鋼鐵俠伊隆·馬斯克(Elon Musk)對車載激光雷達(dá)技術(shù)的鄙視盡人皆知。

“使用車載激光雷達(dá)很蠢，任何依賴激光雷達(dá)的人都注定要失敗(doomed)”、“昂貴的傳感器是不必要的，這就像是一大堆昂貴的附屬品”、“虛假和愚蠢=高精地圖和激光雷達(dá)(False and foolish = HD maps and LiDAR)”、“我們要拋棄激光雷達(dá)，記住我的話，這就是我的態(tài)度”...... 2019年4月，他在特斯拉自動(dòng)駕駛開放日上說的這些話仿佛還在耳邊。

他相信計(jì)算機(jī)視覺，相信只用攝像頭和雷達(dá)傳感器就能搞定自動(dòng)駕駛。據(jù)消息人士稱，特斯拉正準(zhǔn)備更新Model 3，超高分辨率的4D成像雷達(dá)或?qū)⑹歉碌囊徊糠帧１M管上述消息還未得到最終確認(rèn)，但考慮到頭部廠商強(qiáng)大的示范效應(yīng)，以及支持者普遍認(rèn)為“未來特斯拉FSD 全視覺與4D成像雷達(dá)融合將是精明之舉”的態(tài)度，我們似乎很有必要對“4D成像雷達(dá)”的魔力進(jìn)行一番探究。

讓悲劇不再發(fā)生

成像雷達(dá)是一項(xiàng)突破性的技術(shù)，可以在任何光照或天氣條件下，將雷達(dá)的功能從測量距離、速度擴(kuò)展到涵蓋距離(Range)、方位(Azimuth)、俯仰角(Elevation)和相對速度的測量，顯著增強(qiáng)了雷達(dá)的性能。通俗地講，與現(xiàn)有傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)相比，4D成像雷達(dá)在水平和俯仰方向上的分辨率得到了極大提高，所以它才能夠不僅可以“理解”水平面，還可以“理解”垂直平面，真正把前方探測到的物體輪廓大概描繪出來，從而幫助車輛判斷是在物體“下方”還是“上方”行駛。

這其實(shí)讓我們想起了2016年5月在美國佛羅里達(dá)州27A高速公路上發(fā)生的悲劇。一輛特斯拉Model S與一輛橫穿的拖掛車相撞，導(dǎo)致駕駛員喪生。據(jù)多數(shù)媒體報(bào)道，配備攝像頭和傳統(tǒng)2D雷達(dá)的Model S誤認(rèn)為車輛可以從拖掛車的底部行駛過去。所以反對者將“全視覺+毫米波雷達(dá)”組合稱之為“靜止的公路殺手”也不足為奇，問題之一就是毫米波雷達(dá)并不是不能檢測靜止物體，但是會過濾掉靜止物體。

Yole Développement預(yù)計(jì)4D成像雷達(dá)將首先出現(xiàn)在豪華轎車和自動(dòng)駕駛出租車上，這會帶來5.5億美元以上的投資，并在2020年至2025年間以124%的復(fù)合年增長率(CAGR)增長。

先讓我們看看與成像雷達(dá)相關(guān)的幾種典型應(yīng)用場景：

一是如果當(dāng)較小的物體(如行人或摩托車手)與較大的物體(如卡車或其他障礙物)混雜或被掩蓋時(shí)，成像雷達(dá)系統(tǒng)可以識別，并且可以確定一個(gè)區(qū)域的物體是靜止的還是運(yùn)動(dòng)的，以及它們朝哪個(gè)方向移動(dòng)，且可以提供檢測范圍超過300m的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

二是以汽車行駛在隧道中為例，得益于俯仰角探測性能的提升，成像雷達(dá)現(xiàn)在可以測量整個(gè)隧道的長度和寬度，并且能感知物體的幾何形狀，當(dāng)隧道中出現(xiàn)其它的交通參與者時(shí)，比如卡車、摩托車和汽車，成像雷達(dá)就可以提供高分辨率圖像。換言之，汽車的視覺更加先進(jìn)了。

三是假如汽車以每小時(shí)80公里的速度在高速公路上行駛，而摩托車(一種反射率低的小物體)以每小時(shí)200公里的速度從后面駛來時(shí)。與攝像頭和激光雷達(dá)不同，成像雷達(dá)可以在最初相距較遠(yuǎn)時(shí)就識別到摩托車，并可識別出這兩個(gè)物體在以兩種不同的速度運(yùn)動(dòng)。

這意味著，成像雷達(dá)不僅提供多模功能，還通過提供超高分辨率圖像，實(shí)現(xiàn)了精確的環(huán)境地圖繪制和場景感知，從而擴(kuò)展了當(dāng)前可用的L2+級自動(dòng)駕駛功能，例如高速巡航和變道輔助。而當(dāng)自動(dòng)駕駛等級上升至L3及以上時(shí)，恩智浦半導(dǎo)體大中華區(qū)汽車電子首席系統(tǒng)架構(gòu)師黃明達(dá)博士認(rèn)為，4D成像雷達(dá)將能夠?qū)崿F(xiàn)建圖、定位、物體輪廓描繪、被測物體分類等多重功能。與攝像頭，或是模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合后，成像雷達(dá)系統(tǒng)就能夠在1°方位角和2°仰角的高分辨率下，以±60度FoV(也有說是100°FoV)感知周邊環(huán)境，這種增強(qiáng)“感知能力”對于復(fù)雜駕駛環(huán)境中實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛極為重要。

成像雷達(dá)市場逐步升溫

“在過去兩年的時(shí)間里，自動(dòng)駕駛汽車市場正在慢慢降溫，人們對于全自動(dòng)駕駛的關(guān)注度并不高，幾乎沒有廠商在研究L5的全自動(dòng)駕駛，大部分是在研究L3的量產(chǎn)，在接下來3至5年的時(shí)間里都是相同的情況，所以我覺得在這樣一個(gè)領(lǐng)域，成像雷達(dá)相較于激光雷達(dá)是有優(yōu)勢的?！倍髦瞧?NXP)執(zhí)行副總裁兼首席技術(shù)官Lars Reger日前在接受《電子工程專輯》采訪時(shí)給出了上述的判斷。

恩智浦一直是汽車?yán)走_(dá)解決方案領(lǐng)域的領(lǐng)先者，他們希望用成像雷達(dá)替代激光雷達(dá)的想法已經(jīng)有6年之久了。

在CES 2021上，恩智浦推出了由S32R45雷達(dá)處理器與TEF82xx全集成77GHz RFCMOS汽車?yán)走_(dá)收發(fā)器組成的成像雷達(dá)解決方案，以及基于此形成的可擴(kuò)展角雷達(dá)和前向雷達(dá)解決方案。它不僅能提供高分辨率圖像，確保車輛的所有位置都能夠覆蓋雷達(dá)，還可以對汽車進(jìn)行360度的安全環(huán)繞式探測，并支持成像雷達(dá)目標(biāo)識別和分類功能，這對于在城市環(huán)境中的行車和自動(dòng)泊車至關(guān)重要。

恩智浦S32R45雷達(dá)處理器結(jié)構(gòu)框圖

恩智浦并不是唯一關(guān)注4D成像雷達(dá)的公司。大陸集團(tuán)在2020年9月宣布其新型ARS 540先進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)利用賽靈思公司的Zynq UltraScale+ MPSoC平臺提供4D成像雷達(dá)解決方案。據(jù)稱這項(xiàng)解決方案已做好量產(chǎn)部署準(zhǔn)備，預(yù)計(jì)將在2021年搭載于乘用車上。

大陸集團(tuán)新型ARS 540先進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)

初創(chuàng)公司Arbe Robotics是傳言中和特斯拉走的最近的公司，其4D成像雷達(dá)芯片組提供的物理分辨率據(jù)稱是競爭對手使用的合成或統(tǒng)計(jì)分辨率增強(qiáng)方法的2到10倍，還因此獲得了2020年愛迪生獎(jiǎng)。其雷達(dá)芯片組可提供48個(gè)接收通道和48個(gè)傳輸通道的實(shí)時(shí)管理，在保持每秒3兆比特的等效處理吞吐量的同時(shí)，可生成30幀/秒的完整4D圖像。

Vayyar Imaging公司高度集成單芯片RF SoC也具備創(chuàng)建高分辨率4D圖像的能力，覆蓋3~10GHz、57~64GHz、以及77~81GHz頻段。2020年初，Vayyar宣布與總部位于日本的汽車零部件供應(yīng)商Aisin Seiki建立合作伙伴關(guān)系，共同開發(fā)汽車4D高分辨率短距離外部傳感器，用于盲點(diǎn)檢測等應(yīng)用。

2020年初，傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)巨頭海拉宣布與傲酷雷達(dá)(Oculii)建立戰(zhàn)略伙伴關(guān)系并且參與了戰(zhàn)略投資，通過整合后者開發(fā)的4D高清成像雷達(dá)軟件方案，進(jìn)一步提升77GHz雷達(dá)的性能。雙方預(yù)計(jì)首款產(chǎn)品將在2023年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。同時(shí)，傲酷雷達(dá)也在自己獨(dú)立開發(fā)4D成像雷達(dá)產(chǎn)品，直接面對車廠提供產(chǎn)品。

總體來看，目前市場上4D成像雷達(dá)主要采用四類方案，包括將77G和79G標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)芯片通過二級/四級聯(lián)/或八級聯(lián)增加實(shí)體天線MIMO的方式;或者采用4D成像專用芯片、超材料或者SAR成像、特殊天線陣等方式來實(shí)現(xiàn)。

雷達(dá)級聯(lián)是用于開發(fā)成像雷達(dá)的技術(shù)之一。在這種傳感器配置中，多個(gè)低功率毫米波傳感器級聯(lián)在一起，并作為單個(gè)單元同步運(yùn)行。這就有了多個(gè)接收和發(fā)射通道，從而顯著提高了角分辨率和測距性能。集成的移相器用于創(chuàng)建波束成形，可以將檢測范圍擴(kuò)大到400m。

使用超材料開發(fā)雷達(dá)結(jié)構(gòu)是一種新興的技術(shù)趨勢。超材料在表面上嵌入了顯微結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)電磁波濾波器的小型化。這些結(jié)構(gòu)可以與電磁波傳播技術(shù)結(jié)合使用，創(chuàng)建出比傳統(tǒng)電路要小很多的電路。Yole Développement早在2018年秋季的一份雷達(dá)報(bào)告中就曾寫到，以Metawave和Uhnder為代表的一些創(chuàng)新型初創(chuàng)公司正在采取顛覆性技術(shù)來滿足高分辨率傳感器的要求，例如“采用超薄可操縱光束和人工智能引擎進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，或?yàn)楦叻直媛食上窭走_(dá)采用前所未有的高通道數(shù)?！爆F(xiàn)在來看，應(yīng)該指的就是他們現(xiàn)在所推出的超材料電子掃描陣列(MESA)雷達(dá)。

會取代激光雷達(dá)嗎?

Lars Reger曾就自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中雷達(dá)的發(fā)展趨勢與媒體進(jìn)行過多次交流。他解釋說，不論是采用雷達(dá)還是攝像頭技術(shù)，最終目的是希望車輛擁有一個(gè)自我反射系統(tǒng)。就好比我們走路摔倒，脊椎會做出本能的生理反射，讓身體找到平衡一樣，自動(dòng)駕駛的車輛也要擁有一個(gè)這樣的系統(tǒng)：例如攝像頭可以探測到車輛前方的物體;雷達(dá)能夠告知車輛前方有障礙并發(fā)出警示……在車輛收集到相關(guān)信息后，大腦就會啟動(dòng)，并做出決定。只不過，我們現(xiàn)在還無法完全信賴這一系統(tǒng)，因?yàn)閿z像頭的像素不夠高，雷達(dá)的像素也無法達(dá)到我們所需要的水平，難免存在一些障礙。

黃明達(dá)認(rèn)為，從成本角度看，毫米波雷達(dá)肯定比激光雷達(dá)成本低;從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度看，毫米波雷達(dá)產(chǎn)業(yè)成熟年份比激光雷達(dá)早5-10年左右，尤其相較固態(tài)激光雷達(dá)更是如此，所以毫米波雷達(dá)成本非常有優(yōu)勢。

聆英咨詢的報(bào)告顯示，攝像頭與毫米波雷達(dá)成本攝像頭單價(jià)一般在600元以下，其中單目攝像頭單價(jià)區(qū)間大致在150~600元左右，環(huán)視攝像頭區(qū)間在70~500元左右。毫米波雷達(dá)市場中，近程雷達(dá)單價(jià)在300~400元左右，遠(yuǎn)程雷達(dá)在800~1200元左右。由Mobileye提供的自動(dòng)駕駛視覺方案單車總價(jià)在幾百美元。

但在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域中，由于各具優(yōu)劣勢，毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)和攝像頭在L3以上自動(dòng)駕駛中通常是作為互為冗余、互為備份的系統(tǒng)出現(xiàn)的。例如激光雷達(dá)在雨霧、沙塵的天氣情況下就很難實(shí)現(xiàn)它所聲稱的性能;攝像頭對光線則會比較敏感;而傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)盡管全天候能力最強(qiáng)，但除了缺少高度維度的感知外，水平角分辨率低、難以檢測橫穿目標(biāo)和靜止目標(biāo)等也是瓶頸。

所以，綜合來看，“未來的技術(shù)發(fā)展并非幾種方向選擇其一這么簡單。”一方面，無論從自動(dòng)駕駛還是輔助駕駛的角度來看，視覺和雷達(dá)的多傳感功能在很長一段時(shí)間內(nèi)都會共存，成像雷達(dá)的發(fā)展仍處于早期，談取代尚為時(shí)過早，一切都還是未知數(shù)。另一方面，由于中國攝像頭技術(shù)的發(fā)展水平遠(yuǎn)超國外，因此，越來越多的中國ADAS廠商會采用毫米波雷達(dá)結(jié)合攝像頭的技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛L1、L2甚至部分L3的功能。

在此基礎(chǔ)之上，從高識別率、高分辨率、高精度的成像雷達(dá)發(fā)展趨勢來看，一定程度上它可以作為激光雷達(dá)目前高成本情況下對市場的補(bǔ)充。換言之，在某些L3-L5的試驗(yàn)場合下，可以采用成像雷達(dá)作為補(bǔ)充，無需采用達(dá)到64線高分辨率的激光雷達(dá)，而采用16線相對成本較低的激光雷達(dá)方案，以達(dá)到近似效果，這也是一種平衡的考量。

原文標(biāo)題：4D成像雷達(dá)，讓“靜止的公路殺手”不再出沒

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