4D毫米波雷达方案介绍

毫米波雷达最大的“缺陷”是分辨率不高，无法辨识行人和对周围障碍物进行精准的建模，而分辨率智能雷达传感器对于实现高级自动驾驶是未来的发展趋势。为了给雷达“开眼”，各家企业各显神通，采用不同的技术进行了大胆的创新，为了解决传统毫米波雷达角分辨率低、点云密度低的问题，当下出现了四种4D毫米波雷达解决方案：

1、基于传统CMOS雷达芯片，提供软件虚拟雷达孔径，强调“软件定义的雷达”，主要厂家有傲酷、Mobileye等；

软件虚拟雷达孔径，其核心在于通过软件模拟，增大毫米波雷达的孔径以提升角分辨率。角分辨率即为雷达的指向精度。比如雷达指向精度0.01弧度（换算成角度就是0.6度），那么自动驾驶车辆可以在100米的距离获得1米的分辨率。在雷达中，角分辨率的高低与波长与孔径大小有关。即波长越长，角分辨率越低，孔径越大，分辨率越高。

传统毫米波雷达大多为24GHz，波长较长且孔径小，其特性注定角分辨率低。倘若扩展天线的尺寸或者增加天线的数量，可以提高雷达性能，但也会显著增加成本、尺寸和功耗。而4D毫米波雷达可通过虚拟孔径成像软件算法和天线设计，模拟数倍、甚至数十倍天线以提升角分辨率。

美国的4D成像雷达公司傲酷推出的商用4D成像雷达EAGLE，其搭载虚拟孔径成像软件可动态发送相位调制的自适应波形。该波形可跟随环境实时变化，并随时间编码数据，从而可雷达硬件的角分辨率最高提升达100倍。最终实现120°水平/30°纵向的宽视场中提供0.5°水平x1°纵向的角分辨率。下图是傲酷Eagle和Velodyne16线激光雷达生成点云对比。

傲酷Eagle vs Velodyne16线激光雷达

2、将多发多收天线集成在一颗芯片，直接提供成像雷达芯片，比如Arbe、Vayyar等；

车用毫米波雷达芯片是整个系统的核心，它包括多种功能电路，如低噪声放大器（LNA）、功率放大器（PA）、混频器、压控振荡器（VCO）、锁相环频率综合器（PLL）、本振链路（LO）、移相器、倍频器、分频器、可编程增益放大器（PGA）、滤波器、甚至收发天线等，需要具备射频损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、输出功率大、功率附加效率高、抗电磁辐射能力强等特点。

当今量产的76GHz~81GHz毫米波雷达芯片技术大都采用SiGe制程，接收通道、发射通道和本振通道分开实现。目前正在向成本更低、集成度更高的硅基CMOS技术演进，从65nm、40nm逐步向28nm、16nm工艺演进，同时集成度进一步提高，实现射频前端、ADC、MCU和存储器单片全集成，达到成本低、封装小、重量轻、功耗低的设计要求。

车用毫米波雷达核心芯片技术发展趋势

毫米波雷达根据点云密度由低至高可分为24GHz、77GHz、79GHz三种，其中24GHz为市场主流，77GHz及79GHz初入量产阶段。

点云密度低意味着自动驾驶车辆在行驶中无法对周围行人、车辆、桩桶点云成像，使得仅搭载毫米波雷达的车辆无法在复杂路段行驶。而目前4D毫米波雷达普遍为77GHz及以上频段，车辆可在行驶中达到类似激光点云的成像方式。

该技术的代表公司为以色列初创公司Vayyar，其推出的单片成像雷达可通过获取动态点云构建实时、高分辨率的四维可视化机舱和汽车外部环境。

3、将77GHz/79GHz的标准雷达芯片多芯片级联，以增加天线数量，比如大陆、博世、ZF等一众公司；

毫米波雷达天线的主流方案是微带阵列，利用较小的高频印刷电路板（PCB）空间产生足够的天线辐射强度，并实现与芯片的互连。

车用毫米波雷达天线与模块的主要技术路线

基于多芯片级联的79GHz MIMO毫米波成像雷达是未来产业化方向。采用多芯片级联和微型化PCB板载天线阵列，加上雷达信号处理，可以实现面向高精度多维成像的79GHz MIMO虚拟阵列雷达，将识别精度进一步提升到微米级别，支持距离、速度、角度、高度测量和多视角可调多工作模式，实现全天候下的多维毫米波成像。

芯片级联可分为二级联、四级联、八级联三种方法。通过将2个/4个/8个的3发4收的芯片联为一体，组成6发8收/12发16收/24发/32收芯片。然而，此种传统提高角分辨率的方式，只是简单堆砌更多芯片、更多天线。例如提高角分辨率到1度角，必须通过四个芯片级联、增加天线。但雷达硬件受成本、尺寸、功耗的限制较大，较少公司采用此方法提高角分辨率。

4、通过超材料研发新型雷达架构，代表厂家有Metawave等。

通过在超材料表面上嵌入显微结构，该结构可结合电磁波传播技术，以此创建出比传统电路要小很多的电路。此类技术为代表的公司是Metawave，其SPEKTRA雷达通过模拟波束并不断转向波束，可对350米以上的车辆和200米以上的行人进行检测和分类。

Metawave采用的方法是把电磁波束紧紧地聚拢起来，让其能量集中在一处，如图。而要实现这样的效果，在数字空间（Digital Space）是办不到的，只有在模拟空间（Analog Space）里才能做到。实际上，WARLORD可以说是一款模拟波束雷达产品（Analog Beam Forming Radar）。

WARLORD的技术特性：

其一，采用可操控的天线。Metawave采用的是单天线，而非天线阵列，同时接收也是单线的。这种天线由复合超材料结构而成，每一个超材料单元（Unit Cell）都有活跃组件能够参与波束成形，还能调整波束角度。这相较于如今大部分雷达用的多天线结构有很大的优势。

复杂的波束扫描

其二，信号收发端进行了整合。Metawave采用了英飞凌、NXP和TI等Tier2的芯片，并与他们进行合作，将天线和芯片组进行了整合。

其三，优越的微控制技术。比如要控制天线探测前方的物体，追踪其距离、角度、速度以及运动的方式，同时还要判断这些物体的类别，最后还要把这些经过处理的信息传送给（自动驾驶汽车）的传感器融合单元。 

5、4D毫米波雷达的技术优势

4D毫米波雷达的四种方案，针对传统毫米波雷达缺陷逐个击破，以此拿到进入L3自动驾驶的门票

4D毫米波雷达在原有距离、方位、速度的基础上增加了对目标的高度维数据解析，能够实现距“3D+速度”四个维度的信息感知，可以有效地解析目标的轮廓、类别、行为。

4D毫米波雷达对比

4D毫米波雷达系统可以适应更多复杂路况，包括识别较小的物体，被遮挡的部分物体以及静止物体和横向移动障碍物的检测。

从性能效果来说，4D成像毫米波雷达算是3D毫米波雷达的升级版，另一方面，从成本上看，4D成像毫米波雷达的成本也仅为激光雷达的10%-20%。

相比于传统的3D毫米波雷达，车载4D毫米波雷达在工作时，除了能够解算出目标的距离、速度、水平角信息，还能解算出目标的俯仰角信息，进而可以提供汽车周围的环境信息，能够避免窨井盖、路肩、减速带所产生的虚警现象。

除此之外，得益于能够提供目标的高度信息，捕捉到汽车周围目标的空间坐标和速度信息，4D毫米波雷达还能够提供更加真实的路径规划、可通行空间检测功能。

目前4D成像毫米波雷达产品，主要面临着两个难题：

首先是目前对4D毫米波雷达的需求并不明确。原本毫米波雷达只输出带有距离、速度信息的目标，但4D成像毫米波雷达还额外提供了具有方位角信息的点，企业究竟要利用这一特征达到何种感知目的，目前业内还没有明确的方案。

第二大难点则是现下业内并没有专门针对4D成像毫米波雷达的测试设备，行业的生态链并不成熟。厂商们只能利用传统毫米波雷达的测试设备，来验证其4D成像毫米波雷达产品的性能。但是目标模拟器这样的传统测试设备，其分辨率并不高，无法验证4D成像毫米波雷达的分辨率是否达到了1°或者零点几度。如果产品的一些基础性能出了问题，比如天线设计，没有办法在实验室里检测出来，做不了前端测试，无法形成一个完整的研发闭环。”

但4D成像毫米波雷达趋势已不可逆转。中国的4D成像雷达市场将领跑全球，国内市场L2+及以上新车搭载率有望在2025年突破50%。同时，4D成像雷达将从2023年初开始小规模前装导入，预计到2023年，搭载量有机会突破百万颗，到2025年占全部前向毫米波雷达的比重有望超过40%。