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4D 成像毫米波雷達 - 101

2022-08-23 08:51 vehicle公眾號

導讀:當前毫米波雷達的局限性,有很大的關(guān)系,無法感知靜止物體的感知,主要靠視覺攝像頭。

上一篇文章寫了《從小鵬P7事故看智能駕駛的最后一道防線AEB(自動緊急制動)》點出了當前影響智能駕駛以及AEB安全性能的因素其中很重要的一條是,傳感器的能力。例如當前毫米波雷達的局限性,有很大的關(guān)系,無法感知靜止物體的感知,主要靠視覺攝像頭。而視覺感知就比較容易受環(huán)境光線以及AI樣本庫標記豐富度影響。

所以當前業(yè)內(nèi)普遍認為,理論上,激光雷達和4D成像毫米波雷達,都可以識別出障礙物的輪廓、類別并進行感知和預判。如果在現(xiàn)有的輔助駕駛系統(tǒng)上能再結(jié)合激光雷達或者4D成像毫米波雷達,就可以一定程度上補齊視覺攝像頭和毫米波雷達的短板。

我在之前寫過智能駕駛傳感器激光雷達,攝像頭等系列傳感器文章,可以搜索歷史查看,今天我們來分享下有關(guān)4D毫米波雷達的相關(guān)知識,試著去解答以下問題:

什么是4D毫米波雷達,他為什么叫4D和普通毫米波雷達有什么不同?

他背后的技術(shù)方案是什么樣的?,如何實現(xiàn),當前主流的方案是?他的供應鏈有哪些?

當前有哪些品牌生產(chǎn),價格怎么樣?未來應用趨勢如何,能實現(xiàn)怎么樣的功能?

希望能給大家?guī)硪恍┬畔⒑蛦l(fā)。

什么是4D毫米波雷達,他為什么叫4D和普通毫米波雷達有什么不同?

雷達,是一種利用電磁波探測目標的電子設備。其基本原理是,雷達發(fā)射電磁波,電磁波到達目標后反射,雷達的接收器收到回波,由此獲得目標至電磁波發(fā)射點的距離、相對速度、方位等信息。

目前汽車毫米波雷達頻率分為24GHz(嚴格來說屬于厘米波雷達,但由于性能和毫米波雷達相似,通常歸為毫米波雷達), 77GHz至79GHz三種頻段。但是根據(jù)2021年12月發(fā)布的《汽車雷達無線電管理暫行規(guī)定》中,要求加強汽車雷達無線電管理,將76-79GHz頻段規(guī)劃用于汽車雷達,同時規(guī)定不再受理和審批24.25-26.65GHz頻段車載雷達無線電發(fā)射設備型號核準申請。也就是說,今后的新增的汽車毫米波雷達,只有76GHz-79GHz的了。

77Ghz毫米波雷達分辨率相對高,抗干擾性能強,探測性能好,尺寸較小,是目前ADAS系統(tǒng)中不可或缺的傳感器。

當前汽車的毫米波雷達主要用于確定目標和發(fā)射點的距離、相對速度、方位等信息,所以汽車普通的雷達也叫3D毫米波雷達。4D 毫米波雷達之所以稱為 4D,是因為它不僅可以檢測物體的距離、相對速度和方位角(球坐標系中的角度測量值),還可以檢測物體高于道路水平面的高度,這里不代表高度是第四維(4D),其實時間是第四維。4D毫米波雷達利用時間來確定高度相關(guān)的信息。

市面上量產(chǎn)的77GHz雷達,返回的是被測目標的抽象圖像你可以認為就是一團深顏色的東西,他不像我們之前文章《智能駕駛要用多少個激光雷達?分別放在哪里?什么作用?》講的激光雷達能識別邊緣,所以它不能用于分類,無法把環(huán)境周邊靜態(tài)的東西,例如樹,圍欄等等與停放的車輛和人區(qū)分開來,因此在高速公路上,算法對靜態(tài)物體進行忽略,以防止車輛誤剎車。此外,對于自動駕駛來說,重要參數(shù)是識別和過濾誤報。

而4D毫米波雷達由于擁有立體探測能力和一定的邊緣輪廓識別,可以濾除假警報,提供最佳的靈敏度。雷達使用最低的檢測閾值,即使是最微弱的噪聲也能被報告出來。后處理和跟蹤用于過濾隨機噪聲,而校準方案允許達到極低的旁瓣水平。

4D毫米波雷達另外還能夠提供真實的路徑規(guī)劃,可以在300米以上的范圍內(nèi)創(chuàng)建道路的詳細圖像(類似于激光雷達的點云),捕捉和識別汽車周圍物體的大?。由线吘壍淖R別,這也就是為啥有人叫4D成像雷達)、位置和速度數(shù)據(jù),這也就是為啥很多人覺得他擁有部分激光雷達的功能。

他背后的技術(shù)方案是什么樣的?如何實現(xiàn),當前主流的方案是?他的供應鏈有哪些?

4D 成像雷達的底層原理和普通毫米波雷達底層技術(shù)類似,典型的雷達系統(tǒng)使用一組天線元件,每個元件都有一個寬波束。然后,他們可以通過稱為數(shù)字波束形成的過程以數(shù)字方式組合這些以創(chuàng)建窄波束陣列,從而提高最終圖像的分辨率。

3D 和 4D 雷達之間的區(qū)別在于這些天線元件的排列方式。3D 雷達系統(tǒng)具有水平排列的天線,而 4D 雷達具有水平和垂直排列的元件。

4D 雷達與基于兩到三個發(fā)射天線和三到四個接收天線的傳統(tǒng)雷達解決方案不同,為了提高分辨率映射車輛周圍的環(huán)境,4D 成像雷達利用多輸入多輸出 (MIMO) 多達48 天線陣列(未來可能更多)對其周圍環(huán)境進行高分辨率映射。點云數(shù)據(jù)輸出(表示對象的數(shù)據(jù)集)與寬方位仰角視場 (FOV) 相結(jié)合,可針對橋下交通堵塞等情況提供更準確的檢測和跟蹤。

毫米波激光雷達的一般核心零部件為收發(fā)器、一個內(nèi)部數(shù)字信號處理器 (DSP) 和一個用于實時信號處理的微控制器單元 (MCU),還有信號模擬芯片等。

4D毫米波雷達的技術(shù)和創(chuàng)新也是基于以上核心部件進行,當前共有三種主流技術(shù),可以實現(xiàn)4D毫米波雷達的點云功能:

第一種是MIMO芯片級聯(lián)。傳統(tǒng)毫米波雷達芯片供應商多采用基于77GHz/79GHz標準雷達芯片的多級聯(lián)方式,從而提升功率和角分辨率。

大陸博世采埃孚等傳統(tǒng)毫米波雷達供應商均采用這種方案的雷達芯片實現(xiàn)4D成像毫米波雷達。

這種方案的優(yōu)點在于產(chǎn)線鏈和技術(shù)比較成熟,相對容易落地。弊端是雷達的尺寸大,不利于裝車,功耗特別大,散熱很難。另外由于這些方案往往需要采用更多的芯片硬件,成本也會比較高。主流tier 1的傳統(tǒng)毫米波雷達價格大約70-80美元,4D毫米波雷達的價格大約要到150-200美元。

第二種:通過將多發(fā)多收天線集中在一個芯片中,通過研發(fā)芯片組來實現(xiàn)上述功能。這種方案其實與芯片級聯(lián)類似,但是將天線,MMIC等進一步集成至芯片級別,可以將雷達進一步小型化。目前,該技術(shù)的代表公司主要有Ainstein、Arbe、Oculii、RFIsee、Vayyar、Aeres EM、Cognitive、Unhder等雷達新勢力。

Arbe公司基于格芯22FDX工藝自主開發(fā)的雷達芯片組解決方案—“Phoenix”,尺寸僅拇指大小。Arbe的4D成像雷達目前的價格在300-400美元,Arbe公司預計,隨著市場規(guī)模的擴大和供應鏈的成熟,未來可以降低到50美金左右。

第三種:通過使用自適應超材料來解決上述問題。所謂自適應超材料,是將智能化引入材料的結(jié)構(gòu)中,以實現(xiàn)可編程功能。工程設計可以從被動形式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃有问剑岳脛討B(tài)和任意電磁(EM)波場來開發(fā)可編程的超表面??梢院唵卫斫鉃?,這種材料能接受和響應外部信息,自動改變自身狀態(tài),以適應外部環(huán)境變化。該技術(shù)的代表公司主要包括MetaWave、EchoDyne等。

這種方案的優(yōu)勢是電路可以做到非常小,不過受限于上游超材料供應鏈基礎較弱,商業(yè)化仍有很長的時間要走。

當前有哪些品牌生產(chǎn),價格怎么樣?未來應用趨勢如何?

4D毫米波雷達算是3D毫米波雷達的升級版。與激光雷達相比,首先4D毫米波雷達的成本上僅為激光雷達的10%-20%,其次,激光雷達存在一個缺陷:容易受到雨霧天氣變化的影響。而4D成像雷達就算遇到下雨天氣,偵測范圍還是可以達到300米。最后如我之前文章《通過廣州車展-看自動駕駛激光雷達》中介紹當前激光雷達主流為MEMS方案其實內(nèi)部還是存在機械零部件所以,存在使用壽命等方面的擔心。

但是4D毫米波的點云數(shù)量是遠少于激光雷達,僅僅相當于8-16線的早期激光雷達,當前激光雷達主流128線,所以從智能AI和精準性方面來看激光雷達有他獨特的優(yōu)勢。

所以,4D毫米波雷達一方面可以逐步取代傳統(tǒng)的3D毫米波雷達,另一方面可以作為激光雷達的補充或替代,隨著自動駕駛技術(shù)的進一步發(fā)展,4D毫米波雷達的滲透率會逐漸增加。

根據(jù)Yelo 的預測未來全球4D毫米波雷達的市場在2027年達35億美元。據(jù)中金公司預計,至2025年中國車載4D成像雷達市場規(guī)模在悲觀、中性、樂觀情況下有望分別達到1.9億美元、3.6億美元、5.4億美元。

當然這個賽道上也是擠滿了人,和汽車新能源一樣,傳統(tǒng)巨頭們都在做例如Continental、Bosch、Hella、Denso、Aptiv 和 Veoneer,還有不少新勢力殺入例如Ainstein、Arbe、Oculii、RFIsee、Vayyar、Aeres EM、Cognitive、Unhder。中國也不少,例如華為,華域,福瑞泰克,森思泰克,縱目。還有創(chuàng)業(yè)的楚航科技,威孚科技。

所以通過以上發(fā)現(xiàn),其實4D毫米波雷達大批量應用的條件已經(jīng)具備,可以預見,接下來會大批量出現(xiàn)在我們?nèi)粘J褂玫钠嚿厦?,也會推高當前智能駕駛汽車的功能和安全體驗,助力智能汽車的發(fā)展。