4D 成像毫米波雷達的「熱」與「痛」

4D成像毫米波雷達最近又熱了起來。

今年CES上，4D成像毫米波雷達聲勢奪人，一眾晶片企業諸如恩智浦、TI、Mobileye都陸續推出或更新了自己的成像雷達方案，毫米波雷達系統廠商Arbe、Zadar Labs、Smartmicro等也都帶來了各自的成像雷達產品。

其中最受到業內人士關注的，莫過於Mobileye 執行長Amnon Shashua 在 CES 演講中對4D成像毫米波雷達的強調，“（到2025年）除了正面，我們只想要毫米波雷達，不想要鐳射雷達。”

Yole Développement 的Imaging 首席分析師 Pierre Cambou 表示，該演講引發了人們的猜測，即Mobileye 現在不認為鐳射雷達“比雷達更重要”。

VSI Labs 的合夥人兼諮詢服務總監Danny Kim 更是在 CES 後釋出的一份報告中寫道：“與過去的 CES 活動不同，感覺鐳射雷達公司並沒有為行業帶來那麼多突破性的發明” 。“另一方面，4D毫米波雷達越來越受歡迎”，並稱4D毫米波雷達正成為汽車感測器中的“新星”。

事實上，在此前華為的入局下，4D成像毫米波雷達早就接受過市場的一波熱議，且也遠非新技術，但這次它為什麼又在CES上被重點關注了？其中有什麼因素髮生了變化？4D成像毫米波雷達是否真的可以和鐳射雷達PK？抑或它只是一種過渡技術方案？

成像雷達搶風頭

Yole將Mobileye的演講總結為四點，其中兩點就是：

4D成像毫米波雷達是消費級自動駕駛車輛的一個重要推動因素；

鐳射雷達不再是關鍵。

Mobileye瞄準了三個細分市場：輔助駕駛市場、帶有地理圍欄的L4 Robotaxi市場以及消費級L4 Robotaxi市場。

Shashua認為，Mobileye的感知方案要想在2025年達到消費級自動駕駛車輛的水平，一要想如何能夠顯著降低成本，二則是如何將ODD（執行設計域）擴大到L5的水平。

因此在Mobileye的計劃中，除了開發可以單獨在相機上行駛的消費級自動駕駛車輛方案，到2025年他們可能還將推出可單獨在雷達/鐳射雷達上行駛的消費級自動駕駛車輛方案，後者搭載雷達-LiDAR子系統，屆時車輛僅需一個前向鐳射雷達和360°全包覆車身的毫米波雷達即可。

“除了正面，我們只想要毫米波雷達，不想要鐳射雷達。”Shashua表示。

問題在於，雖然毫米波雷達和鐳射雷達的成本不是一個數量級，但以目前毫米波雷達的解析度水平，普通毫米波雷達在擁擠的交通中，並無法分辨彼此非常接近的行人和車輛，因此也就不能作為單獨的子系統使用。

於是Mobileye將視線轉向了4D成像毫米波雷達。

從效能效果來說，4D成像毫米波雷達算是3D毫米波雷達的升級版，另一方面，從成本上看，4D成像毫米波雷達的成本也僅為鐳射雷達的10%-20%。

相比於傳統的 3D 毫米波雷達，車載 4D毫米波雷達在工作時，除了能夠解算出目標的距離、速度、水平角資訊，還能解算出目標的俯仰角資訊，進而可以提供汽車周圍的環境資訊，能夠避免窨井蓋、路肩、減速帶所產生的虛警現象。

除此之外，得益於能夠提供目標的高度資訊，捕捉到汽車周圍目標的空間座標和速度資訊，4D 毫米波雷達還能夠提供更加真實的路徑規劃、可通行空間檢測功能。

有業內人士對新智駕介紹說，傳統毫米波雷達也有點雲但是數量少，且沒有俯仰資訊，4D毫米波雷達增加了俯仰資訊和更多的點雲資料，“點雲一多就可以勾勒出物體輪廓，便是成像”。

不過4D毫米波雷達是否需要成像，要基於具體場景需求的策略制定。

據上述業內人士介紹，目前L3以上的場景會對成像雷達有更大的需求，從技術上來講，4D成像毫米波雷達是必然趨勢，有能力做4D毫米波雷達的廠商基本都在做4D成像毫米波雷達。

“4D毫米波雷達是未來的發展方向，而成像的重點是點雲資料足夠多，在車上是否要用4D毫米波雷達做成像輸出，要看主機廠對感測融合、算力等因素的通盤綜合考慮。”

新智駕曾在《剛剛，又一款智慧汽車面世！主打賣點竟是「4D 毫米波雷達」》一文中，仔細介紹過4D毫米波雷達的工作原理。

角解析度作為雷達的指向精度，其數值高低與波長與孔徑大小有關，即波長越長，角解析度越低，孔徑越大，解析度越高。

車載毫米波雷達系統廠商楚航科技創始人兼CEO楚詠焱對新智駕介紹，孔徑大小是提升雷達角解析度的關鍵，而天線的數量、天線間的排布間隔又會影響到孔徑大小。

過去幾十年來，車載毫米波雷達界常常是透過增加天線數量的方式來提高角解析度。

目前車載 4D 毫米波雷達常用的工作機制，則是連續波雷達中的調頻連續波雷達（FMCW），它能夠以更低功耗、更大頻寬的方式，向外連續地發射電磁波，從而實現測量目標的距離和速度資訊。

而根據輸入輸出天線陣列數目的不同，FMCW 雷達可以分為單輸入多輸出（SIMO）雷達和多輸入多輸出（MIMO）雷達。

對車載毫米波雷達系統而言，SIMO 雷達早已在 3D 毫米波雷達中廣泛應用，而 MIMO 雷達概念則是在 2003 年由 Bliss 和 Forsythe 首次提出，其是車載 4D 毫米波雷達發展的關鍵技術理論之一。

與傳統方式不同，為了解決傳統毫米波雷達角解析度低、點雲密度低的問題，當下出現了四種4D毫米波雷達解決方案：

一是基於傳統CMOS雷達晶片，強調“軟體定義的雷達”，主要廠家有傲酷、Mobileye等；

二則是將多發多收天線整合在一顆晶片，直接提供成像雷達晶片，比如Arbe、Vayyar等；

最傳統的，則是將標準雷達晶片進行多晶片級聯，以增加天線數量，比如大陸、博世、ZF等一眾公司；

四則是透過超材料研發新型雷達架構，代表廠家有Metawave等。

Shashua認為，軟體定義的影象毫米波雷達，將會是提高毫米波雷達解析度的關鍵。

所謂軟體定義的雷達，即透過軟體後處理，系統可對雷達訊號的接受/傳送和處理進行配置，從而大幅提高雷達的效能。

事實上早在兩年前，Mobileye就已開始打造這款影象雷達，在2021年的CES上，Shashua也曾對其進行過介紹，只不過所花的時間遠沒有今年CES上的多。

成像雷達只是過渡方案嗎？

而從Mobileye公佈的資料看，其成像毫米波雷達的效能在諸多同類產品中，也的確可圈可點。

資料顯示，Mobileye 的軟體定義雷達將有超過 2000 個虛擬通道，訊號發射器與接收器各 48 個，水平角解析度達0。5°，垂直解析度達2°，有效探測距離預計為150米。

“Mobileye推出成像雷達的意義與Arbe差不多，因為目前主流方式（包括博世、大陸、ZF的量產方案）都是傳統級聯方式，新型方案對傳統方式是否兼具成本和效能優勢有待觀察。”但另一業內人士則對新智駕如此表示。

這裡有必要先來了解一下組成車載毫米波雷達的核心器件。

車載毫米波雷達的核心器件主要有單片微波積體電路和雷達數字訊號處理晶片等。

單片微波積體電路可以實現低噪聲放大器、混頻器、變頻器、功率放大器等功能，主要玩家包括意法半導體、德州儀器、恩智浦、加特蘭等。

雷達數字訊號處理晶片，則是用於對毫米波雷達的中頻訊號進行數字處理，分為通用數字處理晶片和雷達專用處理晶片，目前提供專用雷達處理器的晶片廠商主要有德州儀器、NXP、Infineon、加特蘭等。

近年來，隨著市場對車載毫米波雷達需求的增加，國內湧現了一批新興毫米波雷達系統廠商，比如森斯泰克、華域、凌波微步、隼眼科技、楚航科技以及幾何夥伴等。

而在2018年，德州儀器提出了4D成像毫米波雷達的概念，並一舉推出了基於AWR2243 FMCW單晶片收發器的4片級聯4D毫米波雷達全套設計方案。

這一“交鑰匙”工程大大降低了企業開發成像毫米波雷達產品的門檻，部分毫米波雷達系統廠商也紛紛開始著手研發自己的 4D 毫米波雷達產品。

目前，已經推出4D毫米波雷達產品的廠商主要有大陸、傲酷雷達、Arbe以及 Smartmicro 等。

上述業內人士對新智駕表示，開發4D成像毫米波雷達已漸漸成為毫米波雷達行業巨頭和初創公司的必然選擇。

4D成像毫米波雷達之間的效能之爭也就愈發激烈。

目前的車載4D成像毫米波雷達多在48個通道（6發8收），有的雷達供應商也有在向192個以上數量的通道邁進，比如森思泰克的4D成像毫米波雷達STA77-8、大陸集團的4D成像毫米波雷達ARS540、傲酷的Eagle等，華為的4D成像毫米波雷達則有288個通道（12發24收）。

不過也有與Mobileye成像雷達通道數量相當的產品，它是由以色列創企Arbe提供的4D成像毫米波雷達Phoenix，採用48發48收，虛擬通道也超過2000個，可提供1°水平×1。5°垂直角解析度。

華為智慧汽車解決方案BU Marketing與銷售服務部總裁此前也曾透露過，“華為的4D成像毫米波雷達天線已經做到128發128收，非常先進，華為的毫米波雷達是在通訊技術的基礎上開發出來的”。

安霸半導體在去年收購了傲酷雷達，其中國區市場營銷副總裁郄建軍對新智駕表示，其4D成像毫米波雷達產品目前效能已與32線束鐳射雷達效能類似。

“我們接下來還會繼續提升角解析度，做到4晶片級聯，類似128線束鐳射雷達解析度的效果。”

郄建軍介紹，目前4D成像毫米波雷達的成本和傳統毫米波雷達的成本相近，遠低於鐳射雷達的成本。

“鐳射雷達的成本要想從幾千元降到幾百元，至少需要5年，所以4D成像毫米波雷達，在某種程度上是可以取代低線束鐳射雷達的。”

另外，當4D毫米波雷達與多目攝像頭相結合時，理論上也被認為可完全不需要鐳射雷達。

那當測距精度更高的鐳射雷達的成本下探至可被接受範圍時，4D成像毫米波雷達會被淘汰嗎？換言之，4D成像毫米波雷達會不會只是一種暫時的“過渡性方案”？

對此楚詠焱的看法是，4D成像毫米波雷達和鐳射雷達各有特點，可以發揮各自的長處，並不存在誰替代誰的關係。

“比如一些L3級功能，並不需要那麼高線束的鐳射雷達，這時候只需要把毫米波雷達的解析度稍微提高一點，成本也不會增加太多，有可能很多L3級功能就能落地了，這會是4D成像毫米波雷達的主要市場。”

郄建軍則認為，由於普通的毫米波雷達檢測靜止物體效果不好、角解析度也低，所以目前成像雷達更多還是在對傳統的毫米波雷達進行替代。

誰才會是主感測器？

但目前並沒有一款能夠真正規模落地的4D成像毫米波雷達產品。

楚詠焱介紹，這其中面臨著兩個難題。

首先是車企對4D毫米波雷達的需求並不明確。

汽車零部件企業研發產品時大多是需求導向，但目前車企並不確定在L3級自動駕駛車輛中，到底是哪個功能，需要4D成像毫米波雷達，或者僅需要輸出點雲的4D毫米波雷達。

“另外至於諸如AVP、HWP（高速自動駕駛）、TJP（中低速自動駕駛）等自動駕駛功能，對4D成像毫米波雷達的解析度要求到底有多高，是1°還是2°，目前都還沒有一個準確的定義。”

還有就是在4D成像毫米波雷達方面，雖然它能輸出更多點，但目前的毫米波系統廠商並沒有想清楚，“輸出這些點之後，我到底要幹什麼”。

原本毫米波雷達只輸出帶有距離、速度資訊的目標，但當4D成像毫米波雷達還額外提供了具有方位角資訊的點，企業究竟要利用這一特徵達到何種感知目的，目前業內也並沒有明確的方案。

第二大難點則是現下業內並沒有專門針對4D成像毫米波雷達的測試裝置，行業的生態鏈並不成熟。

廠商們只能利用傳統毫米波雷達的測試裝置，來驗證其4D成像毫米波雷達產品的效能。

但問題是，諸如目標模擬器這樣的傳統測試裝置，其解析度並不高，無法驗證4D成像毫米波雷達的解析度是否達到了1°或者零點幾度。

“我們只能靠上路，用真值系統，用鐳射雷達去做比對。但這樣的話，如果產品的一些基礎效能出了問題，比如天線設計，我們根本沒有辦法在實驗室裡檢測出來，做不了前端測試，無法形成一個完整的研發閉環。”

但4D成像毫米波雷達趨勢已不可逆轉，比如北汽集團投資了Arbe，其副總經理陳江此前曾表示，北汽集團車型有望搭載Arbe量產後的4D成像毫米波雷達產品，比如上汽也早在去年就宣佈已在其R汽車搭載了4D成像毫米波雷達，再比如Magna與Fisker將在2022年底推出的Fisker Ocean車型，也將搭載4D成像毫米波雷達等等。

郄建軍也向新智駕表示，其4D毫米波雷達已經拿到了多家主機廠的專案定點。

“今年我們看到幾家主機廠都準備上車4D成像毫米波雷達，這就跟幾年前的鐳射雷達一樣，一旦有領軍企業大規模上4D成像毫米波雷達了，後邊的企業就會迅速跟進。”郄建軍表示。

至於4D成像毫米波雷達生態鏈的構建，包括楚航科技在內的諸多企業，都在一起去構建行業的標準，比如雷達的效能要求以及試驗方法等等。

“大家都在往4D成像毫米波雷達這個方向看，雖然發展的路線有所不同，但我覺得1-2年內，行業會形成一個簡單的標準，也會有落地的嘗試。”

楚詠焱預測，4D成像毫米波雷達要想形成一個標準化、可規模量產的產品，估計還需要3-5年。

這或許也是為什麼Mobileye在今年的CES上，花了更多的筆墨和時間去強調4D成像毫米波雷達的重要性。

回到前文Mobileye提出的，他們將在2025年推出可單獨在雷達/鐳射雷達上行駛的AV方案，即屆時AV車輛僅需一個前向鐳射雷達和360°全包覆車身的毫米波雷達即可。

這意味著，4D成像毫米波雷達將成為自動駕駛車輛的主感測器。

這種方案可行嗎？

楚詠焱認為可行，但由於毫米波雷達和鐳射雷達對顏色以及二維物體的感知都比較弱，因此這一方案可行的前提，則是車輛能做到車路協同，以準確感知車身周圍的環境。

不過攝像頭、鐳射雷達抑或4D成像毫米波雷達，究竟誰能成為未來智慧駕駛車輛的主感測器，或許還是要看具體場景，根據不同的功能和需求配置不同的方案。

楚詠焱表示，比如對於ADAS功能來說，主流的標準化4D毫米波雷達產品，3發4收就已足夠，對於L3級的功能，12發16收的4D成像毫米波雷達產品則就能滿足車輛的感知需求。