、發(fā)射、接收以及回波信號的解調(diào)，是毫米波雷達(dá)的核心射頻部分。目前主流的方案是通過MMIC(單片微波集成電路)技術(shù)將以上內(nèi)容集成。

MMIC是一種用半導(dǎo)體工藝在半導(dǎo)體襯底上制造出無源和有源元器件的技術(shù)。

在毫米波雷達(dá)領(lǐng)域，基于鍺硅工藝的MMIC集成的功能電路主要包括低噪聲放大器、功率放大器、混頻器、檢波器、調(diào)制器、壓控振蕩器、移相器、開關(guān)等部件。發(fā)射器、接收器和DSP均作為獨(dú)立單元，這使得毫米波雷達(dá)設(shè)計過程復(fù)雜，整體體積也較為龐大。

隨著COMS工藝的發(fā)展， MMIC一方面變得更小，另一方面也為其與DSP和MCU集成提供了工藝可行性。TI在2016年底，推出基于CMOS工藝的高集成度77GHz毫米波雷達(dá)芯片AWR1642，將前端MMIC、DSP和MCU三個模塊集成在一個SOC上。顯著降低毫米波雷達(dá)成本的同時，還極大拉低了開發(fā)難度。

（3）DSP。DSP通過嵌入不同的信號處理算法，提取從前端采集得到的中頻信號，獲得特定類型的目標(biāo)信息。DSP是毫米波雷達(dá)穩(wěn)定性、可靠性的核心。

（4）控制電路?？刂齐娐犯鶕?jù)DSP輸出的目標(biāo)信息，結(jié)合車身動態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終通過主處理器進(jìn)行決策處理。

工作機(jī)制

根據(jù)輻射電磁波方式不同，毫米波雷達(dá)主要分為脈沖波工作體制和連續(xù)波工作體制兩種類型。

脈沖波技術(shù)是指毫米波雷達(dá)在短時間內(nèi)發(fā)射具有高峰值功率的短脈沖，基于多普勒頻率和TOF原理實(shí)現(xiàn)物體速度和距離測量，基于并列接收天線收到同一目標(biāo)反射的脈沖波的相位差實(shí)現(xiàn)角度測量。由于功率高，因此可以在大雜波背景下，檢測出遠(yuǎn)距離小幅度移動目標(biāo)。但是也帶來了高成本、高體積、高功耗的缺點(diǎn)。目前車載毫米波雷達(dá)領(lǐng)域很少有采此種方式。

連續(xù)波技術(shù)又可以分為FSK（頻移鍵控，可測單個目標(biāo)的距離和速度）、CW（恒頻連續(xù)波，只用于測速不可用于測距）和FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）等方式。其中FMCW由于具有同時檢測多個目標(biāo)、分辨率較高、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，因此成為連續(xù)波技術(shù)中的帶頭大哥，也順利當(dāng)選所有工作方式中的武林盟主。

FMCW是一種頻率隨時間線性增加的Chirp波形，其振幅相對于時間、頻率相對于時間的波形如下圖所示。毫米波雷達(dá)內(nèi)部合成器負(fù)責(zé)Chirp信號的生成，并以幀為單位，均勻等時間間隔的通過發(fā)射天線發(fā)出一串Chirp信號。

在毫米波雷達(dá)接收天線收到發(fā)射回來的電磁波后，會將回波信號與發(fā)射信號一同送入混頻器內(nèi)進(jìn)行混頻。由于發(fā)射信號在遇到被測目標(biāo)并返回的這段時間內(nèi)，回波信號的頻率相較發(fā)射信號已經(jīng)發(fā)生了改變。而混頻器的目的就是計算出發(fā)射信號與回波信號之間頻率差，稱之為中頻信號。而這個中頻信號就包含了被測目標(biāo)的距離秘密，后續(xù)再經(jīng)過濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和測頻等處理后就可以獲得被測目標(biāo)的距離信息。

對于速度測量，由于被測目標(biāo)距離的不同，毫米波雷達(dá)接收到的回波信號相位也會不同。通過對一幀中所有單個chirp信號進(jìn)行等間隔采樣，并將采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，然后利用相位差來測量被測目標(biāo)的速度。

對于角度測量，利用多個接收天線接收同一個回波信號，并計算回波信號之間的相位差來實(shí)現(xiàn)角度測量。

重生-3D變4D

毫米波雷達(dá)只能輸出距離、速度和角度信息，也被稱為3D毫米波雷達(dá)。而這個距離D和角度θ是安裝雷達(dá)的自車在平面極坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，如下圖所示。通過將極坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)系，我們可以獲得目標(biāo)車在x和y方向上離自車的距離。這個時候，大家是不是發(fā)現(xiàn)少了一個維度z方向上的距離。而這個也是3D毫米波雷達(dá)飽受詬病的缺點(diǎn)之一。

這個缺點(diǎn)對移動物體來說，還不算大問題，畢竟在道路上探測到的移動物體按常理推測應(yīng)該都是在道路上正常運(yùn)動的物體，這也是各廠商一貫的處理策略，從而規(guī)避了無法獲得高度這一缺陷。但是對于低空飛行的鳥，被飛吹起的輕質(zhì)物體（樹葉、塑料袋等），依舊存在誤識別的問題，我想這個應(yīng)該也是3D毫米波雷達(dá)處理移動物體時的Corner Case吧。

但是這個缺點(diǎn)對靜止物體來說，就是致命的。道路中間的井蓋，減速帶，懸在半空中的各種標(biāo)識牌，限高架，靜止的車輛等，由于沒有高度信息，通過3D毫米波雷達(dá)完全無法決策這些障礙物是否影響通行。針對靜止物體，各家廠家簡單粗暴，要么直接忽略，要么極大降低置信度。這也是Tesla前期幾起事故的原因之一：攝像頭沒有識別出傾倒的白色貨車車廂，毫米波雷達(dá)識別到，但是結(jié)果在決策中置信度太低，導(dǎo)致車輛沒有觸發(fā)自動緊急自動功能。

4D毫米波雷達(dá)增加的最顯著特性就是可以精確探測俯仰角度，從而獲取被測目標(biāo)真實(shí)的高度數(shù)據(jù)，也就是目標(biāo)物體在笛卡爾坐標(biāo)系下z軸方向上的距離。憑借這一特性，4D毫米波雷達(dá)可以“識別靜止物體”了，最短的那塊木板補(bǔ)上了。除此之外，4D毫米波雷達(dá)在分辨率上也獲得極大提高。以Arbe Phoenix為例，其水平和垂直分辨率分別為1°和2°，水平分辨率比普通3D毫米波雷達(dá)提升5~10倍。

得益于俯仰角測量能力的獲得，其在垂直方向上也有了分辨率一說，而Phoenix的2°垂直分辨率僅比普通16/32線機(jī)械式激光雷達(dá)的1°垂直分辨率小一倍。這讓4D毫米波雷達(dá)在掃描同一物體時可獲掃描的點(diǎn)的數(shù)量極大增加，以至可以有低線束激光雷達(dá)的點(diǎn)云掃描效果。

（1）俯仰角測量

角度測量原理中，需要通過多個接收天線接收同一個回波信號來計算相位差從而實(shí)現(xiàn)方位角的測量。而受制于成本和體積的限制，當(dāng)前毫米波雷達(dá)使用的是多是單片收發(fā)器。而要想實(shí)現(xiàn)俯仰角的測量，就必須增加虛擬通道的數(shù)量，最容易想到的方法就是將多個單片收發(fā)器級聯(lián)，這也是目前大部分4D毫米波雷達(dá)產(chǎn)品采用的方法。毫米波雷達(dá)巨頭大陸推出的4D毫米波雷達(dá)ARS540采用的就是4片級聯(lián)的方案，將NXP的4片MMIC級聯(lián)，實(shí)現(xiàn)12發(fā)16收，總計達(dá)192個虛擬通道。這比其經(jīng)典的3D毫米波雷達(dá)ARS408的3發(fā)6收18個虛擬通道方案，虛擬通道總數(shù)上翻了10倍多。

此種將硬件進(jìn)行直接堆疊的缺點(diǎn)也顯而易見，成本、尺寸、功耗會同步大幅增加，工藝復(fù)雜度的提升和大量天線之間的干擾問題，再加上數(shù)據(jù)量大幅增加帶來的處理芯片性能要求的提高，是廠商無法忽略的頭痛難題。

與硬件堆疊相對應(yīng)的是單純依靠AI算法增加虛擬通道數(shù)，而部分芯片巨頭已經(jīng)開始自主研發(fā)多通道陣列射頻芯片組、雷達(dá)處理器芯片和基于人工智能的后處理軟件算法。集成化、芯片化、定制算法，這個聞起來有點(diǎn)技術(shù)革新的味道了，可能也是4D毫米波雷達(dá)該有的終極樣子。

（2）分辨率提高

分辨率直接和虛擬通道的數(shù)量成正比。

4D毫米波雷達(dá)的特點(diǎn)

現(xiàn)階段自動駕駛技術(shù)中，主要用到的傳感器有攝像頭、激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)。攝像頭的光譜從可見光到紅外光譜，是最接近人眼的傳感器，有豐富的語義信息，在傳感器中具有不可替代的作用，比如紅綠燈識別、交通標(biāo)識識別，都離不開攝像頭的信息。激光雷達(dá)器件較為成熟，905nm波段廣泛應(yīng)用，能獲得豐富的場景立體空間信息。從頻譜可以看到，激光在頻譜上和可見光較為接近，因此和可見光有著相似的粒子特性，容易受到惡劣天氣的影響。而毫米波雷達(dá)波長為3.9mm附近，是這幾種傳感器中波長最長的傳感器，全天候性能最好，且具備速度探測優(yōu)勢。

攝像頭和激光雷達(dá)由于有較為豐富的信息，前期的自動駕駛感知研究主要集中這兩類傳感器，毫米波由于分辨率不足導(dǎo)致其在使用上存在局限性。近年來，各大毫米波廠商在4D毫米波雷達(dá)上加大投入，在超寬帶和大天線陣列兩個方向上取得了一些進(jìn)展，這使得4D毫米波的研究成為了自動駕駛研究的熱點(diǎn)之一。

4D毫米波雷達(dá)突破了傳統(tǒng)雷達(dá)的局限性

隨著毫米波芯片技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用于車載的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)得到了大規(guī)模應(yīng)用，然而傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)面臨著以下缺陷：

當(dāng)有靜止車輛，目標(biāo)信息容易和地雜波等摻雜在一起，識別難度較大，而移動車輛可以靠多普勒識別。

當(dāng)有橫穿車輛和行人, 多普勒為零或很低，難以檢測。

沒有高度信息，高處物體如橋粱路牌和地面的車輛一樣區(qū)分不開，容易造成誤剎，影響安全性。

角度分辨率低，當(dāng)兩個距離很近的物體，其回波會被混在一起，很難知道有幾個目標(biāo)。

用雷達(dá)散射截面積區(qū)分物體難：可以通過不同物體的雷達(dá)散射截面積的不同和不同幀之間的反射點(diǎn)的不同來區(qū)分路牌、立交橋和車輛，然而準(zhǔn)確率并不高。

最遠(yuǎn)探測距離不超過200 m，探測距離范圍有限。

而4D毫米波雷達(dá)技術(shù)突破了傳統(tǒng)車載雷達(dá)的局限性，可以以很高的分辨率同時探測目標(biāo)的距離、速度、水平方位和俯仰方位，使得：

最遠(yuǎn)探測距離大幅可達(dá)300多米，比激光雷達(dá)和視覺傳感器都要遠(yuǎn)

4D毫米波雷達(dá)系統(tǒng)水平角度分辨率較高，通?？梢赃_(dá)到1 的角度分辨率，可以區(qū)分 300m 處的兩輛近車

4D毫米波雷達(dá)系統(tǒng)可以測量俯仰角度，可達(dá)到優(yōu)于2°的角度分辨率，可在 150m 處區(qū)分地物和立交橋。

當(dāng)有橫穿車輛和行人, 多普勒為零或很低時通過高精度的水平角和高精度的俯仰角可以有效識別目標(biāo)。

目標(biāo)點(diǎn)云更密集，信息更豐富，更適合與深度學(xué)習(xí)框架結(jié)合。

4D毫米波雷達(dá)的先驅(qū)者

為對4D成像雷達(dá)系統(tǒng)有更系統(tǒng)的認(rèn)識，近年來市面上幾種常見的成像雷達(dá)系統(tǒng)方案中，包括TI公司、Arbe公司、Uhnder公司。

TI級聯(lián)方案---毫米波成像雷達(dá)系統(tǒng)的開辟者

在TI公司早期推出的毫米波雷達(dá)芯片AWR1243中通過發(fā)射FMCW信號來探測目標(biāo)的距離和速度，而使用時分波形的方式將三個發(fā)射和四個接收構(gòu)成的12個虛擬通道來探測角度，然而受限于角度分辨率，其獲取的目標(biāo)信息有效。而TI公司于19年推出了自己的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)級聯(lián)方案，通過將四個三發(fā)四收的單個MIMO芯片級聯(lián)方案可以構(gòu)成12發(fā)16收的MIMO雷達(dá)陣列，此時雷達(dá)系統(tǒng)的虛擬通道數(shù)可從12提升到了192，該方法可以極大的提升了雷達(dá)系統(tǒng)的角度分辨率。在圖1所使用的級聯(lián)雷達(dá)系統(tǒng)中水平角度分辨率可達(dá)到1.4°，俯仰角度分辨率可達(dá)到18°的效果。

目前國內(nèi)有不少廠商依托于TI成像雷達(dá)系統(tǒng)的級聯(lián)方案進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)，以達(dá)到更好的角度分辨率，級聯(lián)方案來搭建成像雷達(dá)系統(tǒng)已成為當(dāng)下的主流技術(shù)。

Arbe毫米波成像雷達(dá)系統(tǒng)---超大陣列和專用處理器方案

除了TI公司開發(fā)的級聯(lián)雷達(dá)系統(tǒng)方案，以色列Arbe公司開發(fā)出了目前最大的48發(fā)48收級聯(lián)雷達(dá)系統(tǒng)方案，其虛擬通道數(shù)可以達(dá)到驚人的2304，大大的提升了毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的角度分辨率，與此同時隨著虛擬通道數(shù)的增加，傳統(tǒng)的處理器無法解決毫米波雷達(dá)系統(tǒng)信號處理和數(shù)據(jù)處理，Arbe公司也推出了自己的專用毫米波雷達(dá)處理器芯片，使得毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的集成度更高，數(shù)據(jù)處理更加高效。圖2中為Arbe公司成像雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)物圖，從圖中可以看出該成像雷達(dá)系統(tǒng)采用口字型陣列來設(shè)計MIMO雷達(dá)，可同時在水平維度和俯仰維度探測目標(biāo)。圖3中為Arbe公司雷達(dá)專用處理器框圖，從其展現(xiàn)的框圖中可以看出，在該專用處理器中增加了其獨(dú)有的雷達(dá)信號處理硬件加速模塊，以更好的解決成像雷達(dá)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)高吞吐量的問題。

從Arbe的技術(shù)方案中可以看出，超大規(guī)模的MIMO陣列將可能是一種技術(shù)趨勢，而在使用超大規(guī)模MIMO陣列后需要考慮產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)如何有效處理的問題，因此專用的成像雷達(dá)系統(tǒng)硬件加速模塊是需要的，關(guān)于這點(diǎn)國內(nèi)還比較空白。

Uhnder公司---PMCW雷達(dá)的領(lǐng)跑者

不同于傳統(tǒng)FMCW信號波形，Uhnder公司采用的PMCW波形通過多天線同時發(fā)射正交相位編碼信號的方式來探測目標(biāo)的距離和速度，該方案不僅可以探測更遠(yuǎn)距離，同時在有效探測目標(biāo)的同時可以有效的抗除雷達(dá)與雷達(dá)之間的相互干擾。在19年的ISSCC論文[1]中Uhnder公司已經(jīng)發(fā)表了其相關(guān)研究成果，在單科芯片中集成12發(fā)16收的雷達(dá)陣列。

4D毫米波雷達(dá)仍需解決的問題

總結(jié)以上公司的技術(shù)演進(jìn)路線，我們可以發(fā)現(xiàn)在4D毫米波成像雷達(dá)系統(tǒng)存在以下亟需解決的技術(shù)難題：

成像雷達(dá)系統(tǒng)的陣列設(shè)計問題

在4D毫米波雷達(dá)系統(tǒng)中，通過MIMO使得系統(tǒng)虛擬通道數(shù)得到了極大提升，因此如何設(shè)計陣列以達(dá)到高精度的角度分辨率成為其中的一個難題。在已有的學(xué)術(shù)研究中將12個3發(fā)4收的MIMO芯片進(jìn)行級聯(lián)，構(gòu)成36發(fā)48收MIMO雷達(dá)系統(tǒng)，可達(dá)到1728個虛擬通道。通過遺傳算法來設(shè)計稀疏陣列，使得雷達(dá)孔徑更大，水平角分辨率可達(dá)到0.78°，俯仰角分辨率可達(dá)到3.6°?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著天線數(shù)的增多，在未來的成像雷達(dá)系統(tǒng)中，其陣列排布和角度分辨率將會得到更一步的優(yōu)化和提升。

與傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)相比，MIMO雷達(dá)的最大特點(diǎn)在于采用波形分集技術(shù)。波形相關(guān)系數(shù)是表示波形分集的重要參數(shù)，MIMO雷達(dá)的各天線發(fā)射正交信號，波形間的相關(guān)系數(shù)為0，在空間形成低增益寬波束，接收端通過DBF合成多個接收波束，實(shí)現(xiàn)覆蓋大空域的探測。對于MIMO正交波形設(shè)計，使用者希望設(shè)計的波形盡可能地具備高分辨率、低旁瓣、良好的正交性，目前常用的四種方法為時分復(fù)用（TDMA）、頻分復(fù)用（FDMA）、多普勒分集復(fù)用（DDMA）、碼分復(fù)用（CDMA）等。表1中對各類正交波形做了總結(jié)，現(xiàn)有的雷達(dá)芯片中已經(jīng)可以支持交替發(fā)射TDMA、CDMA和DDMA波形，因此如何復(fù)用波形以提升陣列使用效率成為設(shè)計者應(yīng)該思考的問題。

成像雷達(dá)抗干擾問題

隨著車輛使用毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的增多，雷達(dá)與雷達(dá)之間的干擾日益嚴(yán)重，在相同的中心頻率內(nèi)使用線性調(diào)頻信號，很容易產(chǎn)生相互之間的干擾，為此如何消除系統(tǒng)干擾成為待解決的難題。

為此，不同的公司開發(fā)出不同的方案來解決該問題。如圖7中所示，為Arbe公司的波形設(shè)計專利中使用多個頻率跳動的窄帶信號合成寬帶信號來規(guī)避雷達(dá)之間的相互干擾。當(dāng)然，該方法的正確與否還有待研究與挖掘。

毫米波雷達(dá)專用處理器問題

隨著毫米波雷達(dá)系統(tǒng)通道數(shù)的增多，傳統(tǒng)的處理器無法滿足毫米波雷達(dá)系統(tǒng)大吞吐量數(shù)據(jù)的需求，因此迫切需要設(shè)計符合大陣列大吞吐量的雷達(dá)專用處理器芯片，近年來除了arbe公司提出了自己的專用處理器方案外，也有像NXP這樣的老牌玩家在設(shè)計相關(guān)的雷達(dá)專用處理器模塊。

4D毫米波雷達(dá)的深度學(xué)習(xí)

4D毫米波雷達(dá)相較于傳統(tǒng)的3D毫米波雷達(dá)有更豐富的信息，如何有效的將深度學(xué)習(xí)框架應(yīng)用到4D毫米波雷達(dá)中是自動駕駛性能提升的關(guān)鍵技術(shù)之一。從傳統(tǒng)3D毫米波雷達(dá)的信號處理流程中我們可以看到，頻信號經(jīng)過ADC后接入毫米波預(yù)處理流程，經(jīng)過距離和速度2個維度的FFT之后，進(jìn)行CFAR檢測在空間維度上剔除大量噪聲，然后利用第3個維度的FFT來獲取波達(dá)角，生成稀疏點(diǎn)云，繼而進(jìn)行聚類和跟蹤，最后進(jìn)行目標(biāo)分類后輸出。

4D毫米波雷達(dá)增大了天線陣列，除了能增加高度信息外，還能提供更為豐富的點(diǎn)云信息，當(dāng)點(diǎn)云信息足夠豐富時，我們可以借鑒激光雷達(dá)的信號處理方式，采用類似于Voxelnet、CenterPoint、PointPillar等3D或2D網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行特征提取和識別。

在最新的研究中，也有人提出在進(jìn)行距離和速度2個維度的FFT之后，不進(jìn)行CFAR步驟，而直接進(jìn)行第3個維度的FFT來獲取4D張量信息，然后基于這個4D張量進(jìn)行特征提取和識別。這種方式可以最大程度地保留有效信息，但是由于沒有進(jìn)行CFAR步驟，需要處理的數(shù)據(jù)量非常大，對于系統(tǒng)的帶寬和算力都提出了較高的要求。

毫米波雷達(dá)與激光雷達(dá)----路在何方？

總體而言目前毫米波雷達(dá)系統(tǒng)仍處于百家爭鳴的戰(zhàn)國時代，盡管每家公司的雷達(dá)系統(tǒng)方案并不相同，然而都面臨著算法和硬件系統(tǒng)的困境，亟需從算法、芯片和系統(tǒng)層面解決以上問題。

隨著毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展，其角度分辨率會逐漸逼近0.1°，而達(dá)到一些低端激光雷達(dá)的效果。不同于激光雷達(dá)系統(tǒng)直接對點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的固定方式，4D毫米波雷達(dá)系統(tǒng)自由的陣列和波形設(shè)計提高了系統(tǒng)的使用門檻，但也給了用戶更多的發(fā)揮空間。而毫米波雷達(dá)系統(tǒng)相比于激光雷達(dá)，其波長更長，具有較為適宜的大氣窗口，在全天候方面更具優(yōu)勢。FMCW在毫米波雷達(dá)上的成功經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)被借鑒到激光雷達(dá)領(lǐng)域，1550nm FMCW激光雷達(dá)技術(shù)增加了速度維信息，抗干擾能力強(qiáng)，但離成熟商用還有一段時間的路要走。

毫米波雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈及市場格局

國內(nèi)毫米波雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈分為三大環(huán)節(jié)：上游環(huán)節(jié)主要包括射頻前段MMIC芯片、數(shù)字信號處理器DSP、天線高頻PCB以及控制電路等；中游環(huán)節(jié)主要是從事毫米波雷達(dá)生產(chǎn)的企業(yè)；下游毫米波雷達(dá)主要用于無人機(jī)、車聯(lián)網(wǎng)、ADAS等領(lǐng)域，國產(chǎn)廠商均有涉獵。比如無人機(jī)領(lǐng)域的大疆、航天彩虹等，ADAS的東風(fēng)、長安等汽車廠商，車聯(lián)網(wǎng)的大唐電信、百度等。

毫米波雷達(dá)整機(jī)國外廠商占據(jù)頭部位置，但尚未出現(xiàn)壟斷廠商，市場份額分散化分布及車廠分散合作模式給國產(chǎn)帶來機(jī)會。

當(dāng)然這個賽道上也是擠滿了人，和汽車新能源一樣，傳統(tǒng)巨頭們都在做例如Continental、Bosch、Hella、Denso、Aptiv 和 Veoneer，還有不少新勢力殺入例如Ainstein、Arbe、Oculii、RFIsee、Vayyar、Aeres EM、Cognitive、Unhder。中國也不少，例如華為，華域，福瑞泰克，森思泰克，縱目。還有創(chuàng)業(yè)的楚航科技，威孚科技。

國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)的崛起以及車企的多元供應(yīng)模式給國內(nèi)相關(guān)提供了滲透條件。

2014年起，國內(nèi)涌現(xiàn)大批毫米波雷達(dá)初創(chuàng)企業(yè)和相關(guān)上市企業(yè)，就產(chǎn)品指標(biāo)而言，國產(chǎn)毫米波雷達(dá)與競品相比無太大差別，均滿足車規(guī)級要求，但在信噪比、探測精度、良品率等方面仍有一定差異，長期來看存較大進(jìn)口替代空間。

2019年5月底紅旗HS5搭載的森思泰克77GHz車載毫米波雷達(dá)成為國內(nèi)首個真正實(shí)現(xiàn)“上路”的ADAS毫米波雷達(dá)傳感器，突破了國際巨頭壟斷。

國內(nèi)廠商如德賽西威、華域汽車、保隆科技、森斯泰克、承泰科技、楚航科技、隼眼科技、浙江智波、行易到、安智杰和納雷科技等亦有布局。

其中，德賽西威和華域汽車24GHz和77GHz均已量產(chǎn)。德賽西威24GHz用于小鵬、奇瑞等；77GHz已量產(chǎn)，獲自主品牌車企訂單。

審核編輯：湯梓紅