對于毫米波雷達(dá)，確切說是4D成像毫米波雷達(dá)，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(jī)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(dá)人們并不陌生，4D成像則不然，在自動(dòng)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?yán)走_(dá)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(dòng)駕駛應(yīng)用所需的功能。Arbe 成像技術(shù)為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提供了所需的洞察力，讓 4D 成像雷達(dá)成為骨干傳感器套件。Arbe 獨(dú)特且具有顛覆性的雷達(dá)技術(shù)讓 4D 成像功能應(yīng)用于自動(dòng)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(bǔ)視覺傳感器的不足。此外，4D 成像雷達(dá)可以幾乎 0 延時(shí)地提供深度信息和即時(shí)徑向速度數(shù)據(jù)。
1、毫米波雷達(dá)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(dá)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(jìn)入車用4D高清點(diǎn)云成像雷達(dá)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(dá)傳感器，但并沒有改變毫米波雷達(dá)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(dá)概念。
其實(shí)，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(dá)。
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(dá)測試版產(chǎn)品——Phoenix，其圖像清晰度比業(yè)內(nèi)同類雷達(dá)清晰百倍，可提供卓越的實(shí)時(shí)動(dòng)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(dá)天線，其頻道數(shù)量、視野寬度和分辨率均達(dá)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(dòng)駕駛增加了新的安全保障。
2020年10月，Arbe又推出首個(gè)2K高分辨率成像雷達(dá)開發(fā)平臺，為客戶的成像雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)駕駛需求。
2、傳統(tǒng)雷達(dá)和4D成像雷達(dá)區(qū)別何在？
雷達(dá)系統(tǒng)是通過發(fā)射一個(gè)信號，并對環(huán)境物體的反射信號和發(fā)射信號的特性進(jìn)行比較來估計(jì)目標(biāo)的距離和速度。單發(fā)射機(jī)、單接收機(jī)雷達(dá)系統(tǒng)稱為單輸入單輸出（SISO）。如果要估計(jì)物體的角度（方位角、仰角或兩者兼有），就必須采用機(jī)械或電子掃描，因此，快速運(yùn)動(dòng)物體的角度估計(jì)不準(zhǔn)確。
多個(gè)發(fā)射和接收天線的雷達(dá)被稱為多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)，包括多個(gè)發(fā)射天線和多個(gè)接收天線。
從而形成一個(gè)虛擬陣列，提供更高的分辨率。雷達(dá)性能與雷達(dá)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(gè)虛擬信道，Arbe 提供 48Tx 信道和 48Rx 信道，從而獲得 2304 個(gè)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(dòng)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(shí)，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(diǎn)，所以業(yè)界普遍采用融合的做法取長補(bǔ)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(gè)目標(biāo)。但其視野有限，在惡劣天氣、強(qiáng)光和陰影區(qū)無能為力，還存在隱私權(quán)問題。
普通雷達(dá)在惡劣天氣下運(yùn)行良好，可檢測存在、方向、距離和速度，是一種強(qiáng)大而可擴(kuò)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(gè)軸上，角度分辨率有限，無法區(qū)分相鄰的目標(biāo)。
激光雷達(dá)（LiDAR）可以精確探測到物體的細(xì)節(jié)，但同樣也不適用于惡劣天氣，而且價(jià)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(dòng)駕駛。不過，4D成像雷達(dá)的突破性技術(shù)恰恰可以取長補(bǔ)短，在具備現(xiàn)有傳感器所有優(yōu)勢的同時(shí)彌補(bǔ)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(shí)現(xiàn)所需的安全級別。
4、為什么4D成像雷達(dá)分辨率更高？
無法區(qū)分威脅和誤報(bào)警是導(dǎo)致自動(dòng)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(dá)方向分離目標(biāo)，同時(shí)保持低虛警，使雷達(dá)在汽車傳感器中被降級為支持性角色。Arbe的4D成像雷達(dá)正在改變這一尷尬局面。
真實(shí)4D雷達(dá)圖像
Arbe雷達(dá)生成的是一幅真正的4D雷達(dá)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(shí)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(xì)信息，如對象的方向和邊界，使之與其他傳感器（如相機(jī)）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(diǎn)云密度。這源于其數(shù)字波束形成的48個(gè)發(fā)射和48個(gè)接收天線創(chuàng)建的2304個(gè)虛擬通道陣列。Arbe沒有使用不可靠的合成或統(tǒng)計(jì)分辨率增強(qiáng)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)間是第四維度，因?yàn)闀r(shí)間元素是從多普勒得到的。成像雷達(dá)實(shí)際上創(chuàng)造了一個(gè)陣列，使測量密度急劇增加。傳統(tǒng)2D雷達(dá)比較粗糙，每個(gè)物體只產(chǎn)生一個(gè)點(diǎn)，而成像雷達(dá)可以提供許多點(diǎn)，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(shí)間因素一直是雷達(dá)功能的關(guān)鍵。4D成像傳感器的第四個(gè)要素是“橫向分辨率”。4D成像雷達(dá)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(shí)80公里速度行駛，一輛摩托車（低反射率小物體）以每小時(shí)120公里的速度從后面駛來。與攝像頭和激光雷達(dá)不同，4D雷達(dá)可以發(fā)現(xiàn)最初相距很遠(yuǎn)的摩托車，并識別出這兩個(gè)物體在以不同速度移動(dòng)；還可以顯示一個(gè)物體是朝著自己移動(dòng)還是向遠(yuǎn)處移動(dòng)。
5、4D成像如何成為自動(dòng)駕駛主角？
Arbe的全球第一個(gè)2K超高分辨率4D成像雷達(dá)平臺消除了之前的分辨率限制，重塑了雷達(dá)。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(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程低虛警率。隨著這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步，有望讓雷達(dá)從輔助配件升級為從L2到L5安全自動(dòng)駕駛的核心。
歸納起來，4D成像雷達(dá)具有以下優(yōu)勢：
實(shí)時(shí)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(xì)的環(huán)境圖像，實(shí)時(shí)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(dòng)，朝哪個(gè)方向移動(dòng)，為車輛提供實(shí)時(shí)態(tài)勢數(shù)據(jù)和警報(bào)。
遠(yuǎn)距離探測：實(shí)現(xiàn)所有傳感器中最遠(yuǎn)距離的探測，最有可能成為第一個(gè)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)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?yàn)樗梢栽诔^ 300 米范圍內(nèi)創(chuàng)建道路的詳細(xì)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(dá)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(gè)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(dòng)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(gè)價(jià)格的 100 倍。
這樣，ADAS系統(tǒng)就可以信任雷達(dá)讀數(shù)，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，并防止不必要的停車。所以，4D成像雷達(dá)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(dòng)車輛安全性和準(zhǔn)確性方面的感測要求。
6、Arbe雷達(dá)開發(fā)平臺的技術(shù)突破
Arbe雷達(dá)開發(fā)平臺的技術(shù)突破點(diǎn)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(bào)；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(gè)方面：
首先是采用最先進(jìn)的 RF 芯片組。Arbe 開發(fā)的專有毫米波汽車級雷達(dá) RFIC 芯片組包括一個(gè) 24 輸出通道的發(fā)射器芯片和一個(gè) 12 輸入通道的接收器芯片。經(jīng) AEC-Q100 認(rèn)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(shí)現(xiàn)了最先進(jìn)的 RF 性能。
第二是雷達(dá)處理技術(shù)。Arbe 自主研發(fā)的獨(dú)特的基帶處理器（Everest）集成了獲得專利的雷達(dá)處理單元（RPU）架構(gòu)和嵌入式專有雷達(dá)信號處理算法，可在保持低硅功耗的同時(shí)，實(shí)時(shí)處理和轉(zhuǎn)換大量原始數(shù)據(jù)。RPU 能夠?qū)崟r(shí)處理多達(dá) 48 個(gè) Rx 通道和 48 個(gè) 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(dá)傳感器的車輛越來越多，有的多達(dá) 8 個(gè)傳感器，大多數(shù)在同一頻段發(fā)射。因此，隨著雷達(dá)裝車量不斷增加，雷達(dá)相互干擾的風(fēng)險(xiǎn)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(dá)干擾發(fā)生時(shí)，探測漏報(bào)或錯(cuò)報(bào)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(dá)發(fā)射機(jī)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(gè)專用的 ASIL-D 安全島，用于監(jiān)督系統(tǒng)的安全運(yùn)行。Arbe 雷達(dá)的設(shè)計(jì)考慮到了安全性，特別強(qiáng)調(diào)降低誤報(bào)率。Arbe 遵循 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的內(nèi)置雷達(dá)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(qiáng)型 FMCW TD-MIMO 成像雷達(dá)優(yōu)化的基于雷達(dá)的 SLAM 解決方案。SLAM 算法實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)聚類、跟蹤、自定位、假目標(biāo)過濾和基于雷達(dá)/雷達(dá)-相機(jī)的目標(biāo)分類。
第六是增強(qiáng)感知算法。作為高級感知能力的基礎(chǔ)，Arbe 的 4D 成像雷達(dá)平臺包括精確實(shí)時(shí)推斷車輛速度和車道內(nèi)定位的功能。雷達(dá)數(shù)據(jù)后處理有助于跟蹤和對車輛整個(gè)視野中的目標(biāo)進(jìn)行分類，確定其方向和運(yùn)動(dòng)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(jìn)程
如今，雷達(dá)在自適應(yīng)巡航控制（ACC）、盲點(diǎn)檢測（BSD）和自動(dòng)緊急制動(dòng)（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(dá)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(jìn)行取舍。
要實(shí)現(xiàn)L4和L5車輛，主機(jī)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(dá)，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(gè)很重要問題是過濾假警報(bào)的能力。為了提供最佳靈敏度，雷達(dá)通常使用最低檢測閾值，因此會(huì)報(bào)告一些噪聲，需要用后處理和跟蹤來濾除隨機(jī)噪聲，而校準(zhǔn)方案只能達(dá)到極低的副瓣電平。
為此，隨著高分辨率成像雷達(dá)的出現(xiàn)，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。
為加快商用進(jìn)程，Arbe 2K高分辨率成像雷達(dá)開發(fā)平臺為Tier 1、主機(jī)廠和新晉參與者提供了徹底改變其成像雷達(dá)系統(tǒng)并增強(qiáng)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(dá)芯片組，配備 RF 發(fā)射器和接收器芯片，以及專利成像雷達(dá)處理器；
具有業(yè)內(nèi)最密集通道陣列的雷達(dá)天線，提供符合主機(jī)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(jī)廠系統(tǒng)開發(fā)的參考設(shè)計(jì)。
在自動(dòng)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(dá)因?yàn)榻鉀Q了以下問題，使車輛能夠達(dá)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(yuǎn)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(jì)；
支持動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)；
脫離 PoC（驗(yàn)證性測試）階段進(jìn)入量產(chǎn)的能力。
2019年12月，Arbe獲得了來自北京汽車集團(tuán)和現(xiàn)代集團(tuán)等機(jī)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(jī)廠合作，開發(fā)基于Arbe成像雷達(dá)開發(fā)平臺的新一代雷達(dá)系統(tǒng)。預(yù)計(jì)基于Arbe技術(shù)的雷達(dá)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?yàn)?D成像雷達(dá)的突出優(yōu)勢，整個(gè)行業(yè)正在將4D成像雷達(dá)作為自動(dòng)駕駛傳感器套件中不可或缺的重要元素，為自動(dòng)駕駛車輛配備更靈敏的耳朵和眼睛，從而形成一個(gè)更安全的汽車市場。4D成像雷達(dá)也有望成為雷達(dá)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對自動(dòng)駕駛車輛產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
