分享四種4D毫米波雷達(dá)解決方案

毫米波雷達(dá)最大的“缺陷”是分辨率不高，無(wú)法辨識(shí)行人和對(duì)周圍障礙物進(jìn)行精準(zhǔn)的建模，而分辨率智能雷達(dá)傳感器對(duì)于實(shí)現(xiàn)高級(jí)自動(dòng)駕駛是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。為了給雷達(dá)“開(kāi)眼”，各家企業(yè)各顯神通，采用不同的技術(shù)進(jìn)行了大膽的創(chuàng)新，為了解決傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)角分辨率低、點(diǎn)云密度低的問(wèn)題，當(dāng)下出現(xiàn)了四種4D毫米波雷達(dá)解決方案：

1、基于傳統(tǒng)CMOS雷達(dá)芯片，提供軟件虛擬雷達(dá)孔徑，強(qiáng)調(diào)“軟件定義的雷達(dá)”，主要廠家有傲酷、Mobileye等；

軟件虛擬雷達(dá)孔徑，其核心在于通過(guò)軟件模擬，增大毫米波雷達(dá)的孔徑以提升角分辨率。角分辨率即為雷達(dá)的指向精度。比如雷達(dá)指向精度0.01弧度（換算成角度就是0.6度），那么自動(dòng)駕駛車輛可以在100米的距離獲得1米的分辨率。在雷達(dá)中，角分辨率的高低與波長(zhǎng)與孔徑大小有關(guān)。即波長(zhǎng)越長(zhǎng)，角分辨率越低，孔徑越大，分辨率越高。

傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)大多為24GHz，波長(zhǎng)較長(zhǎng)且孔徑小，其特性注定角分辨率低。倘若擴(kuò)展天線的尺寸或者增加天線的數(shù)量，可以提高雷達(dá)性能，但也會(huì)顯著增加成本、尺寸和功耗。而4D毫米波雷達(dá)可通過(guò)虛擬孔徑成像軟件算法和天線設(shè)計(jì)，模擬數(shù)倍、甚至數(shù)十倍天線以提升角分辨率。

美國(guó)的4D成像雷達(dá)公司傲酷推出的商用4D成像雷達(dá)EAGLE，其搭載虛擬孔徑成像軟件可動(dòng)態(tài)發(fā)送相位調(diào)制的自適應(yīng)波形。該波形可跟隨環(huán)境實(shí)時(shí)變化，并隨時(shí)間編碼數(shù)據(jù)，從而可雷達(dá)硬件的角分辨率最高提升達(dá)100倍。最終實(shí)現(xiàn)120°水平/30°縱向的寬視場(chǎng)中提供0.5°水平x1°縱向的角分辨率。

2、將多發(fā)多收天線集成在一顆芯片，直接提供成像雷達(dá)芯片，比如Arbe、Vayyar等；

車用毫米波雷達(dá)芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它包括多種功能電路，如低噪聲放大器（LNA）、功率放大器（PA）、混頻器、壓控振蕩器（VCO）、鎖相環(huán)頻率綜合器（PLL）、本振鏈路（LO）、移相器、倍頻器、分頻器、可編程增益放大器（PGA）、濾波器、甚至收發(fā)天線等，需要具備射頻損耗小、噪聲低、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、輸出功率大、功率附加效率高、抗電磁輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

當(dāng)今量產(chǎn)的76GHz~81GHz毫米波雷達(dá)芯片技術(shù)大都采用SiGe制程，接收通道、發(fā)射通道和本振通道分開(kāi)實(shí)現(xiàn)。目前正在向成本更低、集成度更高的硅基CMOS技術(shù)演進(jìn)，從65nm、40nm逐步向28nm、16nm工藝演進(jìn)，同時(shí)集成度進(jìn)一步提高，實(shí)現(xiàn)射頻前端、ADC、MCU和存儲(chǔ)器單片全集成，達(dá)到成本低、封裝小、重量輕、功耗低的設(shè)計(jì)要求。

車用毫米波雷達(dá)核心芯片技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 毫米波雷達(dá)根據(jù)點(diǎn)云密度由低至高可分為24GHz、77GHz、79GHz三種，其中24GHz為市場(chǎng)主流，77GHz及79GHz初入量產(chǎn)階段。

點(diǎn)云密度低意味著自動(dòng)駕駛車輛在行駛中無(wú)法對(duì)周圍行人、車輛、樁桶點(diǎn)云成像，使得僅搭載毫米波雷達(dá)的車輛無(wú)法在復(fù)雜路段行駛。而目前4D毫米波雷達(dá)普遍為77GHz及以上頻段，車輛可在行駛中達(dá)到類似激光點(diǎn)云的成像方式。

該技術(shù)的代表公司為以色列初創(chuàng)公司Vayyar，其推出的單片成像雷達(dá)可通過(guò)獲取動(dòng)態(tài)點(diǎn)云構(gòu)建實(shí)時(shí)、高分辨率的四維可視化機(jī)艙和汽車外部環(huán)境。

3、將77GHz/79GHz的標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)芯片多芯片級(jí)聯(lián)，以增加天線數(shù)量，比如大陸、博世、ZF等一眾公司；

毫米波雷達(dá)天線的主流方案是微帶陣列，利用較小的高頻印刷電路板（PCB）空間產(chǎn)生足夠的天線輻射強(qiáng)度，并實(shí)現(xiàn)與芯片的互連。

車用毫米波雷達(dá)天線與模塊的主要技術(shù)路線 基于多芯片級(jí)聯(lián)的79GHz MIMO毫米波成像雷達(dá)是未來(lái)產(chǎn)業(yè)化方向。采用多芯片級(jí)聯(lián)和微型化PCB板載天線陣列，加上雷達(dá)信號(hào)處理，可以實(shí)現(xiàn)面向高精度多維成像的79GHz MIMO虛擬陣列雷達(dá)，將識(shí)別精度進(jìn)一步提升到微米級(jí)別，支持距離、速度、角度、高度測(cè)量和多視角可調(diào)多工作模式，實(shí)現(xiàn)全天候下的多維毫米波成像。

芯片級(jí)聯(lián)可分為二級(jí)聯(lián)、四級(jí)聯(lián)、八級(jí)聯(lián)三種方法。通過(guò)將2個(gè)/4個(gè)/8個(gè)的3發(fā)4收的芯片聯(lián)為一體，組成6發(fā)8收/12發(fā)16收/24發(fā)/32收芯片。然而，此種傳統(tǒng)提高角分辨率的方式，只是簡(jiǎn)單堆砌更多芯片、更多天線。例如提高角分辨率到1度角，必須通過(guò)四個(gè)芯片級(jí)聯(lián)、增加天線。但雷達(dá)硬件受成本、尺寸、功耗的限制較大，較少公司采用此方法提高角分辨率。

4、通過(guò)超材料研發(fā)新型雷達(dá)架構(gòu)，代表廠家有Metawave等。

通過(guò)在超材料表面上嵌入顯微結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可結(jié)合電磁波傳播技術(shù)，以此創(chuàng)建出比傳統(tǒng)電路要小很多的電路。此類技術(shù)為代表的公司是Metawave，其SPEKTRA雷達(dá)通過(guò)模擬波束并不斷轉(zhuǎn)向波束，可對(duì)350米以上的車輛和200米以上的行人進(jìn)行檢測(cè)和分類。

Metawave采用的方法是把電磁波束緊緊地聚攏起來(lái)，讓其能量集中在一處，如圖。而要實(shí)現(xiàn)這樣的效果，在數(shù)字空間（Digital Space）是辦不到的，只有在模擬空間（Analog Space）里才能做到。實(shí)際上，WARLORD可以說(shuō)是一款模擬波束雷達(dá)產(chǎn)品（Analog Beam Forming Radar）。

WARLORD的技術(shù)特性：

其一，采用可操控的天線。Metawave采用的是單天線，而非天線陣列，同時(shí)接收也是單線的。這種天線由復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)而成，每一個(gè)超材料單元（Unit Cell）都有活躍組件能夠參與波束成形，還能調(diào)整波束角度。這相較于如今大部分雷達(dá)用的多天線結(jié)構(gòu)有很大的優(yōu)勢(shì)。

復(fù)雜的波束掃描

其二，信號(hào)收發(fā)端進(jìn)行了整合。Metawave采用了英飛凌、NXP和TI等Tier2的芯片，并與他們進(jìn)行合作，將天線和芯片組進(jìn)行了整合。

其三，優(yōu)越的微控制技術(shù)。比如要控制天線探測(cè)前方的物體，追蹤其距離、角度、速度以及運(yùn)動(dòng)的方式，同時(shí)還要判斷這些物體的類別，最后還要把這些經(jīng)過(guò)處理的信息傳送給（自動(dòng)駕駛汽車）的傳感器融合單元。

5、4D毫米波雷達(dá)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

4D毫米波雷達(dá)的四種方案，針對(duì)傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)缺陷逐個(gè)擊破，以此拿到進(jìn)入L3自動(dòng)駕駛的門(mén)票 4D毫米波雷達(dá)在原有距離、方位、速度的基礎(chǔ)上增加了對(duì)目標(biāo)的高度維數(shù)據(jù)解析，能夠?qū)崿F(xiàn)距“3D+速度”四個(gè)維度的信息感知，可以有效地解析目標(biāo)的輪廓、類別、行為。

4D毫米波雷達(dá)對(duì)比 4D毫米波雷達(dá)系統(tǒng)可以適應(yīng)更多復(fù)雜路況，包括識(shí)別較小的物體，被遮擋的部分物體以及靜止物體和橫向移動(dòng)障礙物的檢測(cè)。

從性能效果來(lái)說(shuō)，4D成像毫米波雷達(dá)算是3D毫米波雷達(dá)的升級(jí)版，另一方面，從成本上看，4D成像毫米波雷達(dá)的成本也僅為激光雷達(dá)的10%-20%。

相比于傳統(tǒng)的3D毫米波雷達(dá)，車載4D毫米波雷達(dá)在工作時(shí)，除了能夠解算出目標(biāo)的距離、速度、水平角信息，還能解算出目標(biāo)的俯仰角信息，進(jìn)而可以提供汽車周圍的環(huán)境信息，能夠避免窨井蓋、路肩、減速帶所產(chǎn)生的虛警現(xiàn)象。

除此之外，得益于能夠提供目標(biāo)的高度信息，捕捉到汽車周圍目標(biāo)的空間坐標(biāo)和速度信息，4D毫米波雷達(dá)還能夠提供更加真實(shí)的路徑規(guī)劃、可通行空間檢測(cè)功能。

目前4D成像毫米波雷達(dá)產(chǎn)品，主要面臨著兩個(gè)難題：

首先是目前對(duì)4D毫米波雷達(dá)的需求并不明確。原本毫米波雷達(dá)只輸出帶有距離、速度信息的目標(biāo)，但4D成像毫米波雷達(dá)還額外提供了具有方位角信息的點(diǎn)，企業(yè)究竟要利用這一特征達(dá)到何種感知目的，目前業(yè)內(nèi)還沒(méi)有明確的方案。

第二大難點(diǎn)則是現(xiàn)下業(yè)內(nèi)并沒(méi)有專門(mén)針對(duì)4D成像毫米波雷達(dá)的測(cè)試設(shè)備，行業(yè)的生態(tài)鏈并不成熟。廠商們只能利用傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)的測(cè)試設(shè)備，來(lái)驗(yàn)證其4D成像毫米波雷達(dá)產(chǎn)品的性能。但是目標(biāo)模擬器這樣的傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備，其分辨率并不高，無(wú)法驗(yàn)證4D成像毫米波雷達(dá)的分辨率是否達(dá)到了1°或者零點(diǎn)幾度。如果產(chǎn)品的一些基礎(chǔ)性能出了問(wèn)題，比如天線設(shè)計(jì)，沒(méi)有辦法在實(shí)驗(yàn)室里檢測(cè)出來(lái)，做不了前端測(cè)試，無(wú)法形成一個(gè)完整的研發(fā)閉環(huán)?！?

但4D成像毫米波雷達(dá)趨勢(shì)已不可逆轉(zhuǎn)。中國(guó)的4D成像雷達(dá)市場(chǎng)將領(lǐng)跑全球，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)L2+及以上新車搭載率有望在2025年突破50%。同時(shí)，4D成像雷達(dá)將從2023年初開(kāi)始小規(guī)模前裝導(dǎo)入，預(yù)計(jì)到2023年，搭載量有機(jī)會(huì)突破百萬(wàn)顆，到2025年占全部前向毫米波雷達(dá)的比重有望超過(guò)40%。

審核編輯：劉清