鋼鐵俠伊隆·馬斯克(Elon Musk)對車載激光雷達技術的鄙視盡人皆知。

“使用車載激光雷達很蠢，任何依賴激光雷達的人都注定要失敗(doomed)”、“昂貴的傳感器是不必要的，這就像是一大堆昂貴的附屬品”、“虛假和愚蠢=高精地圖和激光雷達(False and foolish = HD maps and LiDAR)”、“我們要拋棄激光雷達，記住我的話，這就是我的態(tài)度”...... 2019年4月，他在特斯拉自動駕駛開放日上說的這些話仿佛還在耳邊。

他相信計算機視覺，相信只用攝像頭和雷達傳感器就能搞定自動駕駛。據(jù)消息人士稱，特斯拉正準備更新Model 3，超高分辨率的4D成像雷達或將是更新的一部分。盡管上述消息還未得到最終確認，但考慮到頭部廠商強大的示范效應，以及支持者普遍認為“未來特斯拉FSD 全視覺與4D成像雷達融合將是精明之舉”的態(tài)度，我們似乎很有必要對“4D成像雷達”的魔力進行一番探究。

讓悲劇不再發(fā)生

成像雷達是一項突破性的技術，可以在任何光照或天氣條件下，將雷達的功能從測量距離、速度擴展到涵蓋距離(Range)、方位(Azimuth)、俯仰角(Elevation)和相對速度的測量，顯著增強了雷達的性能。通俗地講，與現(xiàn)有傳統(tǒng)毫米波雷達相比，4D成像雷達在水平和俯仰方向上的分辨率得到了極大提高，所以它才能夠不僅可以“理解”水平面，還可以“理解”垂直平面，真正把前方探測到的物體輪廓大概描繪出來，從而幫助車輛判斷是在物體“下方”還是“上方”行駛。

這其實讓我們想起了2016年5月在美國佛羅里達州27A高速公路上發(fā)生的悲劇。一輛特斯拉Model S與一輛橫穿的拖掛車相撞，導致駕駛員喪生。據(jù)多數(shù)媒體報道，配備攝像頭和傳統(tǒng)2D雷達的Model S誤認為車輛可以從拖掛車的底部行駛過去。所以反對者將“全視覺+毫米波雷達”組合稱之為“靜止的公路殺手”也不足為奇，問題之一就是毫米波雷達并不是不能檢測靜止物體，但是會過濾掉靜止物體。

Yole Développement預計4D成像雷達將首先出現(xiàn)在豪華轎車和自動駕駛出租車上，這會帶來5.5億美元以上的投資，并在2020年至2025年間以124%的復合年增長率(CAGR)增長。

先讓我們看看與成像雷達相關的幾種典型應用場景：

一是如果當較小的物體(如行人或摩托車手)與較大的物體(如卡車或其他障礙物)混雜或被掩蓋時，成像雷達系統(tǒng)可以識別，并且可以確定一個區(qū)域的物體是靜止的還是運動的，以及它們朝哪個方向移動，且可以提供檢測范圍超過300m的實時數(shù)據(jù)。

二是以汽車行駛在隧道中為例，得益于俯仰角探測性能的提升，成像雷達現(xiàn)在可以測量整個隧道的長度和寬度，并且能感知物體的幾何形狀，當隧道中出現(xiàn)其它的交通參與者時，比如卡車、摩托車和汽車，成像雷達就可以提供高分辨率圖像。換言之，汽車的視覺更加先進了。

三是假如汽車以每小時80公里的速度在高速公路上行駛，而摩托車(一種反射率低的小物體)以每小時200公里的速度從后面駛來時。與攝像頭和激光雷達不同，成像雷達可以在最初相距較遠時就識別到摩托車，并可識別出這兩個物體在以兩種不同的速度運動。

這意味著，成像雷達不僅提供多模功能，還通過提供超高分辨率圖像，實現(xiàn)了精確的環(huán)境地圖繪制和場景感知，從而擴展了當前可用的L2+級自動駕駛功能，例如高速巡航和變道輔助。而當自動駕駛等級上升至L3及以上時，恩智浦半導體大中華區(qū)汽車電子首席系統(tǒng)架構師黃明達博士認為，4D成像雷達將能夠實現(xiàn)建圖、定位、物體輪廓描繪、被測物體分類等多重功能。與攝像頭，或是模式識別、機器學習相結合后，成像雷達系統(tǒng)就能夠在1°方位角和2°仰角的高分辨率下，以±60度FoV(也有說是100°FoV)感知周邊環(huán)境，這種增強“感知能力”對于復雜駕駛環(huán)境中實現(xiàn)全自動駕駛極為重要。

成像雷達市場逐步升溫

“在過去兩年的時間里，自動駕駛汽車市場正在慢慢降溫，人們對于全自動駕駛的關注度并不高，幾乎沒有廠商在研究L5的全自動駕駛，大部分是在研究L3的量產(chǎn)，在接下來3至5年的時間里都是相同的情況，所以我覺得在這樣一個領域，成像雷達相較于激光雷達是有優(yōu)勢的。”恩智浦(NXP)執(zhí)行副總裁兼首席技術官Lars Reger日前在接受《電子工程專輯》采訪時給出了上述的判斷。

恩智浦一直是汽車雷達解決方案領域的領先者，他們希望用成像雷達替代激光雷達的想法已經(jīng)有6年之久了。

在CES 2021上，恩智浦推出了由S32R45雷達處理器與TEF82xx全集成77GHz RFCMOS汽車雷達收發(fā)器組成的成像雷達解決方案，以及基于此形成的可擴展角雷達和前向雷達解決方案。它不僅能提供高分辨率圖像，確保車輛的所有位置都能夠覆蓋雷達，還可以對汽車進行360度的安全環(huán)繞式探測，并支持成像雷達目標識別和分類功能，這對于在城市環(huán)境中的行車和自動泊車至關重要。

恩智浦S32R45雷達處理器結構框圖

恩智浦并不是唯一關注4D成像雷達的公司。大陸集團在2020年9月宣布其新型ARS 540先進雷達系統(tǒng)利用賽靈思公司的Zynq UltraScale+ MPSoC平臺提供4D成像雷達解決方案。據(jù)稱這項解決方案已做好量產(chǎn)部署準備，預計將在2021年搭載于乘用車上。

大陸集團新型ARS 540先進雷達系統(tǒng)

初創(chuàng)公司Arbe Robotics是傳言中和特斯拉走的最近的公司，其4D成像雷達芯片組提供的物理分辨率據(jù)稱是競爭對手使用的合成或統(tǒng)計分辨率增強方法的2到10倍，還因此獲得了2020年愛迪生獎。其雷達芯片組可提供48個接收通道和48個傳輸通道的實時管理，在保持每秒3兆比特的等效處理吞吐量的同時，可生成30幀/秒的完整4D圖像。

Vayyar Imaging公司高度集成單芯片RF SoC也具備創(chuàng)建高分辨率4D圖像的能力，覆蓋3~10GHz、57~64GHz、以及77~81GHz頻段。2020年初，Vayyar宣布與總部位于日本的汽車零部件供應商Aisin Seiki建立合作伙伴關系，共同開發(fā)汽車4D高分辨率短距離外部傳感器，用于盲點檢測等應用。

2020年初，傳統(tǒng)毫米波雷達巨頭海拉宣布與傲酷雷達(Oculii)建立戰(zhàn)略伙伴關系并且參與了戰(zhàn)略投資，通過整合后者開發(fā)的4D高清成像雷達軟件方案，進一步提升77GHz雷達的性能。雙方預計首款產(chǎn)品將在2023年實現(xiàn)量產(chǎn)。同時，傲酷雷達也在自己獨立開發(fā)4D成像雷達產(chǎn)品，直接面對車廠提供產(chǎn)品。

總體來看，目前市場上4D成像雷達主要采用四類方案，包括將77G和79G標準雷達芯片通過二級/四級聯(lián)/或八級聯(lián)增加實體天線MIMO的方式;或者采用4D成像專用芯片、超材料或者SAR成像、特殊天線陣等方式來實現(xiàn)。

雷達級聯(lián)是用于開發(fā)成像雷達的技術之一。在這種傳感器配置中，多個低功率毫米波傳感器級聯(lián)在一起，并作為單個單元同步運行。這就有了多個接收和發(fā)射通道，從而顯著提高了角分辨率和測距性能。集成的移相器用于創(chuàng)建波束成形，可以將檢測范圍擴大到400m。

使用超材料開發(fā)雷達結構是一種新興的技術趨勢。超材料在表面上嵌入了顯微結構，可實現(xiàn)電磁波濾波器的小型化。這些結構可以與電磁波傳播技術結合使用，創(chuàng)建出比傳統(tǒng)電路要小很多的電路。Yole Développement早在2018年秋季的一份雷達報告中就曾寫到，以Metawave和Uhnder為代表的一些創(chuàng)新型初創(chuàng)公司正在采取顛覆性技術來滿足高分辨率傳感器的要求，例如“采用超薄可操縱光束和人工智能引擎進行深度學習，或為高分辨率成像雷達采用前所未有的高通道數(shù)。”現(xiàn)在來看，應該指的就是他們現(xiàn)在所推出的超材料電子掃描陣列(MESA)雷達。

會取代激光雷達嗎?

Lars Reger曾就自動駕駛系統(tǒng)中雷達的發(fā)展趨勢與媒體進行過多次交流。他解釋說，不論是采用雷達還是攝像頭技術，最終目的是希望車輛擁有一個自我反射系統(tǒng)。就好比我們走路摔倒，脊椎會做出本能的生理反射，讓身體找到平衡一樣，自動駕駛的車輛也要擁有一個這樣的系統(tǒng)：例如攝像頭可以探測到車輛前方的物體;雷達能夠告知車輛前方有障礙并發(fā)出警示……在車輛收集到相關信息后，大腦就會啟動，并做出決定。只不過，我們現(xiàn)在還無法完全信賴這一系統(tǒng)，因為攝像頭的像素不夠高，雷達的像素也無法達到我們所需要的水平，難免存在一些障礙。

黃明達認為，從成本角度看，毫米波雷達肯定比激光雷達成本低;從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度看，毫米波雷達產(chǎn)業(yè)成熟年份比激光雷達早5-10年左右，尤其相較固態(tài)激光雷達更是如此，所以毫米波雷達成本非常有優(yōu)勢。

聆英咨詢的報告顯示，攝像頭與毫米波雷達成本攝像頭單價一般在600元以下，其中單目攝像頭單價區(qū)間大致在150~600元左右，環(huán)視攝像頭區(qū)間在70~500元左右。毫米波雷達市場中，近程雷達單價在300~400元左右，遠程雷達在800~1200元左右。由Mobileye提供的自動駕駛視覺方案單車總價在幾百美元。

但在自動駕駛領域中，由于各具優(yōu)劣勢，毫米波雷達、激光雷達和攝像頭在L3以上自動駕駛中通常是作為互為冗余、互為備份的系統(tǒng)出現(xiàn)的。例如激光雷達在雨霧、沙塵的天氣情況下就很難實現(xiàn)它所聲稱的性能;攝像頭對光線則會比較敏感;而傳統(tǒng)毫米波雷達盡管全天候能力最強，但除了缺少高度維度的感知外，水平角分辨率低、難以檢測橫穿目標和靜止目標等也是瓶頸。

所以，綜合來看，“未來的技術發(fā)展并非幾種方向選擇其一這么簡單。”一方面，無論從自動駕駛還是輔助駕駛的角度來看，視覺和雷達的多傳感功能在很長一段時間內都會共存，成像雷達的發(fā)展仍處于早期，談取代尚為時過早，一切都還是未知數(shù)。另一方面，由于中國攝像頭技術的發(fā)展水平遠超國外，因此，越來越多的中國ADAS廠商會采用毫米波雷達結合攝像頭的技術，來實現(xiàn)自動駕駛L1、L2甚至部分L3的功能。

在此基礎之上，從高識別率、高分辨率、高精度的成像雷達發(fā)展趨勢來看，一定程度上它可以作為激光雷達目前高成本情況下對市場的補充。換言之，在某些L3-L5的試驗場合下，可以采用成像雷達作為補充，無需采用達到64線高分辨率的激光雷達，而采用16線相對成本較低的激光雷達方案，以達到近似效果，這也是一種平衡的考量。

原文標題：4D成像雷達，讓“靜止的公路殺手”不再出沒

文章出處：【微信公眾號：傳感器技術】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。

責任編輯：haq