對于毫米波雷達，確切說是4D成像毫米波雷達，2021年注定是極不尋常的一年。在汽車行業(yè)“新四化”變革大潮中，各路主機廠的紛紛加持正將4D成像技術(shù)推上風(fēng)口，其大規(guī)模商用已漸行漸近。
毫米波雷達人們并不陌生，4D成像則不然，在自動駕駛使用的眾多傳感器中，其技術(shù)有何優(yōu)勢？能扮演何等角色？誰在引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展？又將如何商用落地？
當(dāng)下，汽車雷達已應(yīng)用于 ACC 和 AEB，但它們還不足以提供最佳性能，亦無法滿足 L2+/L3/L4 級別自動駕駛應(yīng)用所需的功能。Arbe 成像技術(shù)為自動駕駛系統(tǒng)提供了所需的洞察力，讓 4D 成像雷達成為骨干傳感器套件。Arbe 獨特且具有顛覆性的雷達技術(shù)讓 4D 成像功能應(yīng)用于自動駕駛系統(tǒng)中，在極具挑戰(zhàn)性的惡劣光線和天氣條件下，彌補視覺傳感器的不足。此外，4D 成像雷達可以幾乎 0 延時地提供深度信息和即時徑向速度數(shù)據(jù)。
1、毫米波雷達市場格局微妙
多年來，英飛凌和恩智浦幾乎壟斷了毫米波雷達芯片組市場，后面的意法半導(dǎo)體一直在追趕。2020年初，英飛凌宣布進入車用4D高清點云成像雷達市場，不過還沒有相應(yīng)芯片發(fā)布。
早在2016年底，德州儀器（TI）就推出了基于CMOS工藝的高集成度77GHz毫米波雷達傳感器，但并沒有改變毫米波雷達芯片組市場的格局。于是，德州儀器于2018年底拋出了4D成像毫米波雷達概念。
其實，成立于2015年的以色列初創(chuàng)公司公司Arbe一直在苦心鉆研針對汽車應(yīng)用的新型4D成像雷達。
2019年1月，Arbe發(fā)布采用專利芯片組技術(shù)的車規(guī)級4D成像雷達測試版產(chǎn)品——Phoenix，其圖像清晰度比業(yè)內(nèi)同類雷達清晰百倍，可提供卓越的實時動態(tài)、靜態(tài)目標(biāo)物分離。
2019年9月，Arbe推出首款全新高密度雷達天線，其頻道數(shù)量、視野寬度和分辨率均達到市場最高數(shù)值，能夠以前所未有的卓越能力檢測行人，并將其與人行道分離，為ADAS和自動駕駛增加了新的安全保障。
2020年10月，Arbe又推出首個2K高分辨率成像雷達開發(fā)平臺，為客戶的成像雷達系統(tǒng)設(shè)計帶來顛覆性改變。
Arbe的解決方案小巧玲瓏，重量輕且節(jié)能，成本可以承受，且完全可定制，可滿足所有級別的車輛自動駕駛需求。
2、傳統(tǒng)雷達和4D成像雷達區(qū)別何在？
雷達系統(tǒng)是通過發(fā)射一個信號，并對環(huán)境物體的反射信號和發(fā)射信號的特性進行比較來估計目標(biāo)的距離和速度。單發(fā)射機、單接收機雷達系統(tǒng)稱為單輸入單輸出（SISO）。如果要估計物體的角度（方位角、仰角或兩者兼有），就必須采用機械或電子掃描，因此，快速運動物體的角度估計不準(zhǔn)確。
多個發(fā)射和接收天線的雷達被稱為多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)，包括多個發(fā)射天線和多個接收天線。
從而形成一個虛擬陣列，提供更高的分辨率。雷達性能與雷達中使用的 Tx 和 Rx 信道的數(shù)量有關(guān)，而使用 2x3 陣列將獲得 6 個虛擬信道，Arbe 提供 48Tx 信道和 48Rx 信道，從而獲得 2304 個虛擬信道的虛擬陣列。
3、傳感器尺有所長寸有所短
隨著車輛變得更加電動化和電子化，ADAS功能的增加需要使用更多傳感器，在安全技術(shù)得到提高的同時，也增加了汽車的復(fù)雜性、成本和重量。每種傳感器都有其優(yōu)缺點，所以業(yè)界普遍采用融合的做法取長補短。
攝像頭及其他光學(xué)解決方案可有效檢測目標(biāo)、測量距離、提供精確成像和跟蹤多個目標(biāo)。但其視野有限，在惡劣天氣、強光和陰影區(qū)無能為力，還存在隱私權(quán)問題。
普通雷達在惡劣天氣下運行良好，可檢測存在、方向、距離和速度，是一種強大而可擴展的解決方案。不過，其小天線陣列導(dǎo)致數(shù)據(jù)輸出分辨率低，無法生成豐富的圖像；其窄視場主要集中在一個軸上，角度分辨率有限，無法區(qū)分相鄰的目標(biāo)。
激光雷達（LiDAR）可以精確探測到物體的細節(jié)，但同樣也不適用于惡劣天氣，而且價格昂貴。
可以看出，現(xiàn)在的傳感器還不夠成熟，不足以支持未來的自動駕駛。不過，4D成像雷達的突破性技術(shù)恰恰可以取長補短，在具備現(xiàn)有傳感器所有優(yōu)勢的同時彌補其缺陷，在任何環(huán)境和條件下都能以超高分辨率探測物體，實現(xiàn)所需的安全級別。
4、為什么4D成像雷達分辨率更高？
無法區(qū)分威脅和誤報警是導(dǎo)致自動駕駛車輛事故的主要原因。由于低空間分辨率的限制，無法按到達方向分離目標(biāo)，同時保持低虛警，使雷達在汽車傳感器中被降級為支持性角色。Arbe的4D成像雷達正在改變這一尷尬局面。
真實4D雷達圖像
Arbe雷達生成的是一幅真正的4D雷達圖像，在距離、方位、仰角和多普勒維度上都具有超高分辨率。這是通過高度可靠的目標(biāo)檢測、低旁瓣電平（SLL）和低虛警率來實現(xiàn)的。它幾乎不出現(xiàn)虛對象，消除了假陽性和假陰性場景。
高分辨率成像除了中心和速度的精度高很多，還提供了有關(guān)被跟蹤對象的更詳細信息，如對象的方向和邊界，使之與其他傳感器（如相機）的融合更有意義。
無與倫比的物理分辨率
Arbe的高物理分辨率是競爭方案的2-10倍，支持每幀100000次以上的檢測，具有市場上最高的點云密度。這源于其數(shù)字波束形成的48個發(fā)射和48個接收天線創(chuàng)建的2304個虛擬通道陣列。Arbe沒有使用不可靠的合成或統(tǒng)計分辨率增強，如超分辨率（SR），而是利用寬孔徑陣列，以低SLL提供1.25°方位角和1.5°仰角的物理3dB波束寬度，以提高動態(tài)范圍的可靠性和安全性。這樣就使Arbe芯片組在低信噪比（SNR）和多目標(biāo)場景中仍然有效。高物理分辨率和高動態(tài)范圍提供了分離各種物體的能力，例如卡車旁邊的摩托車、卡在橋下的汽車和站在圍欄旁邊的行人或更換爆胎的車輛。
該系統(tǒng)還可以跟蹤移動物體，繪制環(huán)境和靜止障礙物地圖，生成自由空間地圖，既可路徑規(guī)劃，又能提供精確定位。
專家解釋說，從物理學(xué)角度看，時間是第四維度，因為時間元素是從多普勒得到的。成像雷達實際上創(chuàng)造了一個陣列，使測量密度急劇增加。傳統(tǒng)2D雷達比較粗糙，每個物體只產(chǎn)生一個點，而成像雷達可以提供許多點，產(chǎn)生的是垂直分辨率，可更好地了解被跟蹤的物體到底是什么。
換句話說，時間因素一直是雷達功能的關(guān)鍵。4D成像傳感器的第四個要素是“橫向分辨率”。4D成像雷達不僅能識別水平平面，還能識別垂直平面，例如，汽車可以決定是在物體的“下面”還是“上面”通過。
例如，一輛汽車在高速公路上以每小時80公里速度行駛，一輛摩托車（低反射率小物體）以每小時120公里的速度從后面駛來。與攝像頭和激光雷達不同，4D雷達可以發(fā)現(xiàn)最初相距很遠的摩托車，并識別出這兩個物體在以不同速度移動；還可以顯示一個物體是朝著自己移動還是向遠處移動。
5、4D成像如何成為自動駕駛主角？
Arbe的全球第一個2K超高分辨率4D成像雷達平臺消除了之前的分辨率限制，重塑了雷達。它能夠以高分辨率評估距離、高度、深度和速度，在提供廣闊視野的同時實現(xiàn)遠程低虛警率。隨著這項技術(shù)的進步，有望讓雷達從輔助配件升級為從L2到L5安全自動駕駛的核心。
歸納起來，4D成像雷達具有以下優(yōu)勢：
實時障礙檢測：在所有天氣和照明條件下，以廣闊視野提供高度詳細的環(huán)境圖像，實時發(fā)現(xiàn)各種障礙，包括路邊較小的目標(biāo)，如人或自行車，即使它們被一棵樹或卡車等大物體遮擋，也可以確定它們是否在移動，朝哪個方向移動，為車輛提供實時態(tài)勢數(shù)據(jù)和警報。
遠距離探測：實現(xiàn)所有傳感器中最遠距離的探測，最有可能成為第一個發(fā)現(xiàn)危險的設(shè)備。然后，它可以將攝像頭和 LiDAR 引導(dǎo)到感興趣區(qū)域，大大提高安全性能。
路徑規(guī)劃：提供真正的路徑規(guī)劃，因為它可以在超過 300 米范圍內(nèi)創(chuàng)建道路的詳細圖像，并捕捉汽車周圍物體的大小、位置和速度數(shù)據(jù)。
物體高度分離：識別出汽車正前方對著的物體是否（如橋梁）靜止，是否必須停下來或者可以安全行駛過去。
降低處理和服務(wù)器需求：由于只將攝像頭和 LiDAR 對準(zhǔn)感興趣區(qū)域，利用高質(zhì)量的雷達后處理將解決當(dāng)前原型的主要問題——功耗。
大幅降低生產(chǎn)成本：即使在 L3 以上，也無需為每輛車配備一個以上的 LiDAR 單元，或者可能根本不需要 LiDAR，有助于制造商降低成本。自動駕駛傳感器套件的量產(chǎn)成本應(yīng)低于 1000 美元，而今天測試的一些車輛使用的部件和系統(tǒng)成本是這個價格的 100 倍。
這樣，ADAS系統(tǒng)就可以信任雷達讀數(shù)，實現(xiàn)快速響應(yīng)，并防止不必要的停車。所以，4D成像雷達為導(dǎo)航、路徑規(guī)劃和避障提供了基礎(chǔ)，能夠支持L4和L5自動車輛安全性和準(zhǔn)確性方面的感測要求。
6、Arbe雷達開發(fā)平臺的技術(shù)突破
Arbe雷達開發(fā)平臺的技術(shù)突破點包括：按方位角和仰角的高分辨率分離物體；檢測對象的方向和邊界；消除假警報；具有超高的物理分辨率；減少相互干擾；無多普勒模糊。這些突破具體體現(xiàn)在以下六個方面：
首先是采用最先進的 RF 芯片組。Arbe 開發(fā)的專有毫米波汽車級雷達 RFIC 芯片組包括一個 24 輸出通道的發(fā)射器芯片和一個 12 輸入通道的接收器芯片。經(jīng) AEC-Q100 認證的 RF 芯片組采用新的 22nm FD-SOI CMOS 工藝（22FDX），支持 TD-MIMO，在通道隔離、噪聲系數(shù)和發(fā)射功率方面具有同類最佳性能。利用最新 RF 處理技術(shù)，Arbe 以市場上每通道最低成本實現(xiàn)了最先進的 RF 性能。
第二是雷達處理技術(shù)。Arbe 自主研發(fā)的獨特的基帶處理器（Everest）集成了獲得專利的雷達處理單元（RPU）架構(gòu)和嵌入式專有雷達信號處理算法，可在保持低硅功耗的同時，實時處理和轉(zhuǎn)換大量原始數(shù)據(jù)。RPU 能夠?qū)崟r處理多達 48 個 Rx 通道和 48 個 Tx 通道，每秒生成 30 幀完整 4D 圖像，等效處理吞吐量為 3Tb/秒。
第三是互干擾抑制。使用雷達傳感器的車輛越來越多，有的多達 8 個傳感器，大多數(shù)在同一頻段發(fā)射。因此，隨著雷達裝車量不斷增加，雷達相互干擾的風(fēng)險與日俱增，尤其是在密集的城市環(huán)境中，近距離（逆向和同向）干擾更是如此。當(dāng)雷達干擾發(fā)生時，探測漏報或錯報可能再次導(dǎo)致事故。Arbe 獲得專利的 FMCW2.0 系統(tǒng)創(chuàng)新可有效避免并減輕其他 FMCW 雷達發(fā)射機干擾，使性能下降最小甚至沒有下降。
第四是安全。Everest 處理器包括一個專用的 ASIL-D 安全島，用于監(jiān)督系統(tǒng)的安全運行。Arbe 雷達的設(shè)計考慮到了安全性，特別強調(diào)降低誤報率。Arbe 遵循 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)，可實現(xiàn)連續(xù)的內(nèi)置雷達系統(tǒng)自檢。
第五是后處理與 SLAM 算法。Arbe 開發(fā)的專有后處理軟件棧包括為增強型 FMCW TD-MIMO 成像雷達優(yōu)化的基于雷達的 SLAM 解決方案。SLAM 算法實現(xiàn)了實時聚類、跟蹤、自定位、假目標(biāo)過濾和基于雷達/雷達-相機的目標(biāo)分類。
第六是增強感知算法。作為高級感知能力的基礎(chǔ)，Arbe 的 4D 成像雷達平臺包括精確實時推斷車輛速度和車道內(nèi)定位的功能。雷達數(shù)據(jù)后處理有助于跟蹤和對車輛整個視野中的目標(biāo)進行分類，確定其方向和運動矢量，并提供精確和準(zhǔn)確的自由空間映射，在任何天氣或光照條件下區(qū)分可駕駛和不可駕駛環(huán)境。
7、加快商用進程
如今，雷達在自適應(yīng)巡航控制（ACC）、盲點檢測（BSD）和自動緊急制動（AEB）等安全系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。但目前市場上的雷達技術(shù)必須在有限視場的中等分辨率和寬視場的低分辨率之間進行取舍。
要實現(xiàn)L4和L5車輛，主機廠必須采用下一代傳感技術(shù)，通過使用高分辨率成像雷達，在約1度方位角和2度仰角下，以4D高分辨率在100度廣角范圍內(nèi)感知環(huán)境。
另一個很重要問題是過濾假警報的能力。為了提供最佳靈敏度，雷達通常使用最低檢測閾值，因此會報告一些噪聲，需要用后處理和跟蹤來濾除隨機噪聲，而校準(zhǔn)方案只能達到極低的副瓣電平。
為此，隨著高分辨率成像雷達的出現(xiàn)，許多雷達供應(yīng)商都迫切希望將雷達提升為唯一能夠在惡劣天氣和光照條件下工作的高速傳感器。
為加快商用進程，Arbe 2K高分辨率成像雷達開發(fā)平臺為Tier 1、主機廠和新晉參與者提供了徹底改變其成像雷達系統(tǒng)并增強其感知算法的能力。該開發(fā)平臺提供以下組件：
完整的 Arbe 成像雷達芯片組，配備 RF 發(fā)射器和接收器芯片，以及專利成像雷達處理器；
具有業(yè)內(nèi)最密集通道陣列的雷達天線，提供符合主機廠當(dāng)前尺寸規(guī)格的外形尺寸；
抽象硬件訪問和調(diào)度的軟件層；
指導(dǎo) Tier 1 和主機廠系統(tǒng)開發(fā)的參考設(shè)計。
在自動駕駛傳感器套件中當(dāng)然也需要光學(xué)傳感器，而4D成像雷達因為解決了以下問題，使車輛能夠達到所要求的安全性能：
全天候下最高的可靠性，包括霧、大雨、漆黑的夜晚和空氣污染；
根據(jù)汽車行業(yè)要求，探測最遠超過 300 米的障礙物；
測量每幀的多普勒（徑向速度）；
防止篡改或未經(jīng)授權(quán)的訪問的車載安全解決方案；
便于車輛前格柵集成的緊湊設(shè)計；
支持動態(tài)校準(zhǔn)；
脫離 PoC（驗證性測試）階段進入量產(chǎn)的能力。
2019年12月，Arbe獲得了來自北京汽車集團和現(xiàn)代集團等機構(gòu)的投資；目前正在與來自美國、歐洲、中國和日本的25家Tier 1和主機廠合作，開發(fā)基于Arbe成像雷達開發(fā)平臺的新一代雷達系統(tǒng)。預(yù)計基于Arbe技術(shù)的雷達將于2022年搭載量產(chǎn)車輛。
8、成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指日可待
正是因為4D成像雷達的突出優(yōu)勢，整個行業(yè)正在將4D成像雷達作為自動駕駛傳感器套件中不可或缺的重要元素，為自動駕駛車輛配備更靈敏的耳朵和眼睛，從而形成一個更安全的汽車市場。4D成像雷達也有望成為雷達的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對自動駕駛車輛產(chǎn)生深遠的影響。
