yole發(fā)布的《2020年雷達產(chǎn)業(yè)態(tài)勢報告：廠(chǎng)商、應用與技術(shù)趨勢》指出，到2025年，汽車(chē)市場(chǎng)預期將以11%的CAGR增長(cháng)，因為汽車(chē)應用雷達已成為標準設備，在測試場(chǎng)景變得更嚴苛之后，有兩大趨勢正在涌現：第一是向能更準確描述車(chē)輛前后方場(chǎng)景的成像雷達前進(jìn)；第二是增加車(chē)輛各處傳感器的數量，通過(guò)協(xié)調來(lái)改善場(chǎng)景知覺(jué)。近年來(lái)出現的4D成像毫米波雷達恰恰反映了這些趨勢。

 

1、4D毫米波雷達補短板

 

傳統毫米波雷達不具備測高能力，難以判斷前方靜止物體是在地面還是在空中，無(wú)法細化剎車(chē)場(chǎng)景，如井蓋、減速帶等無(wú)需剎車(chē)的地面低小障礙物；交通標識牌、龍門(mén)架、立交橋等無(wú)需剎車(chē)的空中障礙物；以及需要剎車(chē)的車(chē)輛、三角錐桶等路面上較大障礙物。為此，為避免誤剎車(chē)頻發(fā)，AEB算法便決定降低毫米波雷達的置信度權重，以視覺(jué)感知結果為主。然而，視覺(jué)感知的挑戰在于，目標障礙物必須經(jīng)過(guò)提前訓練，而模型庫又不可能窮舉所有類(lèi)型，所以很多靜態(tài)障礙物成了“漏網(wǎng)之魚(yú)”，此外即使有模型庫，另一個(gè)挑戰在于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )能否正確識別出前方障礙物。因此，便經(jīng)常出現明明前方有障礙物、自動(dòng)駕駛汽車(chē)卻依然撞上去的結果。

 

4D毫米波雷達又稱(chēng)為成像雷達，“4D”是指在原有距離、方位、速度的基礎上增加了對目標的高度維數據解析，能夠實(shí)現“3D+速度”四個(gè)維度的信息感知。

 

而“成像”概念是指其具備超高的分辨率，可以有效解析目標的輪廓、類(lèi)別、行為。這意味著(zhù)4D毫米波雷達系統可以適應更多復雜路況，包括識別較小的物體，被遮擋的部分物體以及靜止物體和橫向移動(dòng)障礙物的檢測等。

 

升級為4D毫米波雷達，AEB算法便可更多考慮毫米波雷達的感知結果，從而以更高概率識別路面上的靜態(tài)障礙物，結合其高分辨率帶來(lái)的優(yōu)勢，可以更有效地解析目標的輪廓、類(lèi)別、行為，進(jìn)而能知道在什么情況下必須剎車(chē)（避免漏剎）。

 

2、軟硬兼施實(shí)現量產(chǎn)

 

在毫米波雷達芯片圈內，頭部廠(chǎng)商都認為實(shí)現4D成像的關(guān)鍵在于多天線(xiàn)，技術(shù)門(mén)檻并不高。多年來(lái)，市場(chǎng)一直由英飛凌和恩智浦把持。2020年初，英飛凌宣布與首創(chuàng )車(chē)載4D高清點(diǎn)云成像雷達的美國傲酷（Oculi）合作，進(jìn)入汽車(chē)級成像雷達市場(chǎng)，但至今還沒(méi)有看到產(chǎn)品。

為了搶占市場(chǎng)，德州儀器（TI）2016年底推出基于CMOS工藝的高集成度77GHz毫米波雷達傳感器AWR1642系列，是為適用中短距場(chǎng)景的集成DSP和MCU的單芯片產(chǎn)品，在長(cháng)距毫米波雷達芯片組市場(chǎng)仍甘拜下風(fēng)。

 

既然無(wú)法與毫米波雷達芯片巨頭正面較量，只能走曲線(xiàn)救國的道路。何以見(jiàn)得？上面提到的傲酷首創(chuàng )了車(chē)載4D成像雷達，活學(xué)活用的就是德州儀器的芯片。

 

德州儀器4D成像毫米波雷達概念于2018年底拋出，推出了基于A(yíng)WR2243 FMCW（調頻連續波）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，最難搞的天線(xiàn)也融入其中，內嵌四元件串饋貼片（4-element series-fed patch）天線(xiàn)。

 

 

AWR2243的PCB天線(xiàn)

 

AWR2243 FMCW收發(fā)器基于TI的低功耗45nm RFCMOS工藝，以單片實(shí)現具有內置PLL和A2D轉換器的3Tx和4Rx系統。簡(jiǎn)單的編程模型更改可以實(shí)現多種傳感器實(shí)現方式（短、中、長(cháng)），并可動(dòng)態(tài)重新配置以啟用多模傳感器。AWR2243收發(fā)器作為完整的平臺解決方案提供，包括參考硬件設計、軟件驅動(dòng)程序、示例配置、API指南和用戶(hù)文檔。

 

垂直裝配的EVM樣機

 

算法包括MATLAB MIMO和波束形成兩種選擇，交鑰匙工程讓4D成像毫米波雷達技術(shù)門(mén)檻為之大降。也讓傲酷們得以率先嘗鮮。

 

AWR2243是一款76GHz至81GHz汽車(chē)類(lèi)第二代高性能MMIC。目前已成為中國乃至全球4D成像毫米波雷達主要采用的級聯(lián)方案，有追求低成本的2片級聯(lián)，也有追求高性能的4片級聯(lián)。

 

 

2片級聯(lián)成像雷達

 

2021年3月，傲酷用TI芯片實(shí)現了超高角分辨率4D成像前向雷達Eagle，是一個(gè)軟硬兼施方式做出的產(chǎn)品。Eagle 77GHz成像雷達使用的是市場(chǎng)流行的TI毫米波雷達芯片，傲酷獨有的軟件使毫米波雷達實(shí)現了4D高清成像，探測距離在350米以上。

 

Eagle在雙芯片平臺上實(shí)現了寬視野范圍內的高角度分辨率和仰角信息，通過(guò)專(zhuān)有的AI算法驅動(dòng)的虛擬孔徑成像軟件，角度分辨率提高了50-100倍；多虛擬天線(xiàn)方式徹底解決了困擾車(chē)載毫米波雷達界幾十年來(lái)只能用增加實(shí)體天線(xiàn)數量提高角分辨率的難題，用軟件重新定義了雷達。同時(shí)4D成像雷達產(chǎn)品的BOM成本和普通毫米波雷達差不多，但性能卻實(shí)現了碾壓。

 

Eagle可在120°水平/30°垂直寬視場(chǎng)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(dòng)駕駛應用，包括高分辨率雷達測繪和定位、自主路徑規劃和避障、目標檢測和跟蹤、室內導航、虛擬圍欄等。

 

傳統商用雷達與傲酷雷達對比

 

傳統雷達波形是單頻、重復、非自適應的，產(chǎn)生多種波形的唯一方法是增加接收天線(xiàn)數量。虛擬孔徑成像波形是自適應的相位調制。每根接收天線(xiàn)在不同時(shí)間產(chǎn)生不同的相位響應，然后對數據進(jìn)行插值和外推，創(chuàng )造一個(gè)“虛擬孔徑”。使用人工智能從環(huán)境中學(xué)習和適應的智能軟件可以伴隨成倍增長(cháng)的數據而不斷改進(jìn)。

 

傳統雷達波形與虛擬孔徑成像波形

 

傳統雷達的分辨率取決于天線(xiàn)數量。這意味著(zhù)性能是固定的，需要更多的硬件——更多天線(xiàn)、更多處理、更大尺寸和額外成本——來(lái)實(shí)現更高的角分辨率。額外的實(shí)體天線(xiàn)可以線(xiàn)性增加性能，但成本、尺寸和功耗呈指數增長(cháng)，限制了商用雷達中可使用的天線(xiàn)數量。

 

Eagle用低成本、低功耗的雙芯片（6T8R）硬件平臺可提供傳統雷達用8芯片級聯(lián)（24T32R）才能達到的角分辨率。通過(guò)軟件計算和數據實(shí)現更高的角分辨率，可以遵循摩爾定律的指數級增長(cháng)，實(shí)現更長(cháng)的探測距離和低成本。

 

 

“基陣”物理MIMO接收機數量與角分辨性能趨勢

 

據介紹，傲酷的高分辨率點(diǎn)云數據可以在原始數據層面與其他傳感器，如攝像頭、激光雷達等融合，實(shí)現深度傳感器融合能力，保證全天候條件下運行，得到最好的跟蹤結果。

 

3、狙擊TI 4D雷達處理器

 

雖然毫米波雷達芯片老大英飛凌還沒(méi)有動(dòng)靜，恩智浦卻早已坐不住了。6月初，恩智浦宣布推出基于臺積電16nm工藝量產(chǎn)兩款車(chē)用芯片——汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )處理器S32G2和雷達信號處理器S32R2949（雷達傳感器芯片組），并表示為將來(lái)采用臺積電5nm工藝鋪路。

 

S32R294芯片

 

S32R294可以處理4D點(diǎn)云雷達信號，將為主機廠(chǎng)提供擴展性解決方案所需的效能，包括先進(jìn)轉角雷達、長(cháng)距離前置雷達和先進(jìn)多模式使用場(chǎng)景，如同步盲點(diǎn)偵測、變換車(chē)道輔助和仰角感測等。

 

 

S32R294應用級聯(lián)框圖

 

S32R294與恩智浦上一代芯片S32R274尺寸一致，芯片外觀(guān)尺寸是7.5mm×7.5mm，但其性能提高了一倍。S32R294有兩個(gè)Power Architecture e200z7 32-bit內核，用于雷達信號的后處理和任務(wù)調度，如超分辨算法、信號聚類(lèi)、目標追蹤等。它還有一對鎖步z4內核，用于運行與功能安全相關(guān)的軟件，如AUTOSAR OS、輸出決策指令等。

 

S32R294框圖

 

S32R294內置雷達信號加速單元，簡(jiǎn)稱(chēng)SPT2.8，對雷達中頻信號的FFT、求模、峰值檢測、直方圖統計等最耗資源的運算進(jìn)行硬件加速，是專(zhuān)門(mén)針對FMCW雷達的信號處理加速單元。

 

S32R294與上一代處理器的軟件復用率高達80%。得益于16nm工藝，S32R294的功耗不到上一代55nm工藝處理器的一半，在0.9W左右，有助于客戶(hù)開(kāi)發(fā)高性、能低功耗的毫米波雷達產(chǎn)品。

 

S32R294處理器已獲得ASIL D ISO26262認證。其專(zhuān)門(mén)的硬件加密引擎CSE（Cyptographic Services Engine）支持安全啟動(dòng)（security boot）等高階加密算法。

 

S32R294的多種配置支持從入門(mén)到高端的全系應用開(kāi)發(fā)，如一發(fā)三收、三發(fā)四收、六發(fā)八收等中頻信號處理。中頻信號處理主要是獲得距離、速度和角度信息，其中基礎距離、速度、角度信息由SPT2.8計算求得，后續數據交由Z7和Z4核實(shí)現超分辨算法、信號聚類(lèi)、目標追蹤、決策等功能。目標級數據和決策指令通過(guò)CAN FD接口輸出到后端車(chē)身控制單元或ADAS域控制器。

 

六發(fā)八收毫米波雷達最多支持2片芯片級聯(lián)，其兩路MMIC是恩智浦TF82系列微波集成電路，通過(guò)LO相連實(shí)現芯片間同步。MMIC芯片的波形是由MCU通過(guò)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(guò)MIPI-CSI接口傳輸回MCU做后續處理。

 

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。雷達接收的通道數越多，其視場(chǎng)角就越寬，可以實(shí)現橫向防撞預警、代客泊車(chē)、4D點(diǎn)云成像等高級輔助駕駛功能。

 

S32R294目標雷達應用

 

與德州儀器如出一轍，恩智浦還為S32R29提供了開(kāi)發(fā)汽車(chē)雷達應用的MCU評估板。評估板可以訪(fǎng)問(wèn)以太網(wǎng)和CAN、MIPI-CSI2等通信接口，與雷達收發(fā)器和GPIO接頭連接訪(fǎng)問(wèn)其他MCU功能。

 

 

S32R29 EVB汽車(chē)雷達應用評估板

 

S32R29 EVB還有助于軟件開(kāi)發(fā)和評估信號處理工具包，提高雷達數學(xué)速度、S32R29 MCU的功能安全或信息安全。這樣做無(wú)非是想幫助雷達廠(chǎng)商采用這款芯片做出產(chǎn)品，盡快實(shí)現量產(chǎn)。

 

4、做貼合國情的4D成像雷達

 

中國路況復雜程度盡人皆知，要不特斯拉也不會(huì )水土不服。為此，不做整車(chē)的華為也是不遺余力在研發(fā)各種感知技術(shù)，高分辨4D成像雷達便是其中之一。

 

華為認為，近年來(lái)自動(dòng)駕駛事故中感知不足是重要原因之一是不能有效識別靜止車(chē)輛或事故車(chē)輛，對隔離樁或護欄判斷不準，這些都會(huì )導致嚴重事故。高分辨4D成像雷達可以檢測目標的4個(gè)維度，包括速度、距離、水平角度和垂直角度，解決傳統雷達水平分辨能力不足、不支持垂直分辨、導致看不清和看不準的問(wèn)題。4D成像雷達滿(mǎn)足全目標、全覆蓋和多工況感知要求，逐步接近了理想傳感器目標，將與攝像頭、激光雷達形成有效融合和冗余。

 

在大幅提升分辨率、目標檢測的置信度和檢測范圍（如距離和視場(chǎng)角（FOV））的同時(shí)，4D成像雷達進(jìn)化出像激光雷達一樣的高密度點(diǎn)云，實(shí)現豐富的感知增強應用，如環(huán)境刻畫(huà)、雷達構圖、定位等，還可通過(guò)多雷達點(diǎn)云級融合，更好地實(shí)現車(chē)周360°檢測。

 

華為高分辨率4D成像雷達

 

華為高分辨率4D成像雷達能力的提升體現在3個(gè)方面：

 

大陣列高分辨率。12個(gè)發(fā)射通道，24個(gè)接收通道，比常規毫米波3發(fā)4收天線(xiàn)配置提升了24倍，比典型成像雷達多50%接收通道。據說(shuō)這是短期可量產(chǎn)最多天線(xiàn)配置的成像雷達。

 

大視場(chǎng)無(wú)模糊。水平視場(chǎng)從90°提升到120°，垂直視場(chǎng)從18°提升到30°（與傲酷相當），縱向探測距離從200米提升到300米以上。

 

4D高密度點(diǎn)云。4D點(diǎn)云包括速度、距離、水平角度和垂直角度，相比激光雷達點(diǎn)云多了一個(gè)速度維度對目標進(jìn)行解析。

 

在實(shí)測中，華為高分辨率4D成像雷達展示了一些特色：

 

在前方擁堵時(shí)，實(shí)現130km/h下舒適性剎停；

 

錐桶探測距離達110米，可分辨護欄旁的靜止車(chē)輛；

 

被遮擋或部分遮擋目標感知，可以看到前車(chē)、前前車(chē)和前前前車(chē)，甚至可以看到前前車(chē)的大致底盤(pán)輪廓，通過(guò)對前前車(chē)感知，可以提前預判前車(chē)急減速等動(dòng)作，減少連環(huán)追尾風(fēng)險。

 

 

非視距前前車(chē)感知

 

華為智能汽車(chē)解決方案BU Marketing與銷(xiāo)售服務(wù)部總裁遲林春在介紹智能駕駛業(yè)務(wù)進(jìn)展情況時(shí)表示：“華為的天線(xiàn)已經(jīng)做到128發(fā)128收，非常先進(jìn)，華為的毫米波雷達是在通信技術(shù)的基礎上開(kāi)發(fā)出來(lái)的。”

 

5、性能之爭變本加厲

 

TI的AWR2243是3發(fā)4收，可以4片級聯(lián)，實(shí)現12發(fā)16收；采用TI AWR2243的傲酷Eagle是雙芯片6發(fā)8收，由于有軟件幫助，可以實(shí)現24發(fā)32收；恩智浦S32R294最多支持6發(fā)8收，支持2片級聯(lián)，就是12發(fā)16收（與TI相當）；華為目前是12發(fā)24收?？梢钥闯隼走_廠(chǎng)商如果有自己獨到的軟件技術(shù)，可以將芯片（硬件）的性能再度提升。

 

還有一家國內毫米波雷達廠(chǎng)商使用恩智浦2020年12月推出的TEF82xx MMIC做出了4D成像雷達，據說(shuō)比國外某廠(chǎng)商的產(chǎn)品性能提高兩倍，比國內2022H2 SOP的產(chǎn)品性能提升一倍，且早18個(gè)月量產(chǎn)。其技術(shù)細節尚未拿到，之后再予以介紹。