Hi,?好久不見(jiàn)~
距離我寫(xiě)?如何做好一款4D高分辨毫米波雷達(dá)?已過(guò)去4年時(shí)間,在這4年間,4D雷達(dá)行業(yè)發(fā)生很多事,在我看來(lái)有驚喜也有無(wú)奈,我們聊聊。
4D radar初出茅廬,乘風(fēng)而上
近年來(lái)智駕浪潮風(fēng)起云涌,應(yīng)該說(shuō)各主機(jī)廠必須將其視為核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。做好智駕感知是關(guān)鍵所在,也就是確保對(duì)行駛過(guò)程中的動(dòng)靜態(tài)環(huán)境準(zhǔn)確感知。感知的基礎(chǔ)是傳感器,而其中毫米波雷達(dá)一直是不可或缺的存在。毫米波雷達(dá)的核心優(yōu)勢(shì)在于全天候?qū)傩?/strong>以及Doppler精度較高,但明顯受困于
○ 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,
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- 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):
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- 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