4D毫米波雷達(dá)Radar
概述
全球前四大的毫米波雷達(dá)供應(yīng)商被稱為“ABCD”，即 Autoliv（美安）、Bosch（博世）、Continental（大陸）和 Delphi（德爾福）。
除了全天候和低成本的優(yōu)勢，傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)也有局限性，比如無法點云成像，精度低。
傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)通過測量目標(biāo)的距離和角度得出2D平面坐標(biāo)以及速度，沒有高度坐標(biāo)，因此可以簡單理解為平面雷達(dá)。一般應(yīng)用情況下，做AEB、ACC等應(yīng)用功能是夠用的。
4D雷達(dá)就是能測量目標(biāo)物體的3D坐標(biāo)+1D速度。
傲酷雷達(dá)（Oculii）在全球首創(chuàng)了車載4D雷達(dá)及高清點云成像雷達(dá)。成像效果將可與16線激光雷達(dá)媲美，隨著點的密度增加，可以達(dá)到64線激光雷達(dá)的效果 。
4D毫米波雷達(dá)多了一個高度維度，能探測物體的3D坐標(biāo)數(shù)據(jù)，和視頻及激光一樣，數(shù)據(jù)融合非常容易，融合精度也非常高。另外，沿路空中的物體，如天橋、紅綠燈、路牌等都在高處，傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)沒法探測出來。
有了4D雷達(dá)后就很容易做到。4D雷達(dá)比普通毫米波雷達(dá)多了縱向天線及處理器，可以檢測不同高度，不同水平面上的運(yùn)動和靜止物體。
2015年下半年，傲酷推出了世界上第一款商用的24G 4D雷達(dá)，針對智能交通應(yīng)用。2017年下半年，傲酷又推出了77G的4D雷達(dá)。目前已經(jīng)開始小規(guī)模量產(chǎn)，接下來準(zhǔn)備在國內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模車規(guī)量產(chǎn)。
4D 高分辨毫米波雷達(dá)(4D High Resolution Radar,以下簡稱4D Radar)
4D指的是(range, velocity, azimuth,elevation)，5D指的是(range, velocity, azimuth,elevation，RCS)。
4D radar 作用
? 環(huán)向毫米波雷達(dá)感知
? 環(huán)境建模（Freespace ）
? 自動泊車（APS）
? 目標(biāo)分類（Classification）
? 局部定位（Localization）
? landmark based SLAM
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。最近上海車展上華為也發(fā)布4D成像毫米波雷達(dá)。

德州儀器TI
4D成像毫米波雷達(dá)的技術(shù)門檻極低，德州儀器在2016年底推出基于CMOS工藝的高集成度77GHz毫米波雷達(dá)芯片，其適用于中短距場景的AWR1642 系列將前端MMIC RF、DSP和MCU三個模塊集成在一個77GHz毫米波雷達(dá)SoC芯片上，顯著降低了毫米波雷達(dá)成本，大幅拉低了車載毫米波雷達(dá)的硬件開發(fā)難度。
針對近距離場景，TI打造了集成度更高的天線片上集成(AoP)芯片，將天線集成在芯片里，將難度最高的平面印刷天線集成其中，將毫米波雷達(dá)價格拉低到百美元級別。相比其他雷達(dá)芯片廠商，TI芯片開發(fā)具有傻瓜式的特點，底層軟件開發(fā)很完備，工具鏈做的很容易上手，任何一個入行兩年的射頻工程師基本都可以單獨一個人搞定一個毫米波雷達(dá)設(shè)計。這就滋生了數(shù)量眾多的初創(chuàng)毫米波雷達(dá)企業(yè)。
然而時間長了TI發(fā)現(xiàn)，NXP和英飛凌幾乎壟斷的毫米波雷達(dá)芯片組市場格局并未有改變，于是TI另辟蹊徑，力推4D成像毫米波雷達(dá)概念，基本上在2018年底就提供基于AWR2243的4片級聯(lián)4D毫米波雷達(dá)全套設(shè)計方案，包括最難搞的天線也考慮在內(nèi)，內(nèi)嵌4-element series-fed patch 天線。算法部分則提供MATLAB MIMO和beamforming兩種選擇，就像交鑰匙工程，讓4D成像毫米波雷達(dá)沒有技術(shù)門檻。
德國大陸
毫米波雷達(dá)霸主的德國大陸汽車也在研發(fā)4D成像毫米波雷達(dá)，實際在2015年大陸汽車就預(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，ARS540的研發(fā)工作起始于2016年，最初的設(shè)計是使用NXP的S32R274兩片，但這帶來一些問題，兩片S32R274導(dǎo)致PCB面積太大，而汽車?yán)走_(dá)是希望盡量小體積的，同時前端的傳感器融合需要比較高的帶寬，大陸汽車最初的設(shè)計是使用MIPI CSI3，其帶寬為14.88Gbps，比常用的MIPI CSI2更好，而S32R274是MIPI CSI2。支持MIPI CSI3的芯片很少。
大陸汽車希望ADC的精度更高，這樣高度分辨率才足以實用，并且兩片芯片的時鐘同步等工作也比較麻煩，最終大陸汽車決定使用Xilinx的Zynq UltraScale+ RFSoC 系列FPGA。Xilinx的ZynqUltraScale+ RFSoC 系列FPGA專用射頻領(lǐng)域設(shè)計，內(nèi)部包含超高精度ADC和DAC，有12、14比特兩個檔次選擇，最多16個ADC或DAC。通常ASIC里考慮成本，ADC和DAC的配置都不會如此豪華，S32R274里只有4個12比特ADC，取樣率只有10Msps。
NXP
在被FPGA取代后，NXP也開始抓緊研發(fā)針對4D成像毫米波雷達(dá)芯片組的工作，2020年12月NXP推出S32R45 4D成像毫米波雷達(dá)信號處理器和TEF82xx收發(fā)器。為4D 成像毫米波雷達(dá)芯片組增加了一個選擇項，未來英飛凌和ADI公司也很有可能推出相關(guān)的芯片組。
ARS540采用4片級聯(lián)的形式，將4片NXP的77GHz毫米波雷達(dá)收發(fā)器（即MMIC）MR3003級聯(lián)，每個MR3003是3發(fā)4收，4片就是12發(fā)16收，目前絕大多數(shù)毫米波雷達(dá)都是采用單片收發(fā)器，通常只有3發(fā)4收，也就是只有12個虛擬通道，而ARS540是192個虛擬通道，分辨率大大提高。可以稱之為圖像雷達(dá)。
中國企業(yè)
TI的方案也是如此，如出一轍，只是用AWR2243代替MR3003，用TDA2x代替FPGA。除德國大陸汽車，中國乃至全球的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，但也有可能是德州儀器的AWR1642六片級聯(lián)而成。AWR1642是2發(fā)4收。
TI與德國大陸
德州儀器4D成像毫米波雷達(dá)內(nèi)嵌4-element series-fed patch天線，采用業(yè)內(nèi)品質(zhì)最高的RogersRO3003 PTFE載板。

可以看出，老牌的大陸汽車4D毫米波雷達(dá)性能強(qiáng)大無比，具備碾壓性質(zhì)。德州儀器在距離和分辨率之間做了妥協(xié)。
ARS540是唯一具備能夠真正測量目標(biāo)高度的毫米波雷達(dá)，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)計天線，擁有超過20年的經(jīng)驗，且MR3003也確實比較強(qiáng)。從這個角度講，ARS540到目前應(yīng)該還是全球唯一4D毫米波雷達(dá)。當(dāng)然如果不用德州儀器的內(nèi)嵌天線，自己單獨設(shè)計，可能會好一點，但也不會好太多，并且會付出很長的研發(fā)周期，購置上千萬人民幣的研發(fā)設(shè)備和設(shè)施，初創(chuàng)公司肯定不會這么大手筆投資固定資產(chǎn)。當(dāng)然啦，或者用仿真軟件也湊合可以。

ARS540的高度測量
成像毫米波雷達(dá)的成像

上圖是取自德州儀器的開發(fā)板說明書，自行車和行人離車輛1.5米距離時的毫米波雷達(dá)成像圖，如果是普通的3發(fā)4收單片3D毫米波雷達(dá)，自行車恐怕只能檢測到一個點，甚至檢測不到。即便是成像毫米波雷達(dá)，行人也只是一個小點，普通雷達(dá)則完全檢測不到，這是因為金屬反射電磁波的性能遠(yuǎn)比人體要高。顯然成像毫米波雷達(dá)無法和激光雷達(dá)成像相提并論。
對于車的成像還是相當(dāng)不錯的，這個能勉強(qiáng)看出有車門開著。
再來看NXP的方案。

上表為TFE82XX與AWR2243主要參數(shù)對比，NXP性能略勝一籌，德州儀器的取樣頻率更高。
所謂4D成像毫米波雷達(dá)的第四就是高度，眾所周知，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，現(xiàn)在的77GHz雷達(dá)處理芯片基本被英飛凌和NXP壟斷，沒有合適的芯片可用。因此大部分廠家的俯仰通道只是勉強(qiáng)做到，精度很低，博世MRR采用俯仰面天線方向圖幅值比來計算俯仰角，這種方法不增加通道數(shù)，也不增加成本，只增加俯仰天線的主波束寬度。這種方法需要先驗知識，且無法區(qū)分非水平目標(biāo)處于高處還是低處。
大陸汽車可能采用了Monopluse的設(shè)計，相當(dāng)于一根物理天線做俯仰角測試，再通過MIMO虛擬通道增加精度。AR540采用雙波束成形，一個波束是48 (Az.) x 1 (El.) = 48 channels，轉(zhuǎn)為方位角設(shè)計，大幅度提高方位角測量精度。另一個是24 (Az.) x 6 (El.) = 144 channels，里面包含了俯仰角測量。
所謂成像意義不大，即使再強(qiáng)的深度學(xué)習(xí)碰上毫米波雷達(dá)那樣稀疏的圖像也基本無能為力。
能測高度的同時就可以不再過濾靜態(tài)目標(biāo)，因為窖井蓋、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)。
實際毫米波雷達(dá)的難點在生產(chǎn)領(lǐng)域，射頻產(chǎn)品的生產(chǎn)，特別是一致性是需要長時間摸索的，這不是坐辦公室的博士們能完成的。實際量產(chǎn)毫米波雷達(dá)超過20年的博世、大陸之類的團(tuán)隊中掌握核心關(guān)鍵Knowhow的專家不超過5個，都是長期在生產(chǎn)線摸索出來的。
毫米波雷達(dá)幾乎沒有技術(shù)門檻，門檻都在生產(chǎn)和供應(yīng)鏈領(lǐng)域，全球前五大占據(jù)了75%以上的市場，這中間還包括了主打24GHz的海拉，大陸是當(dāng)之無愧的第一，單價也最高，國內(nèi)除了吉利很少有人使用。第二是電裝加上收購的富士通天。第三才是博世，前向主雷達(dá)基本壟斷國內(nèi)市場，并且還多是MRR四代，四代的LRR可能只有小鵬使用。第四是海拉萬都，第五是維寧爾。這個排名可能也有錯誤，安波福的出貨量也很大，但主要是角雷達(dá)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的4D毫米波雷达Radar的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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