車用雷達市場火熱，4D成像之爭一觸即發(fā)！

        文︱立厷

        圖︱網(wǎng)絡

未來幾年，汽車雷達市場將以11％的CAGR增長，在主流的毫米波雷達芯片組市場，英飛凌和恩智浦幾乎占比高達7成，其他廠商份額很小，包括排名三四的德州儀器（TI）和意法半導體（ST）。2020年初，英飛凌宣布與首創(chuàng)車載4D高清點云成像雷達的美國傲酷（Oculi）合作，決定殺入汽車級成像雷達市場，不過還沒有發(fā)布相應產品，而搶占制高點——4D成像的狙擊戰(zhàn)已經(jīng)打響。

汽車變革迎來雷達高增長

過去十年，雷達產業(yè)已經(jīng)是一個很大的市場，預計到2025年CAGR將達到5％，看似不高，但“今天雷達在各種應用中都是不可或缺的工具。在軍事領域，對更強生存能力、低攔截概率和更長探測距離的需要已將該產業(yè)導向使用固態(tài)技術的有源天線陣列，”Yole射頻器件與技術業(yè)務分析師Cedric Malaquin說。

Yole發(fā)布的《2020年雷達產業(yè)態(tài)勢報告：廠商、應用與技術趨勢》指出，用于汽車應用的雷達已成為標配，隨著測試場景日益嚴苛，能夠更準確地描述車輛前后方場景的成像雷達需求持續(xù)增加；車輛中各種傳感器融合的數(shù)量也在與日俱增。

在Yole市場分析師看來：“對業(yè)界游戲規(guī)則改變最大的變革之一是借助消費電子市場滲透而產生的HMI（人機接口）對雷達的影響，在這一市場中集成和分辨率最具挑戰(zhàn)性，當然，這需要大量的計算和軟件?！?/p>

Malaquin表示，汽車市場預期將以11％的CAGR增長，而消費市場的CAGR高達70％?！斑^去十年中汽車雷達市場顯著增長，并將在向ADAS和HAD（高度自動化駕駛）發(fā)展的趨勢下繼續(xù)增長至2025年，”他說。

各領域雷達市場預測

隨著汽車行業(yè)向電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化和共享化方向邁進，對雷達性能提出了更高的要求。4D成像毫米波雷達就是順應大趨勢的創(chuàng)新產物。

4D成像雷達優(yōu)勢何在？

從物理學角度看，時間是第四維度，因為時間元素是從多普勒得到的。成像雷達實際上創(chuàng)造了一個陣列，可使測量密度急劇增加。傳統(tǒng)2D雷達比較粗糙，每個物體只產生一個點，而成像雷達可以提供許多點，產生的是垂直分辨率，可更好地了解被跟蹤的物體是什么東西。

換句話說，時間因素一直是雷達功能的關鍵。4D成像傳感器的第四個要素是橫向分辨率。4D成像雷達不僅能識別水平平面，還能識別垂直平面。

又如，一輛汽車在高速公路上以每小時80公里速度行駛，一輛摩托車（低反射率小物體）以每小時200公里的速度從后面駛來。與攝像頭和激光雷達不同，4D雷達可以發(fā)現(xiàn)最初相距很遠的摩托車，并識別出兩者在以不同速度移動；還可以顯示一個物體是越來越近或越來越遠。

4D成像雷達具備所有傳感器優(yōu)點

總之，4D成像雷達具有以下優(yōu)勢：

實時障礙檢測：在所有天氣和照明條件下，以廣闊視野提供高分辨率環(huán)境圖像，實時發(fā)現(xiàn)各種障礙，包括路邊較小的目標，如人或自行車，即使被大物體遮擋也可以確定它們是否在移動。

遠距離探測：實現(xiàn)所有傳感器中最遠距離的探測，最有可能成為第一個發(fā)現(xiàn)危險的設備。然后，它可以將攝像頭和激光雷達引導到感興趣區(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，因為它可以在超過300米范圍內創(chuàng)建道路的詳細圖像，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。

降低處理和服務器需求：由于只將攝像頭和激光雷達對準感興趣區(qū)域，利用高質量的雷達后處理將解決當前原型的主要問題——功耗。

大幅降低生產成本：即使在L3以上，也無需為每輛車配備一個以上的激光雷達單元，或者可能根本不需要激光雷達，有助于制造商降低成本。

4D成像之爭一觸即發(fā)

2018年底，為了與英飛凌、恩智浦兩大廠商競爭，德州儀器提出4D成像毫米波雷達概念，推出基于AWR2243 FMCW（調頻連續(xù)波）單芯片收發(fā)器的4片級聯(lián)4D毫米波雷達全套設計方案，其中集成了雷達開發(fā)商最難搞定的天線，內嵌四元件串饋貼片天線。

AWR2243 FMCW收發(fā)器基于TI低功耗45nm RFCMOS工藝，以單片實現(xiàn)具有內置PLL和A2D轉換器的3Tx（發(fā)）和4Rx（收）系統(tǒng)。用戶簡單更改編程模型就可實現(xiàn)短、中、長不同射程的傳感器，并可動態(tài)重新配置以啟用多模傳感器。作為完整的平臺解決方案，AWR2243收發(fā)器提供參考硬件設計、軟件驅動程序、示例配置、API指南和用戶文檔。

AWR2243評估板

2020年4月，傲酷首創(chuàng)4D點云高清成像雷達，成像效果與16線激光雷達不相上下。4個FOV（視場角）120°雷達可以形成360°環(huán)視點云，探測半徑可達200米。

2021年3月，傲酷利用軟件算法用TI芯片實現(xiàn)了超高角分辨率4D成像前向雷達Eagle，使毫米波雷達探測距離達到350米以上。Eagle用雙芯片實現(xiàn)了寬視野范圍的高角度分辨率和仰角信息，利用專有AI算法驅動的虛擬孔徑成像軟件使角度分辨率提高了50－100倍。這種多虛擬天線模式解決了困擾車載毫米波雷達多年來只能用增加實體天線來提高角分辨率的難題，而成本與普通毫米波雷達差不多。

據(jù)介紹，Eagle可在120°水平／30°垂直寬視場中提供0．5°水平x 1°縱向角分辨率。其遠程和高角度分辨率使其能夠用于各種自動駕駛應用，包括高分辨率雷達測繪和定位、自主路徑規(guī)劃和避障、目標檢測和跟蹤、室內導航、虛擬圍欄等。

傳統(tǒng)商用雷達與傲酷雷達對比

傳統(tǒng)雷達波形是單頻、重復、非自適應的，產生多種波形的唯一方法是增加接收天線數(shù)量。虛擬孔徑成像波形是自適應的相位調制，每根接收天線在不同時間產生不同的相位響應，然后對數(shù)據(jù)進行插值和外推，以創(chuàng)造一個“虛擬孔徑”。使用人工智能從環(huán)境中學習和適應的智能軟件可以伴隨成倍增長的數(shù)據(jù)而不斷改進。

初創(chuàng)公司也在搞事情

半導體廠商與雷達開發(fā)商合作開發(fā)產品天經(jīng)地義，也有一些專門研發(fā)雷達技術的初創(chuàng)公司在開發(fā)雷達處理器和RF芯片組。之前介紹過2015年成立的美國初創(chuàng)公司Uhnder，它將軍工科技導入汽車雷達開發(fā)出數(shù)字4D軟件定義成像雷達。

同樣成立于2015年的以色列初創(chuàng)公司Arbe Robotics由半導體工程師、雷達專家和數(shù)據(jù)科學家組成，也一直在苦心鉆研汽車應用的新型4D成像雷達，旨在為ADAS系統(tǒng)和未來自動駕駛車輛的激光雷達提供低成本替代方案。

Arbe利用強大的處理技術和先進算法實現(xiàn)超高分辨率，利用數(shù)千個虛擬發(fā)射和接收通道實現(xiàn)優(yōu)異的雷達性能。

Arbe雷達性能

2019年1月，Arbe發(fā)布采用專利芯片組技術的車規(guī)級4D成像雷達產品Phoenix，據(jù)稱其圖像清晰度比同類產品清晰百倍，可提供卓越的實時動態(tài)、靜態(tài)目標物分離，適用于各種級別的自動駕駛車輛。Phoenix采用模塊化設計，完全可定制，允許主機廠自由縮放分辨率，范圍和視野功能滿足當前和不斷發(fā)展的設計規(guī)范和成本要求。其感測距離為300米，方位角100°，仰角30°。

2019年9月，Arbe推出首款全新高密度雷達天線，其頻道數(shù)量、視野寬度和分辨率均達到市場最高數(shù)值，能夠以卓越能力檢測行人，并將其與人行道分離，為ADAS和自動駕駛增加了新的安全保障。

2020年5月，Arbe推出首款汽車專用圖像雷達處理器芯片解決方案，能夠處理由48收和48發(fā)生成的原始數(shù)據(jù)，每秒生成30幀數(shù)據(jù)，從而滿足汽車功率要求。

2020年10月，Arbe又推出首個2K高分辨率成像雷達開發(fā)平臺，為客戶的成像雷達系統(tǒng)設計帶來巨大改變。Arbe的解決方案小巧玲瓏，重量輕且功耗低，成本可承受，且完全可定制，可滿足所有級別的車輛自動駕駛需求。

2K高分辨率差分方法的最大特點是，無論車速、高度、距離、大小或周圍天氣和照明條件如何，都能區(qū)分真實的威脅和錯誤警報，以確保駕駛員、行人和其他易受傷害的道路使用者前方的道路安全。

Arbe認為，低空間分辨率限制是導致無法區(qū)分威脅和誤報警的主要原因，4D成像雷達正在解決這個難題。

Arbe通過高度可靠的目標檢測、低旁瓣電平（SLL）和低虛警率實現(xiàn)了距離、方位、仰角和多普勒維度的超高分辨率，幾乎沒有虛對象出現(xiàn)，消除了假陽性和假陰性場景。除了高精度中心和速度，高分辨率成像還提供被跟蹤對象的更詳細信息，如方向和邊界，有助于與其他傳感器的融合。

Arbe利用數(shù)字波束成形48發(fā)和48收天線創(chuàng)建的2304個虛擬通道陣列，支持每幀100000次以上檢測，有目前最高的點云密度。Arbe增加分辨率的方法是利用寬孔徑陣列，以低SLL提供1．25°方位角和1．5°仰角的物理3dB波束寬度，提高高動態(tài)范圍的可靠性和安全性。高物理分辨率和高動態(tài)范圍具有區(qū)分各種物體的能力，如卡車旁的摩托車、橋下的車輛和圍欄旁行人或路邊的車輛。

靜止和運動目標跟蹤

Arbe的基帶處理器（Everest）是自研的，集成了獲得專利的雷達處理單元（RPU）和嵌入式專有雷達信號處理算法，既可保持低功耗，又能實時處理和轉換大量原始數(shù)據(jù)，每秒生成30幀完整4D圖像，處理吞吐量達3Tb／秒。Everest處理器包括專用ASIL－D安全島，用于監(jiān)督系統(tǒng)的安全運行。連續(xù)內置雷達系統(tǒng)自檢符合ISO 26262標準。

Arbe開發(fā)的專有毫米波汽車級雷達RFIC芯片組包括24發(fā)和12收芯片，采用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。最新RF處理技術實現(xiàn)了每通道最低成本的先進RF性能。

Arbe雷達開發(fā)平臺

在算法方面，Arbe開發(fā)的專有后處理軟件棧包括為增強型FMCW TD－MIMO成像雷達優(yōu)化的基于雷達的SLAM解決方案，實現(xiàn)了實時聚類、跟蹤、自定位、假目標過濾和基于雷達／雷達－相機的目標分類。雷達數(shù)據(jù)后處理有助于跟蹤和對車輛整個視野中的目標進行分類，確定其方向和運動矢量，并提供精確和準確的自由空間映射。

現(xiàn)在，使用雷達傳感器的車輛越來越多，大多是在同一頻段發(fā)射，互干擾難以避免，探測漏報或錯報可能再次導致事故。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雷達發(fā)射機干擾，使性能下降最小甚至不會下降。

Arbe表示，隨著這項技術的進步，有望讓雷達從輔助配件升級為從L2到L5安全自動駕駛的核心。

頭部廠商不甘坐以待斃

作為行業(yè)龍頭的恩智浦也加快了與客戶合作的步伐。2020年6月，國內毫米波雷達廠商納瓦電子使用恩智浦的TEF82xx MMIC加SR32 MCU推出了4D成像雷達，據(jù)說比國外某廠商的產品性能提高兩倍，比國內2022H2 SOP的產品性能提升一倍，且量產早了18個月。

恩智浦4D成像雷達框圖

納瓦7GHz CMOS毫米波雷達用MIMO天線技術與ESPRIT（利用旋轉不變性技術估計信號參數(shù)）超分辨率算法相結合，采用復雜調試來提高抗干擾性；利用數(shù)字波束賦形和單脈沖解模糊提高角度精度和分辨率；用DBSCAN（基于密度的含噪聲應用空間聚類）算法與非線性卡爾曼濾波跟蹤算法結合精準計算目標航跡。

納瓦NOVA77GF－B 4D成像雷達

值得一提的是，在納瓦的產品中，既有恩智浦的芯片方案，也有TI的方案，還有總部位于上海張江的加特蘭微電子（Calterah）的芯片，只不過用途分別是角雷達、艙內雷達、尾門雷達、前向雷達。而且，在新產品中也有國產芯片的身影，值得點贊！

加特蘭4發(fā)8收77／79GHz雷達芯片

為了狙擊TI，6月初，恩智浦推出基于臺積電16nm工藝量產兩款車用芯片——汽車網(wǎng)絡處理器S32G2和雷達傳感器芯片組S32R2949。

S32R294可以處理4D點云雷達信號，將為主機廠提供擴展性解決方案所需的效能，包括先進轉角雷達、長距離前置雷達和先進多模式使用場景，如同步盲點偵測、變換車道輔助和仰角感測等。

特別是，S32R294與恩智浦上一代芯片S32R274尺寸一致，芯片外觀尺寸是7．5mm×7．5mm，但其性能提高了一倍。它可以實現(xiàn)超分辨算法、信號聚類、目標追蹤、決策等功能。目標級數(shù)據(jù)和決策指令通過CAN FD接口輸出到后端車身控制單元或ADAS域控制器。

這款6發(fā)8收毫米波雷達最多支持2片芯片級聯(lián)，其兩路MMIC是上面提到的TF82系列，通過LO相連實現(xiàn)芯片間同步。MMIC芯片的波形是由MCU通過SPI配置通道控制其波形發(fā)射。接收鏈路接收到的中頻信號也是通過MIPI－CSI接口傳輸回MCU做后續(xù)處理。

這表明恩智浦的雷達芯片非常靈活，可以處理從低端到高端的所有應用。雷達接收的通道數(shù)越多，其視場角就越寬，可以實現(xiàn)橫向防撞預警、代客泊車、4D點云成像等高級輔助駕駛功能。

軟件定義雷達大有可為

可以看到，現(xiàn)在雷達的趨勢是收發(fā)器越來越多，而一些公司也在利用軟件算法以虛擬孔徑來增加更多通道。虛擬孔徑技術的確是MIMO雷達的黑科技，目的是提高信噪比，也就是提高雷達的檢測能力，但又不大幅增加成本。這么好的方法，必然也有代價，如何將發(fā)射分開，防止波形互相干擾是有難度的。

另外，如果雷達廠商有自己獨到的軟件技術，也可以將芯片（硬件）的性能再度提升。究竟是采用傳統(tǒng)半導體大廠的技術，還是選擇后起之秀的方案還真是難以抉擇。