行業(yè) | 4D radar 2020-2024

○ 角度分辨率及精度，尤其是俯仰角分辨率及精度；

○ 多徑，雜波干擾這是由毫米波本身的電磁特性所決定的。

角度分辨率不足導(dǎo)致雷達(dá)輸出點(diǎn)云稀疏，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)諸如道路結(jié)構(gòu)，靜態(tài)目標(biāo)的細(xì)致刻畫(huà)；多徑，雜波干擾引入了虛假目標(biāo)（ghost）。

這些問(wèn)題嚴(yán)重限制了毫米波雷達(dá)的應(yīng)用范圍，所以實(shí)際應(yīng)用中我們主要還是利用毫米波雷達(dá)的測(cè)速（徑向速度）優(yōu)勢(shì)，比如ACC以及BSD等ADAS功能，這些功能充分利用了雷達(dá)徑向測(cè)速的優(yōu)勢(shì)。頹勢(shì)直到4D毫米波雷達(dá)的橫空出世才被抑制。

▲ 4d?imaging radar perception illustration?(source?NXP)

2020年后逐步涌現(xiàn)的4D毫米波雷達(dá)(以下簡(jiǎn)稱(chēng) 4d radar), 很大程度上解決了上述問(wèn)題，可以說(shuō)是一雪前恥。不僅保留且增強(qiáng)過(guò)去傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)，還彌補(bǔ)了諸多劣勢(shì), 諸如

角度分辨率顯著提高：能夠?qū)Φ缆方Y(jié)構(gòu)，動(dòng)靜態(tài)目標(biāo)輪廓進(jìn)行細(xì)致刻畫(huà)；

引入真實(shí)的高度信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高度實(shí)時(shí)跟蹤。

抗干擾能力提升，尤其對(duì)多徑等干擾有了更加多元的處理方式，比如ML；

動(dòng)態(tài)范圍提高：傳統(tǒng)雷達(dá)對(duì)一些弱反射目標(biāo)的檢測(cè)，會(huì)存在漏檢或誤檢的情況，4d radar顯著改善這一狀況；

測(cè)距精度，測(cè)距范圍，多普勒精度等方面均有大幅提升；

價(jià)格沒(méi)提高太多，遠(yuǎn)低于Lidar；

如此翻天覆地的變化，讓我們對(duì)4d radar 的前景有了美妙的想象空間，資本市場(chǎng)也為此雀躍，傳統(tǒng)Tier1 加碼，初創(chuàng)公司涌現(xiàn)，一時(shí)間風(fēng)光無(wú)兩，毫米波雷達(dá)迎來(lái)久違的春天。

回顧過(guò)去4年，有幸見(jiàn)證了4d radar的快速發(fā)展，看到了4d radar所蘊(yùn)藏的巨大潛力和能量，同時(shí)呢，也注意到這條發(fā)展之路沒(méi)有想象中那么平坦。過(guò)去4年，我主觀列舉一些標(biāo)志性事件，

• Waymo?首次車(chē)端應(yīng)用4d radar，2020?Continental ARS540 發(fā)布 2020.9（Continental 2016年開(kāi)始研發(fā)，2021正式推向市場(chǎng)）Aptiv 提出SVA架構(gòu)，引入衛(wèi)星雷達(dá)，2020Arbe公司以SPAC方式在納斯達(dá)克上市，2021上汽R ES33搭載 ZF 4D imaging radar,? 2021HUAWEI 推出高分辨4D成像雷達(dá) 2021Mobileye 發(fā)布software-defined radar 2022CALTERAH?發(fā)布Andes Platform 2022WHST 2片級(jí)聯(lián)4d radar亮相 L7 2023Xretinai發(fā)布準(zhǔn)空氣集成波導(dǎo)天線技術(shù)AIW 2024

在這些標(biāo)志性的事件中，我們驚喜得看到4d radar有了實(shí)打?qū)嵉穆涞?，比較標(biāo)志性的像上汽R ES33搭載 ZF 4D imaging radar（雖然沒(méi)什么量哎），以及搭載森思泰克 2 cascaded chip 4d radar亮相理想 L7 2023。Arbe的成功上市也表明資本市場(chǎng)對(duì)成像雷達(dá)的認(rèn)可。我們?cè)偬羝渲袔讉€(gè)事件簡(jiǎn)單聊聊。

A, Continental ARS540 發(fā)布

ARS540是真正意義上全球第一款4D成像雷達(dá)，Continental作為全球車(chē)載雷達(dá)的領(lǐng)導(dǎo)者，從它的雷達(dá)研發(fā)編年史也大致反映了車(chē)載毫米波雷達(dá)的技術(shù)發(fā)展歷史。如為ACC而生的ARS100, 77GHz雷達(dá)巔峰的ARS400，首次引入單芯片集成處理方案的SRR510, 首次應(yīng)用波導(dǎo)天線技術(shù)及FPGA處理方案的ARS540。

如今，Conti radar秉持更小的尺寸，更強(qiáng)的性能方向演進(jìn)。2023年，ARS600/SRR600系列亮相。

全系標(biāo)配波導(dǎo)天線。由此帶來(lái)更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，以及更寬的方位FoV。以5代采用微帶天線的雷達(dá)作為對(duì)比，ARS510 210m@0°，而ARS620 280m@0°? ，而FoV方面，ARS510 ±50°，而ARS620 ±60°? ，SRR6xx/SSR6xx FoV更是達(dá)到喪心病狂的±81°?？梢钥吹剑▽?dǎo)天線技術(shù)性能卓越，是后續(xù)毫米波雷達(dá)的重要技能樹(shù)。其實(shí)不僅是Conti，Aptiv， BOSCH等都發(fā)布了自家的帶波導(dǎo)天線技術(shù)的雷達(dá)產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)領(lǐng)瞳科技發(fā)布準(zhǔn)空氣集成波導(dǎo)天線技術(shù)AIW。

波導(dǎo)天線勢(shì)必將成為主流。

算法方面，角度維的性能塔尖一直是兵家必爭(zhēng)之地。得益于超分辨算法的引入，ARS600 角度維性能大幅度提升，如下圖所示，引入Azimuth HRT后，對(duì)并排放置的角反檢測(cè)能力由原來(lái)的60m提升至120m。超分辨算法也將是后續(xù)毫米波雷達(dá)的重要技能樹(shù)。

談到ARS540的繼任者，也就是下一代imaging radar, ARS640，Continental India 研發(fā)總監(jiān)Canesh Rao提到,

It?provides?the?best?radar?performance?for?critical?use?cases?in?urban?and?highway?scenarios.?It?is?based?on?the?5th?generation?of?imaging?radars,?updated?cyber?security?features,?sophisticated?interference?robustness,?and?significantly?reduced?power?consumption.

https://www.mobilityoutlook.com/conversations/4d-imagings-real-time-object-recognition-aids-automated-driving/

主要升級(jí)為網(wǎng)絡(luò)安全，抗干擾尤其是雷達(dá)間干擾，大幅度降低功耗（ARS540功耗賊高）。

B, HUAWEI推出高分辨4D成像雷達(dá)

這里我想提下HUAWEI，2021，華為首次發(fā)布4d成像雷達(dá)，感興趣的可以看看，行業(yè) I 華為ADS成像雷達(dá)方案剖析，這里不再贅述，而后數(shù)年一直沒(méi)啥動(dòng)靜，最近淺淺的發(fā)布4T4R radar新品。HUAWEI或許有意放緩4d radar研發(fā)節(jié)奏。放緩4d radar研發(fā)節(jié)奏正是4d radar的內(nèi)在隱憂(yōu)，后文詳述。

4D radar方興未艾，百家爭(zhēng)鳴

過(guò)去幾年，4d radar方案百家爭(zhēng)鳴，包括級(jí)聯(lián)，特殊芯片方式，軟件算法等等，但這基本都基于FMCW機(jī)制，這里我想聊聊基于PMCW體制的4d radar。

PMCW，即相位調(diào)制連續(xù)波(Phase-modulated continuous wave, PMCW)，采用諸如二進(jìn)制碼等編碼方式對(duì)載波進(jìn)行相位調(diào)制后發(fā)射、接收和處理，進(jìn)而獲取目標(biāo)距離、速度以及角度信息。PMCW雷達(dá)利用高速ADC，直接測(cè)量發(fā)射和接收信號(hào)之間的延遲，并通過(guò)相位編碼調(diào)制波形顯著降低副瓣，解決了FMCW雷達(dá)固有的靜態(tài)目標(biāo)問(wèn)題。因此，與FMCW相比，PMCW雷達(dá)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，包括更高的精度、更低的誤報(bào)和更寬的動(dòng)態(tài)范圍。

Uhnder, Phase-Point

phasepoint 公司采用PMCW方案構(gòu)建4d radar，demo效果如下圖所示，車(chē)輛旁邊兩個(gè)緩慢走動(dòng)的小孩清晰可辨，展現(xiàn)出優(yōu)秀的高動(dòng)態(tài)范圍特性。高動(dòng)態(tài)范圍同時(shí)能夠帶來(lái)更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，這些都是4d radar非常關(guān)鍵的指標(biāo)。同時(shí)PMCW技術(shù)具有相當(dāng)優(yōu)秀的抗雷達(dá)間干擾能力。這些特殊的技能點(diǎn)使得PMCW技術(shù)會(huì)成為今后4d radar重要的演進(jìn)方向。

4D radar發(fā)展趨勢(shì)及方向

Lidar,radar,camera 3種傳感器本質(zhì)上只是感知環(huán)境的電磁波的頻段不同，其中，由于Lidar與Camera頻段接近，存在冗余信息，而radar能夠提供差異化信息，這使得對(duì)于高階智駕，radar必不可少，不能被替代。

▲ Levels of ADAS and autonomous driving?(source NXP)

4D radar在靜止目標(biāo)識(shí)別、橫向目標(biāo)跟蹤、高度識(shí)別、高動(dòng)態(tài)和探測(cè)隱藏車(chē)輛等方面優(yōu)勢(shì)凸顯，低成本實(shí)現(xiàn)對(duì)靜止目標(biāo)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和場(chǎng)景結(jié)構(gòu)的綜合感知。但，目前4d radar市場(chǎng)仍在培育，技術(shù)手段也未未收斂。站在4d radar廠商角度，4D radar的技術(shù)研發(fā)和量產(chǎn)投入遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)，由于技術(shù)手段未收斂，每種技術(shù)形態(tài)都有嘗試的可能，這其中還需要符合嚴(yán)格的汽車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證，這些成本高昂標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證過(guò)程周期還特長(zhǎng)。但這些必須要做，并且做的不好也會(huì)打亂自身的市場(chǎng)節(jié)奏，一般公司耗不起。站在車(chē)企角度，雖然4d radar顯著提升了目標(biāo)的置信度，尤其是靜止目標(biāo)。但這種置信度是否獲得車(chē)企信任還有疑問(wèn)，目前車(chē)企大部分即使用了4d radar, 也只是解鎖了3d radar的能力。

另外，4d radar不同于其他傳感器，車(chē)企應(yīng)用有難度，需要較長(zhǎng)周期。這種情況下，車(chē)企往往依賴(lài)于外部供應(yīng)商提供的算法和技術(shù)支持，以實(shí)現(xiàn)高級(jí)感知和自動(dòng)駕駛功能集成，導(dǎo)致車(chē)企與廠商的配合磨合周期進(jìn)一步拉長(zhǎng)。這些都是4d radar（尤其是4芯片級(jí)聯(lián)）節(jié)奏放緩的原因。HUAWEI或許意識(shí)到多芯片級(jí)聯(lián)4d radar 上述制約因素，以目前的狀況，投入產(chǎn)出不成正比，因而可能放緩其多芯片級(jí)聯(lián)4d radar研發(fā)推廣節(jié)奏。
說(shuō)了那么多，我對(duì)未來(lái)4d radar有如下預(yù)測(cè)：

• 4片級(jí)聯(lián)雷達(dá)更具有“秀肌肉”屬性，遠(yuǎn)沒(méi)有“飛入尋常百姓家”的狀態(tài)，以目前的白熱化程度，拿業(yè)務(wù)屬性顯然更重要；6T8R相比3T4R性能有質(zhì)變，考慮到系統(tǒng)復(fù)雜度、成本，周期等因素，4片級(jí)聯(lián)將放緩，4d radar 將以輕量化的兩片級(jí)聯(lián)或單芯片為主；隨著中央域控帶來(lái)的算力提升，雷達(dá)幀率進(jìn)一步提高，以衛(wèi)星架構(gòu)為支撐，將于camera構(gòu)建數(shù)據(jù)級(jí)乃至IQ級(jí)fusion. 實(shí)現(xiàn)多模態(tài)傳感器融合；基于RSP的點(diǎn)云生成存在瓶頸，基于AI的點(diǎn)云增強(qiáng)將走向臺(tái)前;ML/DL技術(shù)在ghost干擾抑制，object 跟蹤，目標(biāo)識(shí)別，角度超分辨等方向廣泛應(yīng)用；PMCW快速滲透，你車(chē)上的下一臺(tái)雷達(dá)何必是FMCW；FPGA+DSP混合基帶處理架構(gòu)；波導(dǎo)天線技術(shù)將成為主流；國(guó)產(chǎn)芯片進(jìn)一步發(fā)力，4d radar廠商，車(chē)企以及芯片廠商的溝通聯(lián)系將會(huì)比以往更加緊密，只有齊心配合，4d radar才能普及得快；

凡是過(guò)往，皆為序章，工信部、發(fā)改委等11部門(mén)于2020年2月聯(lián)合發(fā)布了《智能汽車(chē)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》，其中大力支持車(chē)載雷達(dá)等傳感器的發(fā)展，車(chē)載雷達(dá)正是春風(fēng)得意馬蹄疾的時(shí)刻。

中國(guó)有比其他任何國(guó)家更加完善的產(chǎn)業(yè)鏈，上下游資源，市場(chǎng)。

所以我們需要建立起對(duì)4d radar 的信心，一往無(wú)前。

*參考文獻(xiàn)：
1.??https://www.mobilityoutlook.com/conversations/4d-imagings-real-time-object-recognition-aids-automated-driving/2.?https://www.nxp.com/company/blog/the-importance-of-imaging-radar:BL-THE-IMPORTANCE-OF-IMAGING-RADAR3.?https://www.thinkautonomous.ai/blog/fmcw-lidars-vs-imaging-radars/4.?https://phase-point.com/home5.?https://provizio.ai/technology/6.?https://www.continental-automotive.com/en/components/radars/long-range-radars/advanced-radar-sensor-ars620.html7.?RaTrack: Moving Object Detection and Tracking with 4D Radar Point Cloud, https://arxiv.org/abs/2309.0973