行業(yè) | 4D radar 2020-2024

Hi,?好久不見~

距離我寫?如何做好一款4D高分辨毫米波雷達?已過去4年時間，在這4年間，4D雷達行業(yè)發(fā)生很多事，在我看來有驚喜也有無奈，我們聊聊。

4D radar初出茅廬，乘風而上

近年來智駕浪潮風起云涌，應該說各主機廠必須將其視為核心競爭力之一。做好智駕感知是關鍵所在，也就是確保對行駛過程中的動靜態(tài)環(huán)境準確感知。感知的基礎是傳感器，而其中毫米波雷達一直是不可或缺的存在。毫米波雷達的核心優(yōu)勢在于全天候屬性以及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。

角度分辨率不足導致雷達輸出點云稀疏，無法實現(xiàn)對諸如道路結構，靜態(tài)目標的細致刻畫；多徑，雜波干擾引入了虛假目標（ghost）。

這些問題嚴重限制了毫米波雷達的應用范圍，所以實際應用中我們主要還是利用毫米波雷達的測速（徑向速度）優(yōu)勢，比如ACC以及BSD等ADAS功能，這些功能充分利用了雷達徑向測速的優(yōu)勢。頹勢直到4D毫米波雷達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(以下簡稱 4d radar), 很大程度上解決了上述問題，可以說是一雪前恥。不僅保留且增強過去傳統(tǒng)毫米波雷達的優(yōu)勢，還彌補了諸多劣勢, 諸如

角度分辨率顯著提高：能夠對道路結構，動靜態(tài)目標輪廓進行細致刻畫；

引入真實的高度信息，能夠實現(xiàn)對目標的高度實時跟蹤。

抗干擾能力提升，尤其對多徑等干擾有了更加多元的處理方式，比如ML；

動態(tài)范圍提高：傳統(tǒng)雷達對一些弱反射目標的檢測，會存在漏檢或誤檢的情況，4d radar顯著改善這一狀況；

測距精度，測距范圍，多普勒精度等方面均有大幅提升；

價格沒提高太多，遠低于Lidar；

如此翻天覆地的變化，讓我們對4d radar 的前景有了美妙的想象空間，資本市場也為此雀躍，傳統(tǒng)Tier1 加碼，初創(chuàng)公司涌現(xiàn)，一時間風光無兩，毫米波雷達迎來久違的春天。

回顧過去4年，有幸見證了4d radar的快速發(fā)展，看到了4d radar所蘊藏的巨大潛力和能量，同時呢，也注意到這條發(fā)展之路沒有想象中那么平坦。過去4年，我主觀列舉一些標志性事件，

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

在這些標志性的事件中，我們驚喜得看到4d radar有了實打實的落地，比較標志性的像上汽R ES33搭載 ZF 4D imaging radar（雖然沒什么量哎），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對成像雷達的認可。我們再挑其中幾個事件簡單聊聊。

A, Continental ARS540 發(fā)布

ARS540是真正意義上全球第一款4D成像雷達，Continental作為全球車載雷達的領導者，從它的雷達研發(fā)編年史也大致反映了車載毫米波雷達的技術發(fā)展歷史。如為ACC而生的ARS100, 77GHz雷達巔峰的ARS400，首次引入單芯片集成處理方案的SRR510, 首次應用波導天線技術及FPGA處理方案的ARS540。

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

全系標配波導天線。由此帶來更遠的探測距離，以及更寬的方位FoV。以5代采用微帶天線的雷達作為對比，ARS510 210m@0°，而ARS620 280m@0°? ，而FoV方面，ARS510 ±50°，而ARS620 ±60°? ，SRR6xx/SSR6xx FoV更是達到喪心病狂的±81°。可以看到，波導天線技術性能卓越，是后續(xù)毫米波雷達的重要技能樹。其實不僅是Conti，Aptiv， BOSCH等都發(fā)布了自家的帶波導天線技術的雷達產品，國內領瞳科技發(fā)布準空氣集成波導天線技術AIW。

波導天線勢必將成為主流。

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，對并排放置的角反檢測能力由原來的60m提升至120m。超分辨算法也將是后續(xù)毫米波雷達的重要技能樹。

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/

主要升級為網絡安全，抗干擾尤其是雷達間干擾，大幅度降低功耗（ARS540功耗賊高）。

B, HUAWEI推出高分辨4D成像雷達

這里我想提下HUAWEI，2021，華為首次發(fā)布4d成像雷達，感興趣的可以看看，行業(yè) I 華為ADS成像雷達方案剖析，這里不再贅述，而后數年一直沒啥動靜，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的內在隱憂，后文詳述。

4D radar方興未艾，百家爭鳴

過去幾年，4d radar方案百家爭鳴，包括級聯(lián)，特殊芯片方式，軟件算法等等，但這基本都基于FMCW機制，這里我想聊聊基于PMCW體制的4d radar。

PMCW，即相位調制連續(xù)波(Phase-modulated continuous wave, PMCW)，采用諸如二進制碼等編碼方式對載波進行相位調制后發(fā)射、接收和處理，進而獲取目標距離、速度以及角度信息。PMCW雷達利用高速ADC，直接測量發(fā)射和接收信號之間的延遲，并通過相位編碼調制波形顯著降低副瓣，解決了FMCW雷達固有的靜態(tài)目標問題。因此，與FMCW相比，PMCW雷達具有顯著的優(yōu)勢，包括更高的精度、更低的誤報和更寬的動態(tài)范圍。

Uhnder, Phase-Point

phasepoint 公司采用PMCW方案構建4d radar，demo效果如下圖所示，車輛旁邊兩個緩慢走動的小孩清晰可辨，展現(xiàn)出優(yōu)秀的高動態(tài)范圍特性。高動態(tài)范圍同時能夠帶來更遠的探測距離，這些都是4d radar非常關鍵的指標。同時PMCW技術具有相當優(yōu)秀的抗雷達間干擾能力。這些特殊的技能點使得PMCW技術會成為今后4d radar重要的演進方向。

4D radar發(fā)展趨勢及方向

Lidar,radar,camera 3種傳感器本質上只是感知環(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在靜止目標識別、橫向目標跟蹤、高度識別、高動態(tài)和探測隱藏車輛等方面優(yōu)勢凸顯，低成本實現(xiàn)對靜止目標、運動目標和場景結構的綜合感知。但，目前4d radar市場仍在培育，技術手段也未未收斂。站在4d radar廠商角度，4D radar的技術研發(fā)和量產投入遠大于傳統(tǒng)毫米波雷達，由于技術手段未收斂，每種技術形態(tài)都有嘗試的可能，這其中還需要符合嚴格的汽車安全標準和認證，這些成本高昂標準和認證過程周期還特長。但這些必須要做，并且做的不好也會打亂自身的市場節(jié)奏，一般公司耗不起。站在車企角度，雖然4d radar顯著提升了目標的置信度，尤其是靜止目標。但這種置信度是否獲得車企信任還有疑問，目前車企大部分即使用了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，車企應用有難度，需要較長周期。這種情況下，車企往往依賴于外部供應商提供的算法和技術支持，以實現(xiàn)高級感知和自動駕駛功能集成，導致車企與廠商的配合磨合周期進一步拉長。這些都是4d radar（尤其是4芯片級聯(lián)）節(jié)奏放緩的原因。HUAWEI或許意識到多芯片級聯(lián)4d radar 上述制約因素，以目前的狀況，投入產出不成正比，因而可能放緩其多芯片級聯(lián)4d radar研發(fā)推廣節(jié)奏。
說了那么多，我對未來4d radar有如下預測：

• 4片級聯(lián)雷達更具有“秀肌肉”屬性，遠沒有“飛入尋常百姓家”的狀態(tài)，以目前的白熱化程度，拿業(yè)務屬性顯然更重要；6T8R相比3T4R性能有質變，考慮到系統(tǒng)復雜度、成本，周期等因素，4片級聯(lián)將放緩，4d radar 將以輕量化的兩片級聯(lián)或單芯片為主；隨著中央域控帶來的算力提升，雷達幀率進一步提高，以衛(wèi)星架構為支撐，將于camera構建數據級乃至IQ級fusion. 實現(xiàn)多模態(tài)傳感器融合；基于RSP的點云生成存在瓶頸，基于AI的點云增強將走向臺前;ML/DL技術在ghost干擾抑制，object 跟蹤，目標識別，角度超分辨等方向廣泛應用；PMCW快速滲透，你車上的下一臺雷達何必是FMCW；FPGA+DSP混合基帶處理架構；波導天線技術將成為主流；國產芯片進一步發(fā)力，4d radar廠商，車企以及芯片廠商的溝通聯(lián)系將會比以往更加緊密，只有齊心配合，4d radar才能普及得快；

凡是過往，皆為序章，工信部、發(fā)改委等11部門于2020年2月聯(lián)合發(fā)布了《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》，其中大力支持車載雷達等傳感器的發(fā)展，車載雷達正是春風得意馬蹄疾的時刻。

中國有比其他任何國家更加完善的產業(yè)鏈，上下游資源，市場。

所以我們需要建立起對4d radar 的信心，一往無前。

*參考文獻：
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