4D毫米波雷達(dá)應(yīng)勢而生,，增加了對目標(biāo)高度維度數(shù)據(jù)的探測和解析,，實(shí)現(xiàn)了距離、方位,、高度以及速度四個維度的信息感知,，可以有效地解析目標(biāo)的輪廓、類別等等,，并具備高角分辨率,，完美彌補(bǔ)了傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)的短板。

　　“在我看來,，毫米波雷達(dá)在發(fā)展的過程中一旦涉及到成像,，則會有大量的深度學(xué)習(xí)、人工智能的算法和需求導(dǎo)入進(jìn)來,，中國廠商由于擁有更貼近于自身的新能源主機(jī)廠和造車新勢力,，因此也具備了更多的優(yōu)勢?！薄暇姥垭娮涌萍加邢薰綜TO張慧博士

　　什么是“4D”,？

　　根據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研，2020年起國內(nèi)外已正式進(jìn)入L3級自動駕駛階段,，2021年后將呈現(xiàn)加速狀態(tài),，自動駕駛的冗余度和容錯性特性，要求越是高階的自動駕駛需要越多的傳感器,。細(xì)分市場也越來越發(fā)達(dá)并且有不同的用例,，對市場提出了不同的半導(dǎo)體解決方案需求。

　　作為ADAS核心的傳感器之一,，近年來毫米波雷達(dá)逐漸從3D演進(jìn)到了4D成像,。那么什么是4D呢？簡單來說就是Range（距離）,、Velocity （速度）,、Azimuth （水平角度）、Elevation （俯仰角度）。

　　傳統(tǒng)雷達(dá)輸出3個維度的信息,，分別是方位角,、速度和距離。后兩者通過FFT取得,，前者是利用多個天線的相位差信息獲得,。傳統(tǒng)雷達(dá)沒有俯仰角天線通道，只有方位角天線通道,，自然就沒有俯仰角信息,。

　　解決辦法有幾種，通常是增加俯仰通道,，但是在總通道數(shù)不變的情況下,，意味著水平方位角精度的降低，畢竟水平方位角才是主要信息,。要增加總通道數(shù),，成本增加還是小事，運(yùn)算量會大幅度增加數(shù)倍乃至幾十倍,。目前車載4D毫米波雷達(dá)常用的工作機(jī)制,，則是連續(xù)波雷達(dá)中的調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)（FMCW），它能夠以更低功耗,、更大帶寬的方式,，向外連續(xù)地發(fā)射電磁波，從而實(shí)現(xiàn)測量目標(biāo)的距離和速度信息,。而根據(jù)輸入輸出天線陣列數(shù)目的不同,，F(xiàn)MCW雷達(dá)可以分為單輸入多輸出(SIMO)雷達(dá)和多輸入多輸出(MIMO)雷達(dá)。對車載毫米波雷達(dá)系統(tǒng)而言,，SIMO雷達(dá)早已在3D毫米波雷達(dá)中廣泛應(yīng)用,，而MIMO雷達(dá)概念則是在2003年由Bliss和Forsythe首次提出，其是車載4D毫米波雷達(dá)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)理論之一,。

　　為了解決傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)角分辨率低,、點(diǎn)云密度低的問題，當(dāng)下出現(xiàn)了四種4D毫米波雷達(dá)解決方案：

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

• 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,；

• 最傳統(tǒng)的,，則是將標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)芯片進(jìn)行多芯片級聯(lián),，以增加天線數(shù)量,，比如大陸、博世等一眾公司,；

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

　　第一個使用ARS540的車型是寶馬的電動車旗艦iX

　　2020年中期,，汽車毫米波雷達(dá)市場占有率第一名德國大陸汽車推出全球第一個4D成像毫米波雷達(dá),，即ARS540，第一個使用ARS540的車型可能是寶馬的電動車旗艦iX,。這之后4D成像毫米波雷達(dá)概念風(fēng)靡業(yè)界,。

　　ARS540是第一個具備能夠真正測量目標(biāo)高度的毫米波雷達(dá)，也就是其垂直分辨率Elevation比較高,，達(dá)到2.3°,，遠(yuǎn)高于德州儀器方案，畢竟大陸汽車是自己設(shè)計(jì)天線,，擁有超過20年的經(jīng)驗(yàn),，且MR3003也確實(shí)比較強(qiáng)。

　　為什么各大廠商紛紛轉(zhuǎn)向4D雷達(dá),？

　　近年來,，國際上涌現(xiàn)出一批專注于4D成像毫米波雷達(dá)方案的創(chuàng)新公司，除了本文提到的Arbe,、Vayyar,，還有Unhder、MetaWave,、EchoDyne,、Ainstein等一批企業(yè)，已經(jīng)形成了較強(qiáng)的技術(shù)積累,。同時,，一批新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)公司也不斷基于現(xiàn)有方案進(jìn)行創(chuàng)新，如美國傲酷推出的Eagle就采用了軟件算法加載的方式,，實(shí)現(xiàn)更高的分辨率,；國內(nèi)華為推出的4D成像毫米波雷達(dá)也是基于現(xiàn)有方案獲得更高的分辨率。而博世,、日本電裝,、采埃孚、日本電產(chǎn)艾萊希斯,、Smartmicro等老牌雷達(dá)企業(yè)也在加緊對4D成像毫米波雷達(dá)的推進(jìn)進(jìn)度,。

　　華域汽車于2021年表示已完成4D成像毫米波雷達(dá)產(chǎn)品的自主研發(fā),，計(jì)劃于當(dāng)年第四季度實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。此外,，還有不少新玩家涌入布局,，如Mobileye在2022年CES展上推出了全套的傳感器，當(dāng)中就包括4D毫米波圖像雷達(dá),；安智杰則于不久前發(fā)布了4D毫米波成像雷達(dá),；蘇州毫米波在投資者互動中表示，4D點(diǎn)云成像雷達(dá)正在按計(jì)劃研發(fā)調(diào)試中,；楚航科技,、納瓦電子、森思泰克,、木?？萍肌缀位锇?、珠海上富電技等也在布局,，但具體的量產(chǎn)時間尚未公布。

　　2021年,，4月18日華為發(fā)布毫米波雷達(dá)產(chǎn)品,，探測距離達(dá)300m，屬于中長距毫米波雷達(dá),。根據(jù)發(fā)布會成像效果視頻顯示,，其針對特斯拉過往因“長尾場景”引致的意外如路邊斜置靜止車、下閘道等場景探測效果較好,。華為發(fā)布高分辨率4D成像毫米波雷達(dá),，有望切入中長距毫米波雷達(dá)市場。

　　華為高分辨4D成像雷達(dá)發(fā)布

　　來源：華為

　　小米集團(tuán)2021年6月投資的縱目科技推出了“ZM-SDR1”4D毫米波雷達(dá),，兼顧低速泊車和高速行駛場景,，輸出可比擬激光雷達(dá)的致密點(diǎn)云信息，清晰勾勒出周邊建筑物輪廓,，從而實(shí)現(xiàn)基于雷達(dá)點(diǎn)云的高精度定位,。2021年7月參與幾何伙伴融資過程，公司與上汽集團(tuán)合作,，研發(fā)以4D毫米波成像雷達(dá)為主傳感,，輔之以可見光和紅外成像多傳感融合的感知系統(tǒng)，再通過感知,、規(guī)劃,、決策、控制一體化軟件模塊與工具鏈,，集成軟硬件一體的自動駕駛系統(tǒng)軟件,。

縱目科技4D毫米波雷達(dá)

　　來源：縱目科技

　　現(xiàn)如今,，如果哪家毫米波雷達(dá)廠商說自己沒有研發(fā)4D成像雷達(dá)，在一級市場的估值都要打個折扣,。從技術(shù)上來講,，4D成像毫米波雷達(dá)是必然趨勢，有能力做4D毫米波雷達(dá)的廠商基本都在做4D成像毫米波雷達(dá),。即便是博世這樣的巨頭,，也在去年急忙推出了第五代至尊版毫米波雷達(dá)，試水4D賽道,。

　　部分4D點(diǎn)云成像雷達(dá)代表產(chǎn)品

　　來源：各公司官網(wǎng)

　　為什么各大廠商迫不及待的轉(zhuǎn)向4D成像雷達(dá)呢？在早期的ADAS中認(rèn)為,，毫米波雷達(dá)只要能感測到前方的車輛就可以了,。但是隨著路況的復(fù)雜提升，要去毫米波雷達(dá)也要能檢測到行人,、兒童,，電動車、三輪車等非常規(guī)車輛的需求,。對于毫米波雷達(dá)的感知范圍也有提高,，要求實(shí)現(xiàn)360°的環(huán)視感知，用到L3以上的輔助泊車功能,。這些都對毫米波雷達(dá)芯片有了更高需求：

　　更高的分辨率要求

　　比如整車是裝ACC的車子,，它前面有兩排車并排行駛，當(dāng)這兩臺車距離較遠(yuǎn)時,，就需要進(jìn)行分辨,，傳統(tǒng)雷達(dá)可能分辨不出來，因?yàn)樗芟抻趥鹘y(tǒng)雷達(dá)的角度分辨能力的不足,。這時候系統(tǒng)不知道它前面有東西,，就可能會進(jìn)行誤減速和誤加速，從而造成不好的影響,。如果要分辨出前面300米的2臺車,，這時候角度的分辨度要達(dá)到1度以下，這是傳統(tǒng)雷達(dá)或2片雷達(dá)目前很難做到的,。傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)也有點(diǎn)云但是數(shù)量少,，且沒有俯仰信息，4D毫米波雷達(dá)增加了俯仰信息和更多的點(diǎn)云數(shù)據(jù),，“點(diǎn)云一多就可以勾勒出物體輪廓,，便是成像”。

　　物體分類要求

　　在傳統(tǒng)雷達(dá)里通常不會去提這個概念,，因?yàn)閭鹘y(tǒng)雷達(dá)的點(diǎn)云密度比較稀疏,，沒有辦法做到物體分類,。所以傳統(tǒng)雷達(dá)出來的目標(biāo)都是稀疏的點(diǎn)。

　　高度偵測要求

　　當(dāng)車前150米有一個6.5米高的紅綠燈時,，需要判斷出這個紅綠燈不是在地上,，而是在空中，車輛是可以從紅綠燈上面開過去的,。這時需要的角分辨率約為2度,，而這卻是傳統(tǒng)雷達(dá)很難達(dá)到的。能測高度的同時就可以不再過濾靜態(tài)目標(biāo),，因?yàn)榻丫w,、減速帶、立交橋,、天橋,、路邊金屬牌會導(dǎo)致雷達(dá)誤動作，因此傳統(tǒng)雷達(dá)都將靜態(tài)目標(biāo)過濾掉,。如果能測量高度,，就能提高目標(biāo)檢測的置信度，不再過濾靜態(tài)目標(biāo),。

　　特斯拉之所以“拋棄”傳統(tǒng)3D雷達(dá)（速度,、距離和方位角），其中一個原因就是毫米波雷達(dá)的角分辨率性能瓶頸阻礙了多傳感器的前融合效果,。由于自動駕駛中,，雷達(dá)要與周圍的傳感器，如攝像頭等,，去做互補(bǔ),。但是傳統(tǒng)雷達(dá)沒有辦法做到真的互補(bǔ)。因?yàn)槿蝿?wù)傳感器和攝像機(jī)傳感器可以輸出目標(biāo)的屬性,，即它可以辨認(rèn)出人,、車和其他物體，但傳統(tǒng)雷達(dá)無法做到,，所以萬一高度自動駕駛車輛的任務(wù)傳感器失效的話,，就相當(dāng)于系統(tǒng)已經(jīng)缺失了這個資訊。因此當(dāng)成像雷達(dá)可以分辨物體屬性時,，才能真正做到了兩方面的互補(bǔ),。

　　NXP 全球副總裁，ADAS產(chǎn)品線總經(jīng)理Steffen Spannagel就認(rèn)為,，無法依靠單一的器件一統(tǒng)天下,。“根據(jù)我們對市場的理解,，沒有一刀切的傳感器,，因?yàn)槭袌鲇泻芏嗉?xì)分,，而且自動駕駛級別也不同，我們認(rèn)為攝像頭和雷達(dá)會共存,，因?yàn)樗鼈兊膬?yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)性非常強(qiáng),。比較特殊的是激光雷達(dá)，恩智浦認(rèn)為有很大的可能性成像雷達(dá)的解決方案是可以取代激光雷達(dá)的,。成像雷達(dá)現(xiàn)在還位于發(fā)展的早期,，我們相信未來它的性能可以大大提升，并在理想情況下最終能夠取代激光雷達(dá),?！?NXP 全球副總裁，ADAS產(chǎn)品線總經(jīng)理Steffen Spannagel表示,。

　　早在2015年德國大陸汽車就預(yù)感到傳統(tǒng)3D（即速度,、距離和方位角，這是傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)提供的數(shù)據(jù)）毫米波雷達(dá)已經(jīng)走到盡頭,，并于2016年開始研發(fā)ARS540。同樣視覺起家的Mobileye也已經(jīng)在部署4D成像雷達(dá)的研發(fā),，具有2304個虛擬通道（高于大陸,、采埃孚的192個），計(jì)劃于2025年量產(chǎn),。

　　相比4D毫米波成像雷達(dá),，激光雷達(dá)則存在另外一個缺陷，容易受到雨霧等天氣變化的影響,。如果激光雷達(dá)在能見度只有0.1公里的大霧環(huán)境中操作時,，它幾乎沒有辦法進(jìn)行偵測。如果激光雷達(dá)在大雨的環(huán)境中操作,，偵測距離就衰減了50%左右,。實(shí)測的成像雷達(dá)結(jié)果顯示，就算遇到下雨天氣,，成像雷達(dá)的偵測范圍還是可以到300米,，這是成像雷達(dá)比激光雷達(dá)更適合做自動駕駛車傳感器重要的原因。如果開自動駕駛模式在高速公路上走的時候,，突然一陣大雨,，自動駕駛功能就失效了，這是不可接受的,。

　　盡管激光雷達(dá)目前也被行業(yè)所看好,，但成本巨高不下且量產(chǎn)門檻高是其目前暫且無法解決的痛點(diǎn)。從性能效果來說,，4D成像毫米波雷達(dá)算是3D毫米波雷達(dá)的升級版,，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%,。4D毫米波雷達(dá)的價格在100－150美元之間,，因此，4D毫米波雷達(dá)會在追求極致性價比,，不能規(guī)模采用激光雷達(dá),，但又需要有激光雷達(dá)的部分優(yōu)勢功能如靜止目標(biāo)檢測等的城市L3、AVP等場景下,，迅速占據(jù)重要位置,。

　　4D雷達(dá)芯片玩家有哪些？

　　圖源 | 網(wǎng)絡(luò)

　　從目前來看,，4D毫米波雷達(dá)已進(jìn)入小規(guī)模量產(chǎn)導(dǎo)入階段,。前期依然是國外公司占據(jù)主導(dǎo)，不過國內(nèi)企業(yè)行動亦較為快速,，未來可期,。各大廠商軍備競賽背后，一定會是4D成像雷達(dá)的技術(shù)愈發(fā)成熟,，搭載率向上攀升,。據(jù)中金公司預(yù)計(jì)，至2025年中國車載4D成像雷達(dá)市場規(guī)模在悲觀,、中性,、樂觀情況下有望分別達(dá)到1．9、3．6,、5．4億美元,，2022E－25ECAGR分別達(dá)到34％、64％,、88％,。據(jù)行業(yè)分析師預(yù)測，到2030年,，L2+自動駕駛汽車可能將占汽車總產(chǎn)量的近50%,。

　　不過也有業(yè)內(nèi)專家指出，以目前技術(shù)水平,，成像雷達(dá)還需要加大研發(fā)力度,。其中一個重要原因是，成像雷達(dá)仍處于成長階段,，其性能還無法滿足需求,，缺乏有足夠優(yōu)勢的芯片支撐，特別是中國市場。目前汽車毫米波雷達(dá)行業(yè)主要有兩種方式實(shí)現(xiàn)4D雷達(dá)量產(chǎn)（還有超材料技術(shù)的路徑,，但量產(chǎn)難度較大）,，一種是基于NXP、TI等傳統(tǒng)雷達(dá)天線及芯片方案商提供的標(biāo)準(zhǔn)方案,。一種是類似Arbe,、Mobileye自研芯片。從公開信息看,，目前可選芯片方案主要有TI,、恩智浦、賽靈思,、Arbe等少數(shù)幾家,。

　　為了加快成像雷達(dá)的上車進(jìn)度，各知名芯片企業(yè)已在加快研發(fā)力度：

　　在傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)芯片領(lǐng)域,，NXP和英飛凌幾乎壟斷了這個市場,。但是在4D成像雷達(dá)市場，TI則成為了推動者,。德州儀器于2016年曾推出基于CMOS工藝的高集成度77GHz毫米波雷達(dá)傳感器AWR1642系列,，欲打破恩智浦和英飛凌兩家企業(yè)對傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)芯片的壟斷格局，但事與愿違,。

　　在洞悉到毫米波雷達(dá)要獲得更高角分辨率,，就要增加天線數(shù)量這一需求后，德州儀器于2018年推出基于AWR2243FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）單芯片收發(fā)器的4片級聯(lián)4D毫米波雷達(dá)全套設(shè)計(jì)方案,。包括最難搞的天線也考慮在內(nèi)，內(nèi)嵌4-elementseries-fedpatch天線,。算法部分則提供MATLABMIMO和beamforming兩種選擇,，就像交鑰匙工程，一下拉低了4D成像毫米波雷達(dá)的技術(shù)門檻,。歷經(jīng)AWR1642,、AWR2243兩代產(chǎn)品后，TI已站穩(wěn)了成像雷達(dá)的腳跟,。

　　除德國大陸汽車,，中國乃至全球大部分的4D成像毫米波雷達(dá)基本都是基于TI的級聯(lián)方案，有追求低成本的2片級聯(lián),，有追求性能的4片級聯(lián),。還有家以色列的初創(chuàng)公司Vayyar自己開發(fā)關(guān)鍵的收發(fā)器芯片，華為的12發(fā)24收4D成像毫米波雷達(dá)似乎是采用自己做的芯片,，應(yīng)該是4片3發(fā)6收的收發(fā)器級聯(lián)而成,，但也有說法可能是德州儀器的AWR1642六片級聯(lián)而成。

　　2020年底，NXP宣布推出新的TEF82xx單芯片方案,，采用16nmFinFET和40nmRFCMOS技術(shù),，支持76-81GHz頻段，可用帶寬高達(dá)4GHz,。一個6位相位旋轉(zhuǎn)器,，支持調(diào)制MIMO和波束轉(zhuǎn)向。

　　2022年初,，全球知名毫米波雷達(dá)芯片提供商恩智浦在CES上宣布S32R45成像雷達(dá)芯片量產(chǎn),，同時推出了S32R41新產(chǎn)品。S32R41處理器的推出為業(yè)界帶來了首款專為L2+自動駕駛應(yīng)用量身定制的16nm雷達(dá)處理器,。

　　S32R294采用NXP的z系列處理器內(nèi)核,，實(shí)時Z4內(nèi)核同步運(yùn)行，而雙Z7處理器用于處理應(yīng)用程序,。整體性能是此前S32R274SoC的兩倍，包括支持CSE3安全模塊設(shè)計(jì)的OTA更新,，可用于處理最多兩顆TEF82xx芯片,。

　　而S32R45則標(biāo)志著恩智浦向Arm平臺的遷移，SoC具有多個同步運(yùn)行的Cortex-M7以及一對Cortex-A53應(yīng)用內(nèi)核,，也支持鎖步機(jī)制,。S32R45雷達(dá)處理器是恩智浦第6代汽車?yán)走_(dá)芯片組系列中的旗艦產(chǎn)品。它有助于實(shí)現(xiàn)更高級別自動駕駛,，支持L2+級到要求苛刻的L5級用例,，其中每輛汽車可能需要十個以上的成像雷達(dá)傳感器。該處理器還能夠滿足運(yùn)輸,、交通管理和其他需要可靠的高分辨率感測的工業(yè)應(yīng)用需求,。

　　作為業(yè)界首款專用16nm成像雷達(dá)處理器，恩智浦S32R45已經(jīng)投入量產(chǎn),，并將于2022年上半年開始首次用于客戶量產(chǎn),。此外，恩智浦還推出了新的雷達(dá)處理器S32R41,，可將4D成像雷達(dá)的優(yōu)勢延伸到更多的汽車,。這兩款處理器可滿足L2+級至L5級的自動駕駛需求，用于構(gòu)建4D成像雷達(dá),，實(shí)現(xiàn)360度環(huán)繞感知,。

　　德國大陸則采用FPGA來作為4D雷達(dá)的芯片方案。德國大陸在2016年開始研發(fā)4D成像毫米波雷達(dá)時,，選用的芯片方案為恩智浦的S32R274,，但該芯片無法讓雷達(dá)小型化,，最后選用賽靈思的ZynqUltraScale+RFSoC系列FPGA。

　　該芯片方案發(fā)布于2019年2月21日,，專為射頻領(lǐng)域設(shè)計(jì),，第二、三代ZynqUltraScale+RFSoC具有更高的射頻性能及更強(qiáng)的可擴(kuò)展能力,，分別最高支持到5GHz和6GHz,，從而滿足新—代5G部署的關(guān)鍵需求。同時,，還可支持針對采樣率高達(dá)5GS/S的14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和10GS/S的14位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）進(jìn)行直接RF采樣,，二者的模擬帶寬均高達(dá)6GHz。

　　除了上述廠家,，包括以色列的Arbe,、Vayyar都在自研4D成像雷達(dá)的處理芯片。

　　值得一提的還有英飛凌,。英飛凌雖然坐擁全球2/3車用77GHz雷達(dá)芯片市場,，但在4D成像毫米波雷達(dá)芯片方面進(jìn)展緩慢。2020年初,，英飛凌宣布與美國傲酷合作,，進(jìn)入車規(guī)級成像雷達(dá)市場；同年7月,，在英飛凌汽車電子開發(fā)者大會上,，英飛凌繼續(xù)表示,，下一步會推出點(diǎn)云成像毫米波雷達(dá)芯片,。

　　截至目前，國內(nèi)企業(yè)仍需高度依賴國際芯片公司,，隨著森思泰克,、加特蘭、岸達(dá)科技,、清能華波、微度芯創(chuàng),、矽杰微電子,、晟德微集成電路等本土企業(yè)的成長，未來4D雷達(dá)的普及速度或?qū)⑦M(jìn)一步加快,。