4D成像雷達(dá)是汽車發(fā)展最熱門的趨勢(shì)之一

12月12日晚，特斯拉Model S突然叕失控，在北京航天橋附近一小區(qū)內(nèi)上演“失控門”，以80km／h的速度鉆入居民樓半地下陽(yáng)臺(tái)。埃?。狂R斯克總得想點(diǎn)辦法對(duì)付這些“看不見(jiàn)”的龐然大物吧？本文下面會(huì)提及他的辦法是什么。

龐大物體視而不見(jiàn)屢見(jiàn)不鮮

對(duì)雷達(dá)來(lái)說(shuō)，汽車應(yīng)用已來(lái)到一個(gè)令人興奮的時(shí)刻。當(dāng)然，這里說(shuō)的雷達(dá)主要是指3D毫米波成像雷達(dá)。2019年，由于在更多情況下都可使用，其安裝量同比增長(zhǎng)了44％，在超短程方面侵蝕了激光雷達(dá)（LiDAR）和超聲波技術(shù)的市場(chǎng)。中國(guó)的車載毫米波雷達(dá)市場(chǎng)發(fā)展也在步入快車道。技術(shù)發(fā)展總是無(wú)止境的，一些廠商已開(kāi)始發(fā)布新的汽車4D成像雷達(dá)，不過(guò)可以量產(chǎn)的產(chǎn)品鳳毛麟角，人們或許會(huì)問(wèn)，4D能做的，現(xiàn)在的3D雷達(dá)和攝像頭不是已經(jīng)能做了？比如坐艙監(jiān)控感知等應(yīng)用。殊不知，4D有4D的道理。我們先看看3D雷達(dá)和4D雷達(dá)有什么不同，再看看行業(yè)對(duì)市場(chǎng)發(fā)展的預(yù)期。

汽車?yán)走_(dá)一路走來(lái)

汽車?yán)走_(dá)使用的半導(dǎo)體經(jīng)過(guò)了幾代演繹，還在不斷發(fā)展。第一代產(chǎn)品采用GaAs芯片，直接安裝在電路板上，用導(dǎo)線連接起來(lái)。下一代是SiGe芯片，片上集成的功能更多。許多公司現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)硅CMOS和SOI技術(shù)。許多公司使用40nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，但有些公司將其降低到28nm以下。小節(jié)點(diǎn)加上CMOS技術(shù)，可以在芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的功能集成。

目前，最新一代雷達(dá)芯片不僅集成了收發(fā)器和Chirp，還集成了微控制器和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）單元。這為支持MIMO天線的單芯片雷達(dá)解決方案指明了方向。轉(zhuǎn)向硅技術(shù)也將更好地維持一條降低成本路線，特別是更適合量產(chǎn)。

封裝和板技術(shù)也在發(fā)展。第一代器件由多個(gè)直接安裝在電路板上并通過(guò)引線鍵合連接的片芯組成。這些雷達(dá)模塊還有兩個(gè)獨(dú)立的電路板：一個(gè)是RF，另一個(gè)用于數(shù)字功能。隨著封裝的進(jìn)步，出現(xiàn)了各種形式的晶圓級(jí)產(chǎn)品。電路板還進(jìn)化為與由特殊低插入損耗材料（如陶瓷填充聚四氟乙烯或類似材料）組成的頂部RF層混合。在小型天線陣列足以滿足要求的情況下，封裝天線（AiP）設(shè)計(jì)開(kāi)始采用，有些已被證明適合短程汽車應(yīng)用。傳統(tǒng)雷達(dá)具有在二維空間進(jìn)行測(cè)量的能力。2D雷達(dá)利用一個(gè)專用的旋轉(zhuǎn)天線監(jiān)聽(tīng)回波信號(hào)，能夠獲得兩個(gè)坐標(biāo)并確定目標(biāo)的位置。之后3D雷達(dá)出現(xiàn)了，它會(huì)像2D雷達(dá)一樣旋轉(zhuǎn)，但每次掃描旋轉(zhuǎn)后，天線的仰角會(huì)改變，以備下次探測(cè)。通過(guò)這種方式，3D雷達(dá)可以探測(cè)三個(gè)維度：方位角、仰角和速度。

3D雷達(dá)原理描述

4D成像雷達(dá)改變?cè)谀睦铮?/p>

從原理上看，4D成像雷達(dá)與傳統(tǒng)雷達(dá)和LiDAR還是有很大不同的。從理論物理學(xué)角度來(lái)看，時(shí)間被認(rèn)為是第四維度。當(dāng)它應(yīng)用于雷達(dá)時(shí)，將成為多普勒頻率，顯示一個(gè)物體是朝著自己移動(dòng)還是向遠(yuǎn)處移動(dòng)。

有些人認(rèn)為，4D成像雷達(dá)是一個(gè)錯(cuò)誤的名稱和營(yíng)銷策略，因?yàn)檫@些雷達(dá)不是真正的測(cè)繪時(shí)間，而是利用時(shí)間來(lái)了解3D環(huán)境；此外，現(xiàn)代偵察雷達(dá)已經(jīng)具備探測(cè)多普勒頻移的能力，所以這項(xiàng)技術(shù)也不是什么新鮮事。

然而，4D雷達(dá)是將測(cè)量的第四維數(shù)據(jù)整合到3D雷達(dá)中，以更好地了解和繪制環(huán)境地圖。即使具體技術(shù)并不新穎，但它的整合也具有新意，值得研究。

4D成像雷達(dá)的主要功能

技術(shù)顧問(wèn)機(jī)構(gòu)VSI Labs創(chuàng)始人兼總裁Phil Magney這樣解釋：“我認(rèn)為時(shí)間應(yīng)被用于第四維空間，一些公司就是這樣做的。老實(shí)說(shuō)，4D更多的是營(yíng)銷炒作，因?yàn)闀r(shí)間元素是從多普勒得到的。所以，如果是這樣的話，那么傳統(tǒng)的2D可以被稱為3D。”

Phil Magney

換句話說(shuō)，時(shí)間因素一直是雷達(dá)功能的關(guān)鍵。當(dāng)被問(wèn)及同樣的問(wèn)題時(shí)，NXP執(zhí)行副總裁兼無(wú)線電頻率處理總經(jīng)理Torsten Lehmann指出，4D成像傳感器的第四個(gè)要素是“橫向分辨率”。他說(shuō)：“4D成像傳感器不僅可以測(cè)量距離和速度，還可以測(cè)量高度、方向和到達(dá)角度，同時(shí)以更高的分辨率識(shí)別物體，4D成像雷達(dá)不僅能識(shí)別水平平面，還能識(shí)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(guò)?！?/p>

Torsten Lehmann

Lehmann繼續(xù)說(shuō)：“想象一下，一輛汽車在高速公路上以每小時(shí)80公里的速度行駛，而一輛摩托車（一個(gè)低反射率的小物體）正以每小時(shí)200公里的速度從后面駛來(lái)。與攝像頭和LiDAR不同，這些改進(jìn)的雷達(dá)可以識(shí)別最初相距很遠(yuǎn)的摩托車，并識(shí)別出這兩個(gè)物體在以不同的速度移動(dòng)?！?/p>

可以這樣說(shuō)，到目前為止，雷達(dá)是唯一一種能夠在300米以上運(yùn)行并識(shí)別高速運(yùn)行物體的傳感器，而攝像頭和LiDAR都無(wú)法處理這么遠(yuǎn)的距離和速度。

隨著高分辨率成像雷達(dá)的出現(xiàn)，包括許多雷達(dá)供應(yīng)商都迫切希望將雷達(dá)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。

4D成像之于汽車，首要目標(biāo)是啥？

雷達(dá)是ADAS和自動(dòng)駕駛中傳感器套件的關(guān)鍵元素。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)投入商業(yè)應(yīng)用，特別是在各種ADAS功能上。從短期和長(zhǎng)期來(lái)看，它的使用將增加。在短期內(nèi)，立法和自愿安全承諾將進(jìn)一步推動(dòng)采用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛將增加每輛車的雷達(dá)含量，從而對(duì)市場(chǎng)產(chǎn)生乘數(shù)效應(yīng)。這是雷達(dá)技術(shù)的激動(dòng)人心的時(shí)刻，許多變化正在發(fā)生。

不過(guò)，從理論到應(yīng)用是一條很長(zhǎng)的隧道，要看到光明需要時(shí)間的檢驗(yàn)。自動(dòng)駕駛也是這樣，它通常是以“自動(dòng)化水平”來(lái)衡量的。簡(jiǎn)而言之，這是一個(gè)從0到5的刻度，L0意味著絕對(duì)沒(méi)有自主性，L5表示完全無(wú)人駕駛功能。作為參考，目前大多數(shù)特斯拉汽車的評(píng)分都在L3，這被認(rèn)為是一個(gè)不錯(cuò)的分?jǐn)?shù)。

從L0到L5的演變

自動(dòng)駕駛意味著車輛安全，雖然從純技術(shù)角度來(lái)看，向更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛邁進(jìn)是一個(gè)值得實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，但歸根結(jié)底，其價(jià)值在于拯救生命。這就是為什么采用和改進(jìn)雷達(dá)技術(shù)對(duì)ADAS開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)是一件越來(lái)越重要的事情。

NXP半導(dǎo)體ADAS市場(chǎng)總監(jiān)Matthias Feulner說(shuō)：“需要記住的是，迄今為止，很多發(fā)布都是概念證明，其中許多都是基于通用處理器的，用雷達(dá)專用處理器對(duì)（汽車）使用案例進(jìn)行優(yōu)化，才會(huì)有重大的提升?！彼J(rèn)為：“在最基本層面，我們的目標(biāo)是避免事故和拯救生命，ADAS技術(shù)和雷達(dá)傳感器特別有助于提高駕駛安全性，避免傷亡?！?/p>

馬斯克的選擇

2020年10月，專門研究特斯拉軟件的黑客“green”在軟件更新中發(fā)現(xiàn)了新功能的暗示，他提醒消費(fèi)者們，在特斯拉最近的軟件更新中增加了一個(gè)名為“Phoenix”的新雷達(dá)選項(xiàng)，Phoenix是Arbe雷達(dá)系統(tǒng)的名字。它可通過(guò)4D超高分辨率實(shí)時(shí)成像，識(shí)別、評(píng)估和應(yīng)對(duì)從普通到特殊的挑戰(zhàn)場(chǎng)景，服務(wù)于現(xiàn)實(shí)世界的駕駛需求。

黑客爆料

無(wú)論速度、海拔、距離、大小或周圍的天氣和照明條件如何，Phoenix都能區(qū)分真正的威脅和錯(cuò)誤的警報(bào)，以確保駕駛員、行人和其他易受傷害的道路使用者的安全。

一位消息人士稱，特斯拉正準(zhǔn)備更新Model 3的面板，新的傳感器將是更新的一部分。

馬斯克最近表示：“現(xiàn)在的圖像識(shí)別依然是來(lái)源于孤立的圖片，而實(shí)際上這些圖片在時(shí)間上有密切關(guān)聯(lián)性。因此，如果過(guò)渡到4D，三維空間里加入了時(shí)間維度，它本質(zhì)上就是視頻。這種架構(gòu)上的變化已經(jīng)進(jìn)行了一段時(shí)間，還沒(méi)有真正推廣到量產(chǎn)車的任何車輛，但這才是完全自動(dòng)駕駛真正需要的。”

或許，這為馬斯克討厭將LiDAR傳感器用于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，“即使是免費(fèi)的也不會(huì)用”找到了最好的理由。

最熱門趨勢(shì)之一

總的來(lái)說(shuō)，4D成像雷達(dá)是最熱門的趨勢(shì)之一。未來(lái)，隨著雷達(dá)技術(shù)向更小的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移，將出現(xiàn)高度集成的打包單一解決方案；天線陣列尺寸將大大擴(kuò)展，從而能夠獲得更好的方位角和仰角分辨率，從而使點(diǎn)云更加致密。基于深度學(xué)習(xí)的算法也將并行發(fā)展，使雷達(dá)能夠進(jìn)行三維目標(biāo)檢測(cè)、分類和跟蹤。在這種情況下，雷達(dá)將開(kāi)始使用一些LiDAR技術(shù)來(lái)提升分辨率，同時(shí)保持天氣和光照水平的獨(dú)立優(yōu)勢(shì)。

雷達(dá)令人興奮的時(shí)刻已經(jīng)到來(lái)。據(jù)預(yù)測(cè)，到2030年，在價(jià)格適度下降的情況下，汽車?yán)走_(dá)將成為120億美元的市場(chǎng)。未來(lái)，能夠提供密集4D點(diǎn)云的4D成像雷達(dá)，將有助于實(shí)現(xiàn)更高精度的目標(biāo)檢測(cè)、分類和跟蹤。在第一個(gè)十年，ADAS（L1和L2）將是主要市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力；而在第二個(gè)十年，自動(dòng)駕駛汽車將成為主要的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看（2030－2040年），自動(dòng)出行（L3、L4和L5）將推動(dòng)市場(chǎng)，雷達(dá)含量也將不斷增加。

責(zé)任編輯：xj