【導(dǎo)讀】傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)不具備測(cè)高能力，難以判斷前方靜止物體是在地面還是在空中，無法細(xì)化剎車場(chǎng)景，如井蓋、減速帶等無需剎車的地面低小障礙物；交通標(biāo)識(shí)牌、龍門架、立交橋等無需剎車的空中障礙物；以及需要?jiǎng)x車的車輛、三角錐桶等路面上較大障礙物。為此，為避免誤剎車頻發(fā)，AEB算法便決定降低毫米波雷達(dá)的置信度權(quán)重，以視覺感知結(jié)果為主。
yole發(fā)布的《2020年雷達(dá)產(chǎn)業(yè)態(tài)勢(shì)報(bào)告：廠商、應(yīng)用與技術(shù)趨勢(shì)》指出，到2025年，汽車市場(chǎng)預(yù)期將以11%的CAGR增長(zhǎng)，因?yàn)槠噾?yīng)用雷達(dá)已成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，在測(cè)試場(chǎng)景變得更嚴(yán)苛之后，有兩大趨勢(shì)正在涌現(xiàn)：第一是向能更準(zhǔn)確描述車輛前后方場(chǎng)景的成像雷達(dá)前進(jìn)；第二是增加車輛各處傳感器的數(shù)量，通過協(xié)調(diào)來改善場(chǎng)景知覺。近年來出現(xiàn)的4D成像毫米波雷達(dá)恰恰反映了這些趨勢(shì)。
1、4D毫米波雷達(dá)補(bǔ)短板
傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)不具備測(cè)高能力，難以判斷前方靜止物體是在地面還是在空中，無法細(xì)化剎車場(chǎng)景，如井蓋、減速帶等無需剎車的地面低小障礙物；交通標(biāo)識(shí)牌、龍門架、立交橋等無需剎車的空中障礙物；以及需要?jiǎng)x車的車輛、三角錐桶等路面上較大障礙物。為此，為避免誤剎車頻發(fā)，AEB算法便決定降低毫米波雷達(dá)的置信度權(quán)重，以視覺感知結(jié)果為主。然而，視覺感知的挑戰(zhàn)在于，目標(biāo)障礙物必須經(jīng)過提前訓(xùn)練，而模型庫(kù)又不可能窮舉所有類型，所以很多靜態(tài)障礙物成了“漏網(wǎng)之魚”，此外即使有模型庫(kù)，另一個(gè)挑戰(zhàn)在于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能否正確識(shí)別出前方障礙物。因此，便經(jīng)常出現(xiàn)明明前方有障礙物、自動(dòng)駕駛汽車卻依然撞上去的結(jié)果。
4D毫米波雷達(dá)又稱為成像雷達(dá)，“4D”是指在原有距離、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)“3D+速度”四個(gè)維度的信息感知。
而“成像”概念是指其具備超高的分辨率，可以有效解析目標(biāo)的輪廓、類別、行為。這意味著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)等。
升級(jí)為4D毫米波雷達(dá)，AEB算法便可更多考慮毫米波雷達(dá)的感知結(jié)果，從而以更高概率識(shí)別路面上的靜態(tài)障礙物，結(jié)合其高分辨率帶來的優(yōu)勢(shì)，可以更有效地解析目標(biāo)的輪廓、類別、行為，進(jìn)而能知道在什么情況下必須剎車（避免漏剎）。
2、軟硬兼施實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)
在毫米波雷達(dá)芯片圈內(nèi)，頭部廠商都認(rèn)為實(shí)現(xiàn)4D成像的關(guān)鍵在于多天線，技術(shù)門檻并不高。多年來，市場(chǎng)一直由英飛凌和恩智浦把持。2020年初，英飛凌宣布與首創(chuàng)車載4D高清點(diǎn)云成像雷達(dá)的美國(guó)傲酷（Oculi）合作，進(jìn)入汽車級(jí)成像雷達(dá)市場(chǎng)，但至今還沒有看到產(chǎn)品。
毫米波雷達(dá)市場(chǎng)格局及趨勢(shì)
為了搶占市場(chǎng)，德州儀器（TI）2016年底推出基于CMOS工藝的高集成度77GHz毫米波雷達(dá)傳感器AWR1642系列，是為適用中短距場(chǎng)景的集成DSP和MCU的單芯片產(chǎn)品，在長(zhǎng)距毫米波雷達(dá)芯片組市場(chǎng)仍甘拜下風(fēng)。
既然無法與毫米波雷達(dá)芯片巨頭正面較量，只能走曲線救國(guó)的道路。何以見得？上面提到的傲酷首創(chuàng)了車載4D成像雷達(dá)，活學(xué)活用的就是德州儀器的芯片。
德州儀器4D成像毫米波雷達(dá)概念于2018年底拋出，推出了基于AWR2243 FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）單芯片收發(fā)器的4片級(jí)聯(lián)4D毫米波雷達(dá)全套設(shè)計(jì)方案，最難搞的天線也融入其中，內(nèi)嵌四元件串饋貼片（4-element series-fed patch）天線。
AWR2243的PCB天線
AWR2243 FMCW收發(fā)器基于TI的低功耗45nm RFCMOS工藝，以單片實(shí)現(xiàn)具有內(nèi)置PLL和A2D轉(zhuǎn)換器的3Tx和4Rx系統(tǒng)。簡(jiǎn)單的編程模型更改可以實(shí)現(xiàn)多種傳感器實(shí)現(xiàn)方式（短、中、長(zhǎng)），并可動(dòng)態(tài)重新配置以啟用多模傳感器。AWR2243收發(fā)器作為完整的平臺(tái)解決方案提供，包括參考硬件設(shè)計(jì)、軟件驅(qū)動(dòng)程序、示例配置、API指南和用戶文檔。
垂直裝配的EVM樣機(jī)
算法包括MATLAB MIMO和波束形成兩種選擇，交鑰匙工程讓4D成像毫米波雷達(dá)技術(shù)門檻為之大降。也讓傲酷們得以率先嘗鮮。
AWR2243是一款76GHz至81GHz汽車類第二代高性能MMIC。目前已成為中國(guó)乃至全球4D成像毫米波雷達(dá)主要采用的級(jí)聯(lián)方案，有追求低成本的2片級(jí)聯(lián)，也有追求高性能的4片級(jí)聯(lián)。
2片級(jí)聯(lián)成像雷達(dá)
2021年3月，傲酷用TI芯片實(shí)現(xiàn)了超高角分辨率4D成像前向雷達(dá)Eagle，是一個(gè)軟硬兼施方式做出的產(chǎn)品。Eagle 77GHz成像雷達(dá)使用的是市場(chǎng)流行的TI毫米波雷達(dá)芯片，傲酷獨(dú)有的軟件使毫米波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了4D高清成像，探測(cè)距離在350米以上。
Eagle在雙芯片平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了寬視野范圍內(nèi)的高角度分辨率和仰角信息，通過專有的AI算法驅(qū)動(dòng)的虛擬孔徑成像軟件，角度分辨率提高了50-100倍；多虛擬天線方式徹底解決了困擾車載毫米波雷達(dá)界幾十年來只能用增加實(shí)體天線數(shù)量提高角分辨率的難題，用軟件重新定義了雷達(dá)。同時(shí)4D成像雷達(dá)產(chǎn)品的BOM成本和普通毫米波雷達(dá)差不多，但性能卻實(shí)現(xiàn)了碾壓。
Eagle可在120°水平/30°垂直寬視場(chǎng)中提供0.5°水平x 1°縱向角分辨率。其遠(yuǎn)程和高角度分辨率使其能夠用于各種自動(dòng)駕駛應(yīng)用，包括高分辨率雷達(dá)測(cè)繪和定位、自主路徑規(guī)劃和避障、目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤、室內(nèi)導(dǎo)航、虛擬圍欄等。
傳統(tǒng)商用雷達(dá)與傲酷雷達(dá)對(duì)比
傳統(tǒng)雷達(dá)波形是單頻、重復(fù)、非自適應(yīng)的，產(chǎn)生多種波形的唯一方法是增加接收天線數(shù)量。虛擬孔徑成像波形是自適應(yīng)的相位調(diào)制。每根接收天線在不同時(shí)間產(chǎn)生不同的相位響應(yīng)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值和外推，創(chuàng)造一個(gè)“虛擬孔徑”。使用人工智能從環(huán)境中學(xué)習(xí)和適應(yīng)的智能軟件可以伴隨成倍增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)而不斷改進(jìn)。
傳統(tǒng)雷達(dá)波形與虛擬孔徑成像波形
傳統(tǒng)雷達(dá)的分辨率取決于天線數(shù)量。這意味著性能是固定的，需要更多的硬件——更多天線、更多處理、更大尺寸和額外成本——來實(shí)現(xiàn)更高的角分辨率。額外的實(shí)體天線可以線性增加性能，但成本、尺寸和功耗呈指數(shù)增長(zhǎng)，限制了商用雷達(dá)中可使用的天線數(shù)量。
Eagle用低成本、低功耗的雙芯片（6T8R）硬件平臺(tái)可提供傳統(tǒng)雷達(dá)用8芯片級(jí)聯(lián)（24T32R）才能達(dá)到的角分辨率。通過軟件計(jì)算和數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)更高的角分辨率，可以遵循摩爾定律的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的探測(cè)距離和低成本。
“基陣”物理MIMO接收機(jī)數(shù)量與角分辨性能趨勢(shì)
據(jù)介紹，傲酷的高分辨率點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以在原始數(shù)據(jù)層面與其他傳感器，如攝像頭、激光雷達(dá)等融合，實(shí)現(xiàn)深度傳感器融合能力，保證全天候條件下運(yùn)行，得到最好的跟蹤結(jié)果。
3、狙擊TI 4D雷達(dá)處理器
雖然毫米波雷達(dá)芯片老大英飛凌還沒有動(dòng)靜，恩智浦卻早已坐不住了。6月初，恩智浦宣布推出基于臺(tái)積電16nm工藝量產(chǎn)兩款車用芯片——汽車網(wǎng)絡(luò)處理器S32G2和雷達(dá)信號(hào)處理器S32R2949（雷達(dá)傳感器芯片組），并表示為將來采用臺(tái)積電5nm工藝鋪路。
S32R294芯片
S32R294可以處理4D點(diǎn)云雷達(dá)信號(hào)，將為主機(jī)廠提供擴(kuò)展性解決方案所需的效能，包括先進(jìn)轉(zhuǎn)角雷達(dá)、長(zhǎng)距離前置雷達(dá)和先進(jìn)多模式使用場(chǎng)景，如同步盲點(diǎn)偵測(cè)、變換車道輔助和仰角感測(cè)等。
S32R294應(yīng)用級(jí)聯(lián)框圖
S32R294與恩智浦上一代芯片S32R274尺寸一致，芯片外觀尺寸是7.5mm×7.5mm，但其性能提高了一倍。S32R294有兩個(gè)Power Architecture e200z7 32-bit內(nèi)核，用于雷達(dá)信號(hào)的后處理和任務(wù)調(diào)度，如超分辨算法、信號(hào)聚類、目標(biāo)追蹤等。它還有一對(duì)鎖步z4內(nèi)核，用于運(yùn)行與功能安全相關(guān)的軟件，如AUTOSAR OS、輸出決策指令等。
S32R294框圖
S32R294內(nèi)置雷達(dá)信號(hào)加速單元，簡(jiǎn)稱SPT2.8，對(duì)雷達(dá)中頻信號(hào)的FFT、求模、峰值檢測(cè)、直方圖統(tǒng)計(jì)等最耗資源的運(yùn)算進(jìn)行硬件加速，是專門針對(duì)FMCW雷達(dá)的信號(hào)處理加速單元。
S32R294與上一代處理器的軟件復(fù)用率高達(dá)80%。得益于16nm工藝，S32R294的功耗不到上一代55nm工藝處理器的一半，在0.9W左右，有助于客戶開發(fā)高性、能低功耗的毫米波雷達(dá)產(chǎn)品。
S32R294處理器已獲得ASIL D ISO26262認(rèn)證。其專門的硬件加密引擎CSE（Cyptographic Services Engine）支持安全啟動(dòng)（security boot）等高階加密算法。
S32R294的多種配置支持從入門到高端的全系應(yīng)用開發(fā)，如一發(fā)三收、三發(fā)四收、六發(fā)八收等中頻信號(hào)處理。中頻信號(hào)處理主要是獲得距離、速度和角度信息，其中基礎(chǔ)距離、速度、角度信息由SPT2.8計(jì)算求得，后續(xù)數(shù)據(jù)交由Z7和Z4核實(shí)現(xiàn)超分辨算法、信號(hào)聚類、目標(biāo)追蹤、決策等功能。目標(biāo)級(jí)數(shù)據(jù)和決策指令通過CAN FD接口輸出到后端車身控制單元或ADAS域控制器。
六發(fā)八收毫米波雷達(dá)最多支持2片芯片級(jí)聯(lián)，其兩路MMIC是恩智浦TF82系列微波集成電路，通過LO相連實(shí)現(xiàn)芯片間同步。MMIC芯片的波形是由MCU通過SPI配置通道控制其波形發(fā)射。接收鏈路接收到的中頻信號(hào)也是通過MIPI-CSI接口傳輸回MCU做后續(xù)處理。
這表明恩智浦的雷達(dá)芯片非常靈活，可以處理從低端到高端的所有應(yīng)用。雷達(dá)接收的通道數(shù)越多，其視場(chǎng)角就越寬，可以實(shí)現(xiàn)橫向防撞預(yù)警、代客泊車、4D點(diǎn)云成像等高級(jí)輔助駕駛功能。
S32R294目標(biāo)雷達(dá)應(yīng)用
與德州儀器如出一轍，恩智浦還為S32R29提供了開發(fā)汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用的MCU評(píng)估板。評(píng)估板可以訪問以太網(wǎng)和CAN、MIPI-CSI2等通信接口，與雷達(dá)收發(fā)器和GPIO接頭連接訪問其他MCU功能。
S32R29 EVB汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用評(píng)估板
S32R29 EVB還有助于軟件開發(fā)和評(píng)估信號(hào)處理工具包，提高雷達(dá)數(shù)學(xué)速度、S32R29 MCU的功能安全或信息安全。這樣做無非是想幫助雷達(dá)廠商采用這款芯片做出產(chǎn)品，盡快實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
4、做貼合國(guó)情的4D成像雷達(dá)
中國(guó)路況復(fù)雜程度盡人皆知，要不特斯拉也不會(huì)水土不服。為此，不做整車的華為也是不遺余力在研發(fā)各種感知技術(shù)，高分辨4D成像雷達(dá)便是其中之一。
華為認(rèn)為，近年來自動(dòng)駕駛事故中感知不足是重要原因之一是不能有效識(shí)別靜止車輛或事故車輛，對(duì)隔離樁或護(hù)欄判斷不準(zhǔn)，這些都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故。高分辨4D成像雷達(dá)可以檢測(cè)目標(biāo)的4個(gè)維度，包括速度、距離、水平角度和垂直角度，解決傳統(tǒng)雷達(dá)水平分辨能力不足、不支持垂直分辨、導(dǎo)致看不清和看不準(zhǔn)的問題。4D成像雷達(dá)滿足全目標(biāo)、全覆蓋和多工況感知要求，逐步接近了理想傳感器目標(biāo)，將與攝像頭、激光雷達(dá)形成有效融合和冗余。
在大幅提升分辨率、目標(biāo)檢測(cè)的置信度和檢測(cè)范圍（如距離和視場(chǎng)角（FOV））的同時(shí)，4D成像雷達(dá)進(jìn)化出像激光雷達(dá)一樣的高密度點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)豐富的感知增強(qiáng)應(yīng)用，如環(huán)境刻畫、雷達(dá)構(gòu)圖、定位等，還可通過多雷達(dá)點(diǎn)云級(jí)融合，更好地實(shí)現(xiàn)車周360°檢測(cè)。
華為高分辨率4D成像雷達(dá)
華為高分辨率4D成像雷達(dá)能力的提升體現(xiàn)在3個(gè)方面：
大陣列高分辨率。12個(gè)發(fā)射通道，24個(gè)接收通道，比常規(guī)毫米波3發(fā)4收天線配置提升了24倍，比典型成像雷達(dá)多50%接收通道。據(jù)說這是短期可量產(chǎn)最多天線配置的成像雷達(dá)。
大視場(chǎng)無模糊。水平視場(chǎng)從90°提升到120°，垂直視場(chǎng)從18°提升到30°（與傲酷相當(dāng)），縱向探測(cè)距離從200米提升到300米以上。
4D高密度點(diǎn)云。4D點(diǎn)云包括速度、距離、水平角度和垂直角度，相比激光雷達(dá)點(diǎn)云多了一個(gè)速度維度對(duì)目標(biāo)進(jìn)行解析。
在實(shí)測(cè)中，華為高分辨率4D成像雷達(dá)展示了一些特色：
在前方擁堵時(shí)，實(shí)現(xiàn)130km/h下舒適性剎停；
錐桶探測(cè)距離達(dá)110米，可分辨護(hù)欄旁的靜止車輛；
被遮擋或部分遮擋目標(biāo)感知，可以看到前車、前前車和前前前車，甚至可以看到前前車的大致底盤輪廓，通過對(duì)前前車感知，可以提前預(yù)判前車急減速等動(dòng)作，減少連環(huán)追尾風(fēng)險(xiǎn)。
非視距前前車感知
華為智能汽車解決方案BU Marketing與銷售服務(wù)部總裁遲林春在介紹智能駕駛業(yè)務(wù)進(jìn)展情況時(shí)表示：“華為的天線已經(jīng)做到128發(fā)128收，非常先進(jìn)，華為的毫米波雷達(dá)是在通信技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。”
5、性能之爭(zhēng)變本加厲
TI的AWR2243是3發(fā)4收，可以4片級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)12發(fā)16收；采用TI AWR2243的傲酷Eagle是雙芯片6發(fā)8收，由于有軟件幫助，可以實(shí)現(xiàn)24發(fā)32收；恩智浦S32R294最多支持6發(fā)8收，支持2片級(jí)聯(lián)，就是12發(fā)16收（與TI相當(dāng)）；華為目前是12發(fā)24收。可以看出雷達(dá)廠商如果有自己獨(dú)到的軟件技術(shù)，可以將芯片（硬件）的性能再度提升。
還有一家國(guó)內(nèi)毫米波雷達(dá)廠商使用恩智浦2020年12月推出的TEF82xx MMIC做出了4D成像雷達(dá)，據(jù)說比國(guó)外某廠商的產(chǎn)品性能提高兩倍，比國(guó)內(nèi)2022H2 SOP的產(chǎn)品性能提升一倍，且早18個(gè)月量產(chǎn)。其技術(shù)細(xì)節(jié)尚未拿到，之后再予以介紹。
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