4D毫米波雷達(dá)突破了傳統(tǒng)雷達(dá)的局限性

自動(dòng)駕駛需要構(gòu)建全頻譜感知能力 在汽車(chē)智能化發(fā)展道路中，感知系統(tǒng)是至關(guān)重要的一環(huán)，理想的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)需要全天候、全覆蓋、全目標(biāo)、全工況的感知。當(dāng)前的自動(dòng)駕駛技術(shù)水平離理想目標(biāo)還有較大差距，為了實(shí)現(xiàn)高階自駕，需要在全頻段上構(gòu)建感知系統(tǒng)，有效融合各頻段傳感器的優(yōu)勢(shì)，為規(guī)劃控制提供準(zhǔn)確有效的信息。 現(xiàn)階段自動(dòng)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(jiàn)光到紅外光譜，是最接近人眼的傳感器，有豐富的語(yǔ)義信息，在傳感器中具有不可替代的作用，比如紅綠燈識(shí)別、交通標(biāo)識(shí)識(shí)別，都離不開(kāi)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(chǎng)景立體空間信息。從頻譜可以看到，激光在頻譜上和可見(jiàn)光較為接近，因此和可見(jiàn)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(zhǎng)為3.9mm附近，是這幾種傳感器中波長(zhǎng)最長(zhǎng)的傳感器，全天候性能最好，且具備速度探測(cè)優(yōu)勢(shì)。 攝像頭和激光雷達(dá)由于有較為豐富的信息，前期的自動(dòng)駕駛感知研究主要集中這兩類(lèi)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(lái)，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(gè)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(dòng)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(chē)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(chē)輛，目標(biāo)信息容易和地雜波等摻雜在一起，識(shí)別難度較大，而移動(dòng)車(chē)輛可以靠多普勒識(shí)別。

當(dāng)有橫穿車(chē)輛和行人, 多普勒為零或很低，難以檢測(cè)。

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

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

用雷達(dá)散射截面積區(qū)分物體難：可以通過(guò)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(lái)區(qū)分路牌、立交橋和車(chē)輛，然而準(zhǔn)確率并不高。

最遠(yuǎn)探測(cè)距離不超過(guò)200 m，探測(cè)距離范圍有限。

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

最遠(yuǎn)探測(cè)距離大幅可達(dá)300多米，比激光雷達(dá)和視覺(jué)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，通常可以達(dá)到1 的角度分辨率，可以區(qū)分 300m 處的兩輛近車(chē)

4D毫米波雷達(dá)系統(tǒng)可以測(cè)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(chē)輛和行人, 多普勒為零或很低時(shí)通過(guò)高精度的水平角和高精度的俯仰角可以有效識(shí)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(duì)4D成像雷達(dá)系統(tǒng)有更系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，這里我們列舉了近年來(lái)市面上幾種常見(jiàn)的成像雷達(dá)系統(tǒng)方案，其中包括TI公司、Arbe公司、Uhnder公司。

TI級(jí)聯(lián)方案---毫米波成像雷達(dá)系統(tǒng)的開(kāi)辟者

在TI公司早期推出的毫米波雷達(dá)芯片AWR1243中通過(guò)發(fā)射FMCW信號(hào)來(lái)探測(cè)目標(biāo)的距離和速度，而使用時(shí)分波形的方式將三個(gè)發(fā)射和四個(gè)接收構(gòu)成的12個(gè)虛擬通道來(lái)探測(cè)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(jí)聯(lián)方案，其級(jí)聯(lián)效果如圖1中所示，通過(guò)將四個(gè)三發(fā)四收的單個(gè)MIMO芯片級(jí)聯(lián)方案可以構(gòu)成12發(fā)16收的MIMO雷達(dá)陣列，此時(shí)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(jí)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(guó)內(nèi)有不少?gòu)S商依托于TI成像雷達(dá)系統(tǒng)的級(jí)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(jí)聯(lián)方案來(lái)搭建成像雷達(dá)系統(tǒng)已成為當(dāng)下的主流技術(shù)。

圖1 TI級(jí)聯(lián)系統(tǒng)實(shí)物圖

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

除了TI公司開(kāi)發(fā)的級(jí)聯(lián)雷達(dá)系統(tǒng)方案，以色列Arbe公司開(kāi)發(fā)出了目前最大的48發(fā)48收級(jí)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(shí)隨著虛擬通道數(shù)的增加，傳統(tǒng)的處理器無(wú)法解決毫米波雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理，Arbe公司也推出了自己的專(zhuān)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(lái)設(shè)計(jì)MIMO雷達(dá)，可同時(shí)在水平維度和俯仰維度探測(cè)目標(biāo)。圖3中為Arbe公司雷達(dá)專(zhuān)用處理器框圖，從其展現(xiàn)的框圖中可以看出，在該專(zhuān)用處理器中增加了其獨(dú)有的雷達(dá)信號(hào)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(wèn)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(shì)，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(wèn)題，因此專(zhuān)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(guó)內(nèi)還比較空白。

圖2 Arbe成像雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)物圖

圖3 Arbe成像雷達(dá)系統(tǒng)專(zhuān)用處理器框圖

Uhnder公司---PMCW雷達(dá)的領(lǐng)跑者

不同于傳統(tǒng)FMCW信號(hào)波形，Uhnder公司采用的PMCW波形通過(guò)多天線同時(shí)發(fā)射正交相位編碼信號(hào)的方式來(lái)探測(cè)目標(biāo)的距離和速度，該方案不僅可以探測(cè)更遠(yuǎn)距離，同時(shí)在有效探測(cè)目標(biāo)的同時(shí)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。

圖4 Uhnder公司高集成成像雷達(dá)系統(tǒng)[1]

4D毫米波成像雷達(dá)系統(tǒng)中的難點(diǎn) 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：

1)、成像雷達(dá)系統(tǒng)的陣列設(shè)計(jì)問(wèn)題

在4D毫米波雷達(dá)系統(tǒng)中，通過(guò)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(jì)陣列以達(dá)到高精度的角度分辨率成為其中的一個(gè)難題。在已有的學(xué)術(shù)研究[2]中將12個(gè)3發(fā)4收的MIMO芯片進(jìn)行級(jí)聯(lián)，構(gòu)成36發(fā)48收MIMO雷達(dá)系統(tǒng)，可達(dá)到1728個(gè)虛擬通道。而文中通過(guò)遺傳算法來(lái)設(shè)計(jì)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(lái)的成像雷達(dá)系統(tǒng)中，其陣列排布和角度分辨率將會(huì)得到更一步的優(yōu)化和提升。

(a)

(b)

(c)

圖5 文獻(xiàn)[2]中的4D成像雷達(dá)系統(tǒng)；(a)芯片級(jí)聯(lián)硬件實(shí)物；(b)優(yōu)化后的36發(fā)48收稀疏陣列示意圖；(c) 優(yōu)化后的36發(fā)48收稀疏陣列實(shí)物圖

2)、成像雷達(dá)波形設(shè)計(jì)問(wèn)題

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(hào)，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(guò)DBF合成多個(gè)接收波束，實(shí)現(xiàn)覆蓋大空域的探測(cè)。對(duì)于MIMO正交波形設(shè)計(jì)，使用者希望設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)各類(lèi)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(jì)者應(yīng)該思考的問(wèn)題。

表1正交波形總結(jié)

3)、成像雷達(dá)抗干擾問(wèn)題

隨著車(chē)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，如圖6中所示雷達(dá)B1和雷達(dá)B2在相同的中心頻率內(nèi)使用線性調(diào)頻信號(hào)，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。

圖6 雷達(dá)與雷達(dá)之間相互干擾示意圖

為此，不同的公司開(kāi)發(fā)出不同的方案來(lái)解決該問(wèn)題。如圖7中所示，為Arbe公司的波形設(shè)計(jì)專(zhuān)利中使用多個(gè)頻率跳動(dòng)的窄帶信號(hào)合成寬帶信號(hào)來(lái)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。

圖7 Arbe專(zhuān)利中的跳頻波形設(shè)計(jì)以消除雷達(dá)之間的干擾

4)、毫米波雷達(dá)專(zhuān)用處理器問(wèn)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(wú)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(jì)符合大陣列大吞吐量的雷達(dá)專(zhuān)用處理器芯片，近年來(lái)除了arbe公司提出了自己的專(zhuān)用處理器方案外，也有像NXP這樣的老牌玩家在設(shè)計(jì)相關(guān)的雷達(dá)專(zhuān)用處理器模塊。

4D毫米波雷達(dá)的深度學(xué)習(xí)初探 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(dòng)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(hào)處理流程中我們可以看到，頻信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC后接入毫米波預(yù)處理流程，經(jīng)過(guò)距離和速度2個(gè)維度的FFT之后，進(jìn)行CFAR檢測(cè)在空間維度上剔除大量噪聲，然后利用第3個(gè)維度的FFT來(lái)獲取波達(dá)角，生成稀疏點(diǎn)云，繼而進(jìn)行聚類(lèi)和跟蹤，最后進(jìn)行目標(biāo)分類(lèi)后輸出。

圖8 TI IWR6843雷達(dá)信號(hào)處理框圖

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(shí)，我們可以借鑒激光雷達(dá)的信號(hào)處理方式，采用類(lèi)似于Voxelnet、CenterPoint、PointPillar等3D或2D網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行特征提取和識(shí)別。 在最新的研究中，也有人提出在進(jìn)行距離和速度2個(gè)維度的FFT之后，不進(jìn)行CFAR步驟，而直接進(jìn)行第3個(gè)維度的FFT來(lái)獲取4D張量信息，然后基于這個(gè)4D張量進(jìn)行特征提取和識(shí)別。這種方式可以最大程度地保留有效信息，但是由于沒(méi)有進(jìn)行CFAR步驟，需要處理的數(shù)據(jù)量非常大，對(duì)于系統(tǒng)的帶寬和算力都提出了較高的要求。

圖9 文獻(xiàn)[3]中基于張量的4D雷達(dá)識(shí)別方法

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(zhēng)鳴的戰(zhàn)國(guó)時(shí)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(wèn)題。 筆者認(rèn)為隨著毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展，其角度分辨率會(huì)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(duì)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(jì)提高了系統(tǒng)的使用門(mén)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(zhǎng)更長(zhǎng)，具有較為適宜的大氣窗口，在全天候方面更具優(yōu)勢(shì)。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(shí)間的路要走。

審核編輯 ：李倩