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#毫米波雷达进入4D点云成像时代
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加入高工智能汽车专业行业群（自动驾驶，车联座舱，商用车），加微信：17157613659出示名片，仅限智能网联软硬件供应商及OEM。随着传统毫米波雷达巨头大陆集团宣布2021年量产首个4D成像雷达解决方案（基于芯片极联+赛灵思FPGA），宝马成为首家量产汽车制造商，4D成像雷达也进入真正市场化元年。
华为也在去年北京车展亮相了首款自主研发的4D成像毫米波雷达，预计也将和华为的激光雷达一起在今年量产搭载自主品牌新车亮相。近日，第三款公开披露搭载4D成像毫米波雷达的车型也正式亮相。这款由麦格纳和Fisker合作的纯电动SUV Ocean预计将于2022年底推出。麦格纳在声明中表示，这套ADAS系统将使用数字成像雷达技术。这款雷达由初创公司Uhnder负责开发，被麦格纳称为“行业首个数字成像、单芯片雷达解决方案”。在谈及是否会使用激光雷达时，Fisker公司相关负责人表示，由于成本问题，将不会使用激光雷达，至少第一款车型不会。与摄像头和激光雷达不同，4D成像雷达继承了传统毫米波雷达的优点，比如在任何天气和环境条件下都能正常工作，包括雪雾、大雨等恶劣天气。性能提升主要体现在，不仅可以检测到物体的距离、相对速度和方位角，还可以检测到前方物体的垂直高度以及前方静止和横向移动物体。此外，高密度点云数据的输出，意味着感知算法可以识别并对前方物体进行大致分类，提供更准确的检测和跟踪。上游供应链的技术成熟以及传统巨头的验证，是催生4D成像雷达进入量产周期的关键驱动因素之一。去年底，传统雷达芯片巨头NXP宣布推出新的TEF82xx单芯片方案，支持76-81GHz频段，可用带宽高达4GHz。一个6位相位旋转器，支持调制MIMO和波束转向。一个或多个TEF82xx芯片可以与恩智浦新的S32R294和S32R45 4D成像雷达SoC解决方案配对。其中，S32R294解决近距离角和前/后雷达应用，而S32R45提供4D成像的特征检测和分类支持。而大陆集团的4D成像雷达则基于Xilinx的FPAG方案部署，以及一个带有数字波束形成的天线阵列，28个物理和192个虚拟天线通道生成高分辨率雷达图像。此次麦格纳选择的方案，来自于Uhnder，一家位于德克萨斯州的数字成像4D雷达芯片开发公司，提供了比传统的模拟调频（FMCW）更好的分辨率和探测能力。
Uhnder公司的雷达芯片是一种软件定义的硬件模式，结合了数字信号处理技术，名为数字编码调制(DCM)，使用一个相位来调制发射信号，而不是在给定的时间周期内的频率，然后添加数字代码到相位，以实现更精确的测量。Uhnder的这颗RoC，集成了一个77-79GHz的收发器，具有12个发射通道和16个接收通道，可被时间复用到两组天线，覆盖方位角和仰角。该公司介绍，该RoC架构可以处理多达192个虚拟接收通道，无需额外增加射频PCB电路，从而实现高角度分辨率。
此外，整个系统包括模拟前端、基带、数字前端、后端和后雷达检测信号处理，集成在一颗SoC上。该公司表示，这有助于最大化单芯片性能并减少延迟。传统雷达巨头海拉，也已经进行布局。作为与傲酷公司的第一个联合开发项目，目标是在2023年SOP成像雷达解决方案，基于后者的虚拟孔径成像技术。此外，去年的12月19日，全球雷达芯片巨头英飞凌宣布和傲酷进行战略合作，同样基于后者的虚拟孔径高清成像软件技术, 大幅提升针对L2/3级量身定制的77G单芯片解决方案的角分辨率性能。一些行业人士表示，考虑到越来越复杂的自动辅助驾驶系统以及高级别自动驾驶的市场需求，增加更多的传感器已经成为无法避开的路线选择。但，随之而来的，就是增加的成本和多传感器融合带来的潜在开发复杂性和工程验证的难度。由于4D成像雷达传感器技术改变了游戏规则，用多功能、可扩展的平台取代更多昂贵传感器完全有可能。由于市场需求的启动，Uhnder公司在日前宣布已完成4500万美元的融资，总融资金额已超过1.45亿美元，投资者包括麦格纳、上汽集团和TDK等行业巨头。按照计划，该公司的首款车规级4D成像雷达Voxel将于2021年投产，包含芯片和4D成像软件算法。4D成像雷达的导入，还有更重要的原因来自于ADAS功能向高级别自动驾驶技术迭代的成本考量，比如整车360度感知。目前，从方案成本构成来看，激光雷达的导入更多是补充前向感知的冗余，保证在中高速场景下的障碍物精准感知。前期，激光雷达的上车数量以1-2个为主。而4D成像雷达可以在低成本要求下（目前，1R+2R，1R+4R的配置已经是主流趋势，相比传统雷达，成本增加相对可控），更好的帮助L2+/L3自动驾驶系统实现感知冗余以及与摄像头的融合感知。此外，由于没有增加新的传感器，4D成像雷达可以更快速针对现有的感知算法、模型进行调整，减少研发工作，并可以加快新车型的上市时间。同时，由于传统雷达供应链核心角色（比如NXP）的参与，使得相比于激光雷达全新的供应链体系，4D成像雷达更容易得到汽车制造商的认可，比如可靠性。目前，在全球范围内，除了Waymo已经在第五代自动驾驶感知套件中推出4D成像雷达，在量产车市场领跑的特斯拉也已经披露相关消息。在现有车型的雷达方面，特斯拉一直采用大陆集团的ARS410型号雷达（更早一代使用的博世雷达），其探测范围为160米。三年前，特斯拉还专门从德尔福挖来了雷达系统负责人，目的就是改善雷达性能，比如能否得到粗糙的点云。有消息称，特斯拉正在寻求4D成像技术更新现有的雷达配置，一家名为Arbe Robotics的以色列初创公司正在进行洽谈对接。Arbe公司也是自主设计芯片，将由Global Foundry公司采用22nm SOI工艺代工。在前端，它允许提高频率；在数字端，可以集成足够高级的模块。
天线架构有48Tx和48Rx，内部处理器被设计用来运行系统并处理数据以输出4D点云，目标是达到分别为1度和2度的方位、俯仰角分辨率。有一些特斯拉发烧友透露，在最近的Autopilot软件更新中增加了名为“Phoenix”的新雷达选项，巧合的是，这个名称正是Arbe公司对于4D雷达的产品命名。这种4D成像雷达还有更多的用武之地，比如舱内监控。早前特斯拉已经发布消息，希望获准使用未经许可的短程毫米波传感器（功率将高于现有法规允许的水平），帮助防止儿童被遗忘在炎热的密闭车内，并增强防盗系统。近日，另一家雷达芯片初创公司Vayyar，就推出了第一款汽车级RoC（Radar on chip），搭载48个收发天线+数字信号处理器(DSP)+实时信号处理微控制器单元(MCU)。在座舱内，一个多功能的Vayyar芯片可以支持多种系统，包括入侵者警报、儿童遗忘检测、增强的安全带提醒和在事故发生时提醒紧急服务的呼叫。这款雷达方案的成本，和目前市场上主流的3发4收毫米波雷达相当，但提供了更高的分辨率和更宽视场角，此外还可以支持实现软件OTA更新。和几年前相比，目前整个4D成像雷达的产业链上下游已经开始进入积极落地的周期，而不再只是停留在秀Demo的阶段。按照公开披露的信息，NXP最新的TEF82xx方案采用16nm FinFET和40nm RFCMOS技术，将于2021年开始批量生产。此外，NXP已经推出一款车规级的AI工具包，4D成像雷达也将使用神经网络根据其点云图像对道路使用者及障碍物进行分类。考虑到该公司此前在全球毫米波雷达市场的较高芯片方案占有率，这意味着，下游雷达厂商会很快跟进。按照高工智能汽车研究院的判断，2021-2023年将是4D成像雷达搭载新车型上市的第一波市场高峰期。