目前4D毫米波雷達首先要實作對傳統毫米波雷達的替代。
作者 | 潔萍
編輯 | 文靓
4D成像毫米波雷達最近又熱了起來。
今年CES上，4D成像毫米波雷達聲勢奪人，一衆晶片企業諸如恩智浦、TI、Mobileye都陸續推出或更新了自己的成像雷達方案，毫米波雷達系統廠商Arbe、Zadar Labs、Smartmicro等也都帶來了各自的成像雷達産品。
其中最受到業内人士關注的，莫過于Mobileye 首席執行官Amnon Shashua 在 CES 演講中對4D成像毫米波雷達的強調，“（到2025年）除了正面，我們隻想要毫米波雷達，不想要雷射雷達。”
Yole Développement 的Imaging 首席分析師 Pierre Cambou 表示，該演講引發了人們的猜測，即Mobileye 現在不認為雷射雷達“比雷達更重要”。
VSI Labs 的合夥人兼咨詢服務總監Danny Kim 更是在 CES 後釋出的一份報告中寫道：“與過去的 CES 活動不同，感覺雷射雷達公司并沒有為行業帶來那麼多突破性的發明” 。“另一方面，4D毫米波雷達越來越受歡迎”，并稱4D毫米波雷達正成為汽車傳感器中的“新星”。
事實上，在此前華為的入局下，4D成像毫米波雷達早就接受過市場的一波熱議，且也遠非新技術，但這次它為什麼又在CES上被重點關注了？其中有什麼因素發生了變化？4D成像毫米波雷達是否真的可以和雷射雷達PK？抑或它隻是一種過渡技術方案？
成像雷達搶風頭
Yole将Mobileye的演講總結為四點，其中兩點就是：
4D成像毫米波雷達是消費級自動駕駛車輛的一個重要推動因素；
雷射雷達不再是關鍵。
Mobileye瞄準了三個細分市場：輔助駕駛市場、帶有地理圍欄的L4 Robotaxi市場以及消費級L4 Robotaxi市場。
Shashua認為，Mobileye的感覺方案要想在2025年達到消費級自動駕駛車輛的水準，一要想如何能夠顯著降低成本，二則是如何将ODD（運作設計域）擴大到L5的水準。
是以在Mobileye的計劃中，除了開發可以單獨在相機上行駛的消費級自動駕駛車輛方案，到2025年他們可能還将推出可單獨在雷達/雷射雷達上行駛的消費級自動駕駛車輛方案，後者搭載雷達-LiDAR子系統，屆時車輛僅需一個前向雷射雷達和360°全包覆車身的毫米波雷達即可。
“除了正面，我們隻想要毫米波雷達，不想要雷射雷達。”Shashua表示。
問題在于，雖然毫米波雷達和雷射雷達的成本不是一個數量級，但以目前毫米波雷達的分辨率水準，普通毫米波雷達在擁擠的交通中，并無法分辨彼此非常接近的行人和車輛，是以也就不能作為單獨的子系統使用。
于是Mobileye将視線轉向了4D成像毫米波雷達。
從性能效果來說，4D成像毫米波雷達算是3D毫米波雷達的更新版，另一方面，從成本上看，4D成像毫米波雷達的成本也僅為雷射雷達的10%-20%。
相比于傳統的 3D 毫米波雷達，車載 4D毫米波雷達在工作時，除了能夠解算出目标的距離、速度、水準角資訊，還能解算出目标的俯仰角資訊，進而可以提供汽車周圍的環境資訊，能夠避免窨井蓋、路肩、減速帶所産生的虛警現象。
除此之外，得益于能夠提供目标的高度資訊，捕捉到汽車周圍目标的空間坐标和速度資訊，4D 毫米波雷達還能夠提供更加真實的路徑規劃、可通行空間檢測功能。
有業内人士對新智駕介紹說，傳統毫米波雷達也有點雲但是數量少，且沒有俯仰資訊，4D毫米波雷達增加了俯仰資訊和更多的點雲資料，“點雲一多就可以勾勒出物體輪廓，便是成像”。
不過4D毫米波雷達是否需要成像，要基于具體場景需求的政策制定。
據上述業内人士介紹，目前L3以上的場景會對成像雷達有更大的需求，從技術上來講，4D成像毫米波雷達是必然趨勢，有能力做4D毫米波雷達的廠商基本都在做4D成像毫米波雷達。
“4D毫米波雷達是未來的發展方向，而成像的重點是點雲資料足夠多，在車上是否要用4D毫米波雷達做成像輸出，要看主機廠對傳感融合、算力等因素的通盤綜合考慮。”
新智駕曾在《剛剛，又一款智能汽車面世！主打賣點竟是「4D 毫米波雷達」》一文中，仔細介紹過4D毫米波雷達的工作原理。
角分辨率作為雷達的指向精度，其數值高低與波長與孔徑大小有關，即波長越長，角分辨率越低，孔徑越大，分辨率越高。
車載毫米波雷達系統廠商楚航科技創始人兼CEO楚詠焱對新智駕介紹，孔徑大小是提升雷達角分辨率的關鍵，而天線的數量、天線間的排布間隔又會影響到孔徑大小。
過去幾十年來，車載毫米波雷達界常常是通過增加天線數量的方式來提高角分辨率。
目前車載 4D 毫米波雷達常用的工作機制，則是連續波雷達中的調頻連續波雷達（FMCW），它能夠以更低功耗、更大帶寬的方式，向外連續地發射電磁波，進而實作測量目标的距離和速度資訊。
而根據輸入輸出天線陣列數目的不同，FMCW 雷達可以分為單輸入多輸出(SIMO)雷達和多輸入多輸出(MIMO)雷達。
對車載毫米波雷達系統而言，SIMO 雷達早已在 3D 毫米波雷達中廣泛應用，而 MIMO 雷達概念則是在 2003 年由 Bliss 和 Forsythe 首次提出，其是車載 4D 毫米波雷達發展的關鍵技術理論之一。
與傳統方式不同，為了解決傳統毫米波雷達角分辨率低、點雲密度低的問題，當下出現了四種4D毫米波雷達解決方案：
一是基于傳統CMOS雷達晶片，強調“軟體定義的雷達”，主要廠家有傲酷、Mobileye等；
二則是将多發多收天線內建在一顆晶片，直接提供成像雷達晶片，比如Arbe、Vayyar等；
最傳統的，則是将标準雷達晶片進行多晶片級聯，以增加天線數量，比如大陸、博世、ZF等一衆公司；
四則是通過超材料研發新型雷達架構，代表廠家有Metawave等。
Shashua認為，軟體定義的圖像毫米波雷達，将會是提高毫米波雷達分辨率的關鍵。
所謂軟體定義的雷達，即通過軟體後處理，系統可對雷達信号的接受/發送和處理進行配置，進而大幅提高雷達的性能。
事實上早在兩年前，Mobileye就已開始打造這款圖像雷達，在2021年的CES上，Shashua也曾對其進行過介紹，隻不過所花的時間遠沒有今年CES上的多。
成像雷達隻是過渡方案嗎？
而從Mobileye公布的資料看，其成像毫米波雷達的性能在諸多同類産品中，也的确可圈可點。
資料顯示，Mobileye 的軟體定義雷達将有超過 2000 個虛拟信道，信号發射器與接收器各 48 個，水準角分辨率達0.5°，垂直分辨率達2°，有效探測距離預計為150米。
“Mobileye推出成像雷達的意義與Arbe差不多，因為目前主流方式（包括博世、大陸、ZF的量産方案）都是傳統級聯方式，新型方案對傳統方式是否兼具成本和性能優勢有待觀察。”但另一業内人士則對新智駕如此表示。
這裡有必要先來了解一下組成車載毫米波雷達的核心器件。
車載毫米波雷達的核心器件主要有單片微波內建電路和雷達數字信号處理晶片等。
單片微波內建電路可以實作低噪聲放大器、混頻器、變頻器、功率放大器等功能，主要玩家包括意法半導體、德州儀器、 恩智浦、加特蘭等。
雷達數字信号處理晶片，則是用于對毫米波雷達的中頻信号進行數字處理，分為通用數字處理晶片和雷達專用處理晶片，目前提供專用雷達處理器的晶片廠商主要有德州儀器、NXP、Infineon、加特蘭等。
近年來，随着市場對車載毫米波雷達需求的增加，國内湧現了一批新興毫米波雷達系統廠商，比如森斯泰克、華域、淩波微步、隼眼科技、楚航科技以及幾何夥伴等。
而在2018年，德州儀器提出了4D成像毫米波雷達的概念，并一舉推出了基于AWR2243 FMCW單晶片收發器的4片級聯4D毫米波雷達全套設計方案。
這一“交鑰匙”工程大大降低了企業開發成像毫米波雷達産品的門檻，部分毫米波雷達系統廠商也紛紛開始着手研發自己的 4D 毫米波雷達産品。
目前，已經推出4D毫米波雷達産品的廠商主要有大陸、傲酷雷達、Arbe以及 Smartmicro 等。
上述業内人士對新智駕表示，開發4D成像毫米波雷達已漸漸成為毫米波雷達行業巨頭和初創公司的必然選擇。
4D成像毫米波雷達之間的性能之争也就愈發激烈。
目前的車載4D成像毫米波雷達多在48個通道（6發8收），有的雷達供應商也有在向192個以上數量的通道邁進，比如森思泰克的4D成像毫米波雷達STA77-8、大陸集團的4D成像毫米波雷達ARS540、傲酷的Eagle等，華為的4D成像毫米波雷達則有288個通道（12發24收）。
不過也有與Mobileye成像雷達通道數量相當的産品，它是由以色列創企Arbe提供的4D成像毫米波雷達Phoenix，采用48發48收，虛拟通道也超過2000個，可提供1°水準×1.5°垂直角分辨率。
華為智能汽車解決方案BU Marketing與銷售服務部總裁此前也曾透露過，“華為的4D成像毫米波雷達天線已經做到128發128收，非常先進，華為的毫米波雷達是在通信技術的基礎上開發出來的”。
安霸半導體在去年收購了傲酷雷達，其中國區市場營銷副總裁郄建軍對新智駕表示，其4D成像毫米波雷達産品目前性能已與32線束雷射雷達性能類似。
“我們接下來還會繼續提升角分辨率，做到4晶片級聯，類似128線束雷射雷達分辨率的效果。”
郄建軍介紹，目前4D成像毫米波雷達的成本和傳統毫米波雷達的成本相近，遠低于雷射雷達的成本。
“雷射雷達的成本要想從幾千元降到幾百元，至少需要5年，是以4D成像毫米波雷達，在某種程度上是可以取代低線束雷射雷達的。”
另外，當4D毫米波雷達與多目攝像頭相結合時，理論上也被認為可完全不需要雷射雷達。
那當測距精度更高的雷射雷達的成本下探至可被接受範圍時，4D成像毫米波雷達會被淘汰嗎？換言之，4D成像毫米波雷達會不會隻是一種暫時的“過渡性方案”？
對此楚詠焱的看法是，4D成像毫米波雷達和雷射雷達各有特點，可以發揮各自的長處，并不存在誰替代誰的關系。
“比如一些L3級功能，并不需要那麼高線束的雷射雷達，這時候隻需要把毫米波雷達的分辨率稍微提高一點，成本也不會增加太多，有可能很多L3級功能就能落地了，這會是4D成像毫米波雷達的主要市場。”
郄建軍則認為，由于普通的毫米波雷達檢測靜止物體效果不好、角分辨率也低，是以目前成像雷達更多還是在對傳統的毫米波雷達進行替代。
誰才會是主傳感器？
但目前并沒有一款能夠真正規模落地的4D成像毫米波雷達産品。
楚詠焱介紹，這其中面臨着兩個難題。
首先是車企對4D毫米波雷達的需求并不明确。
汽車零部件企業研發産品時大多是需求導向，但目前車企并不确定在L3級自動駕駛車輛中，到底是哪個功能，需要4D成像毫米波雷達，或者僅需要輸出點雲的4D毫米波雷達。
“另外至于諸如AVP、HWP（高速自動駕駛）、TJP（中低速自動駕駛）等自動駕駛功能，對4D成像毫米波雷達的分辨率要求到底有多高，是1°還是2°，目前都還沒有一個準确的定義。”
還有就是在4D成像毫米波雷達方面，雖然它能輸出更多點，但目前的毫米波系統廠商并沒有想清楚，“輸出這些點之後，我到底要幹什麼”。
原本毫米波雷達隻輸出帶有距離、速度資訊的目标，但當4D成像毫米波雷達還額外提供了具有方位角資訊的點，企業究竟要利用這一特征達到何種感覺目的，目前業内也并沒有明确的方案。
第二大難點則是現下業内并沒有專門針對4D成像毫米波雷達的測試裝置，行業的生态鍊并不成熟。
廠商們隻能利用傳統毫米波雷達的測試裝置，來驗證其4D成像毫米波雷達産品的性能。
但問題是，諸如目标模拟器這樣的傳統測試裝置，其分辨率并不高，無法驗證4D成像毫米波雷達的分辨率是否達到了1°或者零點幾度。
“我們隻能靠上路，用真值系統，用雷射雷達去做比對。但這樣的話，如果産品的一些基礎性能出了問題，比如天線設計，我們根本沒有辦法在實驗室裡檢測出來，做不了前端測試，無法形成一個完整的研發閉環。”
但4D成像毫米波雷達趨勢已不可逆轉，比如北汽集團投資了Arbe，其副總經理陳江此前曾表示，北汽集團車型有望搭載Arbe量産後的4D成像毫米波雷達産品，比如上汽也早在去年就宣布已在其R汽車搭載了4D成像毫米波雷達，再比如Magna與Fisker将在2022年底推出的Fisker Ocean車型，也将搭載4D成像毫米波雷達等等。
郄建軍也向新智駕表示，其4D毫米波雷達已經拿到了多家主機廠的項目定點。
“今年我們看到幾家主機廠都準備上車4D成像毫米波雷達，這就跟幾年前的雷射雷達一樣，一旦有領軍企業大規模上4D成像毫米波雷達了，後邊的企業就會迅速跟進。”郄建軍表示。
至于4D成像毫米波雷達生态鍊的建構，包括楚航科技在内的諸多企業，都在一起去建構行業的标準，比如雷達的性能要求以及試驗方法等等。
“大家都在往4D成像毫米波雷達這個方向看，雖然發展的路線有所不同，但我覺得1-2年内，行業會形成一個簡單的标準，也會有落地的嘗試。”
楚詠焱預測，4D成像毫米波雷達要想形成一個标準化、可規模量産的産品，估計還需要3-5年。
這或許也是為什麼Mobileye在今年的CES上，花了更多的筆墨和時間去強調4D成像毫米波雷達的重要性。
回到前文Mobileye提出的，他們将在2025年推出可單獨在雷達/雷射雷達上行駛的AV方案，即屆時AV車輛僅需一個前向雷射雷達和360°全包覆車身的毫米波雷達即可。
這意味着，4D成像毫米波雷達将成為自動駕駛車輛的主傳感器。
這種方案可行嗎？
楚詠焱認為可行，但由于毫米波雷達和雷射雷達對顔色以及二維物體的感覺都比較弱，是以這一方案可行的前提，則是車輛能做到車路協同，以準确感覺車身周圍的環境。
不過攝像頭、雷射雷達抑或4D成像毫米波雷達，究竟誰能成為未來智能駕駛車輛的主傳感器，或許還是要看具體場景，根據不同的功能和需求配置不同的方案。
楚詠焱表示，比如對于ADAS功能來說，主流的标準化4D毫米波雷達産品，3發4收就已足夠，對于L3級的功能，12發16收的4D成像毫米波雷達産品則就能滿足車輛的感覺需求。
而當車輛需要提升到L4級或者L5級的水準，比如礦山、港口，這些場景對價格并不那麼敏感，各家廠商就可以根據自己的需求，選擇雷射雷達或者4D成像毫米波雷達，做差異化布局。
比如長城汽車曾推出的一款無人物流小車，就沒有使用雷射雷達，而是搭載了5個（1個主雷達+4個角雷達）4D成像毫米波雷達。
不同傳感器各有優劣，智能駕駛車輛的感覺方案也遠未固定。
對于4D成像毫米波雷達來說，要想長期生存，當下最重要的，或許還是要先解決是否能夠規模上車的問題。
END
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