自動(dòng)駕駛為什么需要毫米波雷達(dá)

隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)的毫米波雷達(dá)也得到了許多關(guān)注。毫米波雷達(dá)在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，是與激光雷達(dá)LiDAR和攝像頭一樣極其重要的傳感器。同時(shí)，我們將會(huì)看到，毫米波雷達(dá)除了在無人駕駛中的應(yīng)用外，在機(jī)器人以及生物傳感領(lǐng)域也有很大潛力。

毫米波雷達(dá)在汽車領(lǐng)域其實(shí)已經(jīng)有多年應(yīng)用。汽車引入毫米波雷達(dá)最初主要是為了實(shí)現(xiàn)盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)和定距巡航，而隨著技術(shù)的發(fā)展這兩個(gè)特性也漸漸從高端車專用普及到了幾乎所有車型。可以說汽車界對(duì)于毫米波雷達(dá)并不陌生，但是隨著最近自動(dòng)駕駛概念的走紅，毫米波雷達(dá)在汽車領(lǐng)域的關(guān)注度獲得了極大提升。

為什么自動(dòng)駕駛需要毫米波雷達(dá)？眾所周知，自動(dòng)駕駛中與常規(guī)汽車中傳感器最大的不同是加入了LiDAR和攝像頭，LiDAR采用激光測(cè)距技術(shù)可以獲得汽車周圍空間的三維點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)環(huán)境建模；而攝像頭則幫助自動(dòng)駕駛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的語義化分割和理解。舉例來說，LiDAR可以檢測(cè)到前方若干米處有一個(gè)標(biāo)牌，而攝像頭則可以幫助理解標(biāo)牌上的內(nèi)容，是限速標(biāo)志還是和駕駛無關(guān)的廣告等。

然而，LiDAR和攝像頭都使用了光波段的電磁波，這個(gè)波段的電磁波有一個(gè)特點(diǎn)就是透射和繞射性能都不好，因此一旦有遮擋就很難使用。因此，在雨天、霧天等場(chǎng)合，LiDAR和攝像頭幾乎就無法工作了，這時(shí)候?yàn)榱四茏詣?dòng)駕駛必須依靠毫米波雷達(dá)。毫米波雷達(dá)與LiDAR最大不同的地方就是毫米波波段的電磁波不會(huì)受到雨、霧、灰塵等常見的環(huán)境因素影響，在這些場(chǎng)景下都能順利工作，因此毫米波雷達(dá)可以說是自動(dòng)駕駛穩(wěn)定工作的重要保障。

毫米波雷達(dá)無論對(duì)于奧迪這樣專注于L1-L3輔助駕駛的保守型車廠，還是對(duì)于Waymo，Uber這樣想一步到位實(shí)現(xiàn)L4-L5的激進(jìn)型自動(dòng)駕駛初創(chuàng)公司都有很重要的意義。對(duì)于傳統(tǒng)車廠來說，毫米波雷達(dá)在盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)、定距巡航等原應(yīng)用上的一些漸進(jìn)式擴(kuò)展可以成為輔助駕駛（如自動(dòng)換線）中的重要組成部分，而對(duì)于激進(jìn)型自動(dòng)駕駛初創(chuàng)公司來說高精度毫米波雷達(dá)則是其無人駕駛系統(tǒng)可靠性的重要保障，結(jié)合LiDAR和攝像頭做傳感器融合可以實(shí)現(xiàn)所有氣候環(huán)境下的自動(dòng)駕駛，因此如果沒有毫米波雷達(dá)的話無人車恐怕都沒法真正上路。

毫米波雷達(dá)芯片發(fā)展趨勢(shì)

目前汽車領(lǐng)域的毫米波雷達(dá)主要基于FMCW技術(shù)，即發(fā)射出調(diào)頻毫米波信號(hào)，并根據(jù)首發(fā)毫米波之間的頻率差來確定目標(biāo)的位置以及相對(duì)速度。FMCW雷達(dá)關(guān)注的指標(biāo)主要是目標(biāo)區(qū)分度和測(cè)量分辨率，其中目標(biāo)區(qū)分度指的是雷達(dá)能分辨的兩個(gè)物體之間的最小距離（如果兩個(gè)物體之間的距離小于該最小距離則會(huì)被雷達(dá)認(rèn)為是一個(gè)物體），而測(cè)量分辨率則是絕對(duì)距離的測(cè)量精確度。

我們看到的毫米波雷達(dá)的第一個(gè)趨勢(shì)就是從24GHz頻段演進(jìn)到77GHz頻段。根據(jù)美國(guó)FCC和歐洲ESTI的規(guī)劃，24GHz的寬頻段（21.65-26.65GHz）將在2022年過期，在之后汽車在24GHz能用的僅剩下24.05-24.25GHz范圍的窄帶頻譜。反之，在77GHz頻段，汽車?yán)走_(dá)將能使用77-81GHz高達(dá)4GHz的帶寬。對(duì)于FMCW雷達(dá)來說，頻率掃描帶寬決定了目標(biāo)區(qū)分度和測(cè)量分辨率，因此77GHz的FMCW雷達(dá)對(duì)于24GHz來說目標(biāo)區(qū)分度和測(cè)量分辨率都有十多倍的提升。此外，F(xiàn)MCW雷達(dá)的相對(duì)速度測(cè)量精度與載波頻率有關(guān)，77GHz頻段的速度測(cè)量精度會(huì)比24GHz要好數(shù)倍。最后，毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的天線尺寸也隨著載波頻率上升而變小，所以77GHz波段的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)尺寸會(huì)比24GHz更緊湊。

毫米波雷達(dá)走向77GHz頻段也給芯片設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)，隨著工作頻率的升高，發(fā)射功率、接收機(jī)噪聲、鎖相環(huán)噪聲等指標(biāo)都變得更難滿足，同時(shí)在芯片封裝中的寄生參數(shù)也更加敏感，因此對(duì)于芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)水準(zhǔn)提出了更高的要求。

第二個(gè)毫米波雷達(dá)芯片的重要趨勢(shì)是CMOS工藝成為主流。毫米波電路傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)工藝是GaAs等III-V族工藝，但是III-V族工藝的成本過高，同時(shí)集成度低無法在芯片上集成數(shù)字模塊，因此SiGe這樣的工藝得到了不少應(yīng)用。而隨著CMOS工藝的特征尺寸不斷縮小，在28nm節(jié)點(diǎn)之后CMOS工藝已經(jīng)能基本勝任毫米波雷達(dá)的波段，因此毫米波雷達(dá)也就自然而然轉(zhuǎn)向CMOS工藝。CMOS工藝除了成本低之外，另一個(gè)重要特性是能夠集成數(shù)字電路，因此TI，NXP等在數(shù)字和模擬領(lǐng)域都有深厚積累的公司也就在他們的CMOS 77GHz雷達(dá)芯片中集成了MCU等額外數(shù)字模塊，從而讓雷達(dá)芯片的控制甚至數(shù)字信號(hào)處理能夠在本地完成而無需再配備專用的處理器，這樣就降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。

TI AWR1642 77GHz雷達(dá)芯片的架構(gòu)圖，其中除了雷達(dá)之外還包含了MCU以及DSP

第三個(gè)重要方向是毫米波雷達(dá)也在走向高分辨率。這里的分辨率不僅僅是目標(biāo)測(cè)距的分辨率，更是指毫米波雷達(dá)的空間分辨率。盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)等傳統(tǒng)汽車毫米波雷達(dá)應(yīng)用只需要雷達(dá)監(jiān)測(cè)在視野的一定距離中是否有物體即可，至于該物體是位于視野中的哪一個(gè)位置則并不關(guān)心。

在自動(dòng)駕駛中則希望毫米波雷達(dá)能夠得到視野中目標(biāo)的具體空間位置，形成類似LiDAR這樣的點(diǎn)云去做環(huán)境建模，甚至通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法直接分析出雷達(dá)點(diǎn)云中每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的具體物體（是車輛還是行人），因此需要高分辨率毫米波雷達(dá)。為了實(shí)現(xiàn)高分辨率，毫米波雷達(dá)系統(tǒng)因此往往需要使用波束成形或MIMO等技術(shù)。在波束成形和MIMO技術(shù)中，必須使用多路雷達(dá)收發(fā)機(jī)。

波束成形系統(tǒng)示意圖，需要多路收發(fā)

為了提升波束成形和MIMO系統(tǒng)的方位精度，需要增加波束成形和MIMO系統(tǒng)中收發(fā)機(jī)的數(shù)量，因此目前在同一塊芯片中盡可能增加集成的收發(fā)機(jī)的數(shù)量就成了另一個(gè)技術(shù)進(jìn)化方向，例如TI的AWR1243集成了3發(fā)（射機(jī)）4（接）收（機(jī)），NXP的MR3003集成了3發(fā)4收，而中國(guó)的初創(chuàng)公司加特蘭的Yosemite擁有4發(fā)8收。

最后必須指出的是，毫米波雷達(dá)在數(shù)字模塊集成度和收發(fā)機(jī)數(shù)量集成度上的取舍事實(shí)上對(duì)應(yīng)了兩種不同的自動(dòng)駕駛技術(shù)方向。對(duì)于主要針對(duì)輔助駕駛的傳統(tǒng)車廠，其對(duì)于毫米波雷達(dá)的空間分辨率技術(shù)演化預(yù)期通常比較平穩(wěn)，同時(shí)傳統(tǒng)車廠對(duì)于成本和雷達(dá)模組復(fù)雜度等較為敏感，所以較合適的選擇是更重視毫米波雷達(dá)上的數(shù)字模組集成度，能夠集成MCU、DSP甚至一些AI加速模組等，從而能在雷達(dá)本地完成大部分信號(hào)處理以及一些AI相關(guān)處理，并降低總體模組的復(fù)雜度。

TI、NXP等半導(dǎo)體老牌公司主要面對(duì)的就是這類市場(chǎng)，因此我們可以看到TI和NXP在努力推進(jìn)集成了MCU和／或DSP的毫米波雷達(dá)，而對(duì)于收發(fā)機(jī)集成度則并不激進(jìn)。另一方面，L4-L5自動(dòng)駕駛更重視的是毫米波雷達(dá)對(duì)于空間的分辨率以獲取更高精度的點(diǎn)云，而對(duì)于毫米波雷達(dá)芯片上的數(shù)字模塊并不非常在乎，因?yàn)楹撩撞ɡ走_(dá)的點(diǎn)云最終都會(huì)送到自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的高算力處理器上去做傳感器融合，所以毫米波雷達(dá)芯片上是否有強(qiáng)大的數(shù)字處理能力并非關(guān)鍵。我們看到初創(chuàng)公司加特蘭選擇了在芯片上集成了更多收發(fā)機(jī)而非MCU／DSP（加特蘭的4發(fā)8收雷達(dá)芯片的收發(fā)機(jī)數(shù)量比起TI的3發(fā)4收和NXP的3發(fā)4收更多），這也更對(duì)激進(jìn)自動(dòng)駕駛公司的胃口。

毫米波雷達(dá)的其他應(yīng)用

毫米波雷達(dá)除了在汽車應(yīng)用之外，還有其他領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。

目前除了汽車之外預(yù)計(jì)最早會(huì)落地的應(yīng)用是工業(yè)機(jī)器人視覺。在機(jī)械臂等應(yīng)用場(chǎng)合，機(jī)器人必須能快速感知距離和前方障礙物，并作出實(shí)時(shí)響應(yīng)。這對(duì)于多機(jī)器人協(xié)作以及人機(jī)協(xié)作至關(guān)重要，否則機(jī)器人的安全性將無從得到保證。使用毫米波雷達(dá)的主要好處除了成本較LiDAR更低之外，就是其繞射透射能力強(qiáng)，可以non-line-of-sight完成感知，從而避免了諸多與視角有關(guān)的限制。目前，由于77GHz頻段在美國(guó)和歐洲主要還是劃撥給車載應(yīng)用，因此工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用使用的波段以60GHz為主，TI也推出了相關(guān)芯片。

另一個(gè)重要的毫米波雷達(dá)應(yīng)用是生理信號(hào)識(shí)別，主要是通過監(jiān)測(cè)人呼吸過程中的身體細(xì)微起伏來實(shí)現(xiàn)。目前，歐洲和美國(guó)已經(jīng)有計(jì)劃要求在2022年之后的汽車中都加入車內(nèi)生理信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)，當(dāng)車內(nèi)只剩下兒童時(shí)將發(fā)出警報(bào)，從而避免發(fā)生車主把兒童遺忘在車內(nèi)發(fā)生意外。

在這樣的系統(tǒng)中，毫米波雷達(dá)將會(huì)成為感知系統(tǒng)的重要組成部分，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的攝像頭等傳感器都很難感知到生理信號(hào)，而且在設(shè)計(jì)角度來看攝像頭鏡頭必須裸露在外而且很難避免視野被遮擋，而毫米波雷達(dá)可以安裝在塑料遮蔽物的后面且對(duì)于遮擋并不敏感，因此對(duì)于設(shè)計(jì)來說更友好。

車內(nèi)生理信號(hào)識(shí)別將是未來毫米波雷達(dá)的一塊增量市場(chǎng)，雖然現(xiàn)在具體頻段還沒有規(guī)定但是諸多半導(dǎo)體巨頭已經(jīng)在積極準(zhǔn)備中。而當(dāng)毫米波雷達(dá)在車載生理信號(hào)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中得到驗(yàn)證后，將會(huì)有機(jī)會(huì)推廣到醫(yī)院和家庭的健康護(hù)理相關(guān)應(yīng)用，這些進(jìn)一步的應(yīng)用值得我們期待。