汽車3D雷達竿頭日上，為什么又出了4D成像？

12 月 12 日晚，特斯拉 Model S 突然叕失控，在北京航天橋附近一小區(qū)內上演“失控門”，以 80km/h 的速度鉆入居民樓半地下陽臺。埃隆?馬斯克總得想點辦法對付這些“看不見”的龐然大物吧？本文下面會提及他的辦法是什么。

龐大物體視而不見屢見不鮮

對雷達來說，汽車應用已來到一個令人興奮的時刻。當然，這里說的雷達主要是指 3D 毫米波成像雷達。2019 年，由于在更多情況下都可使用，其安裝量同比增長了 44％，在超短程方面侵蝕了激光雷達（LiDAR）和超聲波技術的市場。中國的車載毫米波雷達市場發(fā)展也在步入快車道。

技術發(fā)展總是無止境的，一些廠商已開始發(fā)布新的汽車 4D 成像雷達，不過可以量產的產品鳳毛麟角，人們或許會問，4D 能做的，現(xiàn)在的 3D 雷達和攝像頭不是已經(jīng)能做了？比如坐艙監(jiān)控感知等應用。殊不知，4D 有 4D 的道理。我們先看看 3D 雷達和 4D 雷達有什么不同，再看看行業(yè)對市場發(fā)展的預期。

1. 汽車雷達一路走來

汽車雷達使用的半導體經(jīng)過了幾代演繹，還在不斷發(fā)展。第一代產品采用 GaAs 芯片，直接安裝在電路板上，用導線連接起來。下一代是 SiGe 芯片，片上集成的功能更多。許多公司現(xiàn)在正在開發(fā)硅 CMOS 和 SOI 技術。許多公司使用 40nm 技術節(jié)點，但有些公司將其降低到 28nm 以下。小節(jié)點加上 CMOS 技術，可以在芯片內實現(xiàn)更高的功能集成。

目前，最新一代雷達芯片不僅集成了收發(fā)器和 Chirp，還集成了微控制器和數(shù)字信號處理（DSP）單元。這為支持 MIMO 天線的單芯片雷達解決方案指明了方向。轉向硅技術也將更好地維持一條降低成本路線，特別是更適合量產。

封裝和板技術也在發(fā)展。第一代器件由多個直接安裝在電路板上并通過引線鍵合連接的片芯組成。這些雷達模塊還有兩個獨立的電路板：一個是 RF，另一個用于數(shù)字功能。

隨著封裝的進步，出現(xiàn)了各種形式的晶圓級產品。電路板還進化為與由特殊低插入損耗材料（如陶瓷填充聚四氟乙烯或類似材料）組成的頂部 RF 層混合。在小型天線陣列足以滿足要求的情況下，封裝天線（AiP）設計開始采用，有些已被證明適合短程汽車應用。

傳統(tǒng)雷達具有在二維空間進行測量的能力。2D 雷達利用一個專用的旋轉天線監(jiān)聽回波信號，能夠獲得兩個坐標并確定目標的位置。之后 3D 雷達出現(xiàn)了，它會像 2D 雷達一樣旋轉，但每次掃描旋轉后，天線的仰角會改變，以備下次探測。通過這種方式，3D 雷達可以探測三個維度：方位角、仰角和速度。

3D 雷達原理描述?

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2. 4D 成像雷達改變在哪里?

從原理上看，4D 成像雷達與傳統(tǒng)雷達和 LiDAR 還是有很大不同的。從理論物理學角度來看，時間被認為是第四維度。當它應用于雷達時，將成為多普勒頻率，顯示一個物體是朝著自己移動還是向遠處移動。

有些人認為，4D 成像雷達是一個錯誤的名稱和營銷策略，因為這些雷達不是真正的測繪時間，而是利用時間來了解 3D 環(huán)境；此外，現(xiàn)代偵察雷達已經(jīng)具備探測多普勒頻移的能力，所以這項技術也不是什么新鮮事。

然而，4D 雷達是將測量的第四維數(shù)據(jù)整合到 3D 雷達中，以更好地了解和繪制環(huán)境地圖。即使具體技術并不新穎，但它的整合也具有新意，值得研究。

4D 成像雷達的主要功能

技術顧問機構 VSI Labs 創(chuàng)始人兼總裁 Phil Magney 這樣解釋：“我認為時間應被用于第四維空間，一些公司就是這樣做的。老實說，4D 更多的是營銷炒作，因為時間元素是從多普勒得到的。所以，如果是這樣的話，那么傳統(tǒng)的 2D 可以被稱為 3D。”

Phil Magney?

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換句話說，時間因素一直是雷達功能的關鍵。當被問及同樣的問題時，NXP 執(zhí)行副總裁兼無線電頻率處理總經(jīng)理 Torsten Lehmann 指出，4D 成像傳感器的第四個要素是“橫向分辨率”。他說：“4D 成像傳感器不僅可以測量距離和速度，還可以測量高度、方向和到達角度，同時以更高的分辨率識別物體，4D 成像雷達不僅能識別水平平面，還能識別垂直平面，例如，汽車可以決定是在物體的‘下面’還是‘上面’通過?！?/p>

Torsten Lehmann

Lehmann 繼續(xù)說:“想象一下，一輛汽車在高速公路上以每小時 80 公里的速度行駛，而一輛摩托車（一個低反射率的小物體）正以每小時 200 公里的速度從后面駛來。與攝像頭和 LiDAR 不同，這些改進的雷達可以識別最初相距很遠的摩托車，并識別出這兩個物體在以不同的速度移動?！?/p>

可以這樣說，到目前為止，雷達是唯一一種能夠在 300 米以上運行并識別高速運行物體的傳感器，而攝像頭和 LiDAR 都無法處理這么遠的距離和速度。

隨著高分辨率成像雷達的出現(xiàn)，包括許多雷達供應商都迫切希望將雷達提升為唯一能夠在惡劣天氣和光照條件下工作的高速傳感器。

3.4D 成像之于汽車，首要目標是啥？

雷達是 ADAS 和自動駕駛中傳感器套件的關鍵元素。這項技術已經(jīng)投入商業(yè)應用，特別是在各種 ADAS 功能上。從短期和長期來看，它的使用將增加。在短期內，立法和自愿安全承諾將進一步推動采用。從長遠來看，更高級別的自動駕駛將增加每輛車的雷達含量，從而對市場產生乘數(shù)效應。這是雷達技術的激動人心的時刻，許多變化正在發(fā)生。

不過，從理論到應用是一條很長的隧道，要看到光明需要時間的檢驗。自動駕駛也是這樣，它通常是以“自動化水平”來衡量的。簡而言之，這是一個從 0 到 5 的刻度，L0 意味著絕對沒有自主性，L5 表示完全無人駕駛功能。作為參考，目前大多數(shù)特斯拉汽車的評分都在 L3，這被認為是一個不錯的分數(shù)。

從 L0 到 L5 的演變

自動駕駛意味著車輛安全，雖然從純技術角度來看，向更高級別的自動駕駛邁進是一個值得實現(xiàn)的目標，但歸根結底，其價值在于拯救生命。這就是為什么采用和改進雷達技術對 ADAS 開發(fā)者來說是一件越來越重要的事情。

NXP 半導體 ADAS 市場總監(jiān) Matthias Feulner 說：“需要記住的是，迄今為止，很多發(fā)布都是概念證明，其中許多都是基于通用處理器的，用雷達專用處理器對（汽車）使用案例進行優(yōu)化，才會有重大的提升。”他認為：“在最基本層面，我們的目標是避免事故和拯救生命，ADAS 技術和雷達傳感器特別有助于提高駕駛安全性，避免傷亡?！?/p>

4. 馬斯克的選擇

2020 年 10 月，專門研究特斯拉軟件的黑客“green”在軟件更新中發(fā)現(xiàn)了新功能的暗示，他提醒消費者們，在特斯拉最近的軟件更新中增加了一個名為“Phoenix”的新雷達選項，Phoenix 是 Arbe 雷達系統(tǒng)的名字。它可通過 4D 超高分辨率實時成像，識別、評估和應對從普通到特殊的挑戰(zhàn)場景，服務于現(xiàn)實世界的駕駛需求。

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黑客爆料

無論速度、海拔、距離、大小或周圍的天氣和照明條件如何，Phoenix 都能區(qū)分真正的威脅和錯誤的警報，以確保駕駛員、行人和其他易受傷害的道路使用者的安全。

一位消息人士稱，特斯拉正準備更新 Model 3 的面板，新的傳感器將是更新的一部分。

馬斯克最近表示：“現(xiàn)在的圖像識別依然是來源于孤立的圖片，而實際上這些圖片在時間上有密切關聯(lián)性。因此，如果過渡到 4D，三維空間里加入了時間維度，它本質上就是視頻。這種架構上的變化已經(jīng)進行了一段時間，還沒有真正推廣到量產車的任何車輛，但這才是完全自動駕駛真正需要的。”

或許，這為馬斯克討厭將 LiDAR 傳感器用于自動駕駛系統(tǒng)，“即使是免費的也不會用”找到了最好的理由。

5. 最熱門趨勢之一

總的來說，4D 成像雷達是最熱門的趨勢之一。未來，隨著雷達技術向更小的節(jié)點轉移，將出現(xiàn)高度集成的打包單一解決方案；天線陣列尺寸將大大擴展，從而能夠獲得更好的方位角和仰角分辨率，從而使點云更加致密。基于深度學習的算法也將并行發(fā)展，使雷達能夠進行三維目標檢測、分類和跟蹤。在這種情況下，雷達將開始使用一些 LiDAR 技術來提升分辨率，同時保持天氣和光照水平的獨立優(yōu)勢。

雷達令人興奮的時刻已經(jīng)到來。據(jù)預測，到 2030 年，在價格適度下降的情況下，汽車雷達將成為 120 億美元的市場。未來，能夠提供密集 4D 點云的 4D 成像雷達，將有助于實現(xiàn)更高精度的目標檢測、分類和跟蹤。在第一個十年，ADAS（L1 和 L2）將是主要市場驅動力；而在第二個十年，自動駕駛汽車將成為主要的市場驅動力。從長遠來看（2030-2040 年），自動出行（L3、L4 和 L5）將推動市場，雷達含量也將不斷增加。