对于毫米波雷达,确切说是4D成像毫米波雷达,2021年注定是极不寻常的一年。在汽车行业“新四化”变革大潮中,各路主机厂的纷纷加持正将4D成像技术推上风口,其大规模商用已渐行渐近。

 

毫米波雷达人们并不陌生,4D成像则不然,在自动驾驶使用的众多传感器中,其技术有何优势?能扮演何等角色?谁在引领技术发展?又将如何商用落地?

 

当下,汽车雷达已应用于 ACC 和 AEB,但它们还不足以提供最佳性能,亦无法满足 L2+/L3/L4 级别自动驾驶应用所需的功能。Arbe 成像技术为自动驾驶系统提供了所需的洞察力,让 4D 成像雷达成为骨干传感器套件。Arbe 独特且具有颠覆性的雷达技术让 4D 成像功能应用于自动驾驶系统中,在极具挑战性的恶劣光线和天气条件下,弥补视觉传感器的不足。此外,4D 成像雷达可以几乎 0 延时地提供深度信息和即时径向速度数据。

 

1、毫米波雷达市场格局微妙

多年来,英飞凌和恩智浦几乎垄断了毫米波雷达芯片组市场,后面的意法半导体一直在追赶。2020年初,英飞凌宣布进入车用4D高清点云成像雷达市场,不过还没有相应芯片发布。

 

 

早在2016年底,德州仪器(TI)就推出了基于CMOS工艺的高集成度77GHz毫米波雷达传感器,但并没有改变毫米波雷达芯片组市场的格局。于是,德州仪器于2018年底抛出了4D成像毫米波雷达概念。

 

其实,成立于2015年的以色列初创公司公司Arbe一直在苦心钻研针对汽车应用的新型4D成像雷达。

 

2019年1月,Arbe发布采用专利芯片组技术的车规级4D成像雷达测试版产品——Phoenix,其图像清晰度比业内同类雷达清晰百倍,可提供卓越的实时动态、静态目标物分离。

 

2019年9月,Arbe推出首款全新高密度雷达天线,其频道数量、视野宽度和分辨率均达到市场最高数值,能够以前所未有的卓越能力检测行人,并将其与人行道分离,为ADAS和自动驾驶增加了新的安全保障。

 

2020年10月,Arbe又推出首个2K高分辨率成像雷达开发平台,为客户的成像雷达系统设计带来颠覆性改变。

 

Arbe的解决方案小巧玲珑,重量轻且节能,成本可以承受,且完全可定制,可满足所有级别的车辆自动驾驶需求。

 

Arbe 4D成像雷达解决方案

 

2、传统雷达和4D成像雷达区别何在?

雷达系统是通过发射一个信号,并对环境物体的反射信号和发射信号的特性进行比较来估计目标的距离和速度。单发射机、单接收机雷达系统称为单输入单输出(SISO)。如果要估计物体的角度(方位角、仰角或两者兼有),就必须采用机械或电子扫描,因此,快速运动物体的角度估计不准确。

 

雷达工作原理

 

多个发射和接收天线的雷达被称为多输入多输出(MIMO)系统,包括多个发射天线和多个接收天线。

 

从而形成一个虚拟阵列,提供更高的分辨率。雷达性能与雷达中使用的 Tx 和 Rx 信道的数量有关,而使用 2x3 阵列将获得 6 个虚拟信道,Arbe 提供 48Tx 信道和 48Rx 信道,从而获得 2304 个虚拟信道的虚拟阵列。

 

多发射接收天线雷达系统

 

3、传感器尺有所长寸有所短

随着车辆变得更加电动化和电子化,ADAS功能的增加需要使用更多传感器,在安全技术得到提高的同时,也增加了汽车的复杂性、成本和重量。每种传感器都有其优缺点,所以业界普遍采用融合的做法取长补短。

 

摄像头及其他光学解决方案可有效检测目标、测量距离、提供精确成像和跟踪多个目标。但其视野有限,在恶劣天气、强光和阴影区无能为力,还存在隐私权问题。

 

普通雷达在恶劣天气下运行良好,可检测存在、方向、距离和速度,是一种强大而可扩展的解决方案。不过,其小天线阵列导致数据输出分辨率低,无法生成丰富的图像;其窄视场主要集中在一个轴上,角度分辨率有限,无法区分相邻的目标。

 

传统雷达和新型雷达的比较

 

激光雷达(LiDAR)可以精确探测到物体的细节,但同样也不适用于恶劣天气,而且价格昂贵。

 

可以看出,现在的传感器还不够成熟,不足以支持未来的自动驾驶。不过,4D成像雷达的突破性技术恰恰可以取长补短,在具备现有传感器所有优势的同时弥补其缺陷,在任何环境和条件下都能以超高分辨率探测物体,实现所需的安全级别。

 

4、为什么4D成像雷达分辨率更高?

无法区分威胁和误报警是导致自动驾驶车辆事故的主要原因。由于低空间分辨率的限制,无法按到达方向分离目标,同时保持低虚警,使雷达在汽车传感器中被降级为支持性角色。Arbe的4D成像雷达正在改变这一尴尬局面。

 

真实4D雷达图像

Arbe雷达生成的是一幅真正的4D雷达图像,在距离、方位、仰角和多普勒维度上都具有超高分辨率。这是通过高度可靠的目标检测、低旁瓣电平(SLL)和低虚警率来实现的。它几乎不出现虚对象,消除了假阳性和假阴性场景。

 

高分辨率成像除了中心和速度的精度高很多,还提供了有关被跟踪对象的更详细信息,如对象的方向和边界,使之与其他传感器(如相机)的融合更有意义。

 

无与伦比的物理分辨率

Arbe的高物理分辨率是竞争方案的2-10倍,支持每帧100000次以上的检测,具有市场上最高的点云密度。这源于其数字波束形成的48个发射和48个接收天线创建的2304个虚拟通道阵列。Arbe没有使用不可靠的合成或统计分辨率增强,如超分辨率(SR),而是利用宽孔径阵列,以低SLL提供1.25°方位角和1.5°仰角的物理3dB波束宽度,以提高动态范围的可靠性和安全性。这样就使Arbe芯片组在低信噪比(SNR)和多目标场景中仍然有效。高物理分辨率和高动态范围提供了分离各种物体的能力,例如卡车旁边的摩托车、卡在桥下的汽车和站在围栏旁边的行人或更换爆胎的车辆。

 

高分间分辨率和多普勒分辨率提供了卡车的方向信息

 

该系统还可以跟踪移动物体,绘制环境和静止障碍物地图,生成自由空间地图,既可路径规划,又能提供精确定位。

 

专家解释说,从物理学角度看,时间是第四维度,因为时间元素是从多普勒得到的。成像雷达实际上创造了一个阵列,使测量密度急剧增加。传统2D雷达比较粗糙,每个物体只产生一个点,而成像雷达可以提供许多点,产生的是垂直分辨率,可更好地了解被跟踪的物体到底是什么。

 

超高元素密度4D图像

 

换句话说,时间因素一直是雷达功能的关键。4D成像传感器的第四个要素是“横向分辨率”。4D成像雷达不仅能识别水平平面,还能识别垂直平面,例如,汽车可以决定是在物体的“下面”还是“上面”通过。

 

例如,一辆汽车在高速公路上以每小时80公里速度行驶,一辆摩托车(低反射率小物体)以每小时120公里的速度从后面驶来。与摄像头和激光雷达不同,4D雷达可以发现最初相距很远的摩托车,并识别出这两个物体在以不同速度移动;还可以显示一个物体是朝着自己移动还是向远处移动。

 

5、4D成像如何成为自动驾驶主角?

Arbe的全球第一个2K超高分辨率4D成像雷达平台消除了之前的分辨率限制,重塑了雷达。它能够以高分辨率评估距离、高度、深度和速度,在提供广阔视野的同时实现远程低虚警率。随着这项技术的进步,有望让雷达从辅助配件升级为从L2到L5安全自动驾驶的核心。

 

Arbe 2K超高分辨率4D成像雷达规格

 

归纳起来,4D成像雷达具有以下优势:

 

实时障碍检测:在所有天气和照明条件下,以广阔视野提供高度详细的环境图像,实时发现各种障碍,包括路边较小的目标,如人或自行车,即使它们被一棵树或卡车等大物体遮挡,也可以确定它们是否在移动,朝哪个方向移动,为车辆提供实时态势数据和警报。

 

远距离探测:实现所有传感器中最远距离的探测,最有可能成为第一个发现危险的设备。然后,它可以将摄像头和 LiDAR 引导到感兴趣区域,大大提高安全性能。

 

路径规划:提供真正的路径规划,因为它可以在超过 300 米范围内创建道路的详细图像,并捕捉汽车周围物体的大小、位置和速度数据。

 

物体高度分离:识别出汽车正前方对着的物体是否(如桥梁)静止,是否必须停下来或者可以安全行驶过去。

 

降低处理和服务器需求:由于只将摄像头和 LiDAR 对准感兴趣区域,利用高质量的雷达后处理将解决当前原型的主要问题——功耗。

 

大幅降低生产成本:即使在 L3 以上,也无需为每辆车配备一个以上的 LiDAR 单元,或者可能根本不需要 LiDAR,有助于制造商降低成本。自动驾驶传感器套件的量产成本应低于 1000 美元,而今天测试的一些车辆使用的部件和系统成本是这个价格的 100 倍。

 

这样,ADAS系统就可以信任雷达读数,实现快速响应,并防止不必要的停车。所以,4D成像雷达为导航、路径规划和避障提供了基础,能够支持L4和L5自动车辆安全性和准确性方面的感测要求。

 

6、Arbe雷达开发平台的技术突破

Arbe雷达开发平台的技术突破点包括:按方位角和仰角的高分辨率分离物体;检测对象的方向和边界;消除假警报;具有超高的物理分辨率;减少相互干扰;无多普勒模糊。这些突破具体体现在以下六个方面:

 

首先是采用最先进的 RF 芯片组。Arbe 开发的专有毫米波汽车级雷达 RFIC 芯片组包括一个 24 输出通道的发射器芯片和一个 12 输入通道的接收器芯片。经 AEC-Q100 认证的 RF 芯片组采用新的 22nm FD-SOI CMOS 工艺(22FDX),支持 TD-MIMO,在通道隔离、噪声系数和发射功率方面具有同类最佳性能。利用最新 RF 处理技术,Arbe 以市场上每通道最低成本实现了最先进的 RF 性能。

 

射频芯片组

 

第二是雷达处理技术。Arbe 自主研发的独特的基带处理器(Everest)集成了获得专利的雷达处理单元(RPU)架构和嵌入式专有雷达信号处理算法,可在保持低硅功耗的同时,实时处理和转换大量原始数据。RPU 能够实时处理多达 48 个 Rx 通道和 48 个 Tx 通道,每秒生成 30 帧完整 4D 图像,等效处理吞吐量为 3Tb/秒。

 

第三是互干扰抑制。使用雷达传感器的车辆越来越多,有的多达 8 个传感器,大多数在同一频段发射。因此,随着雷达装车量不断增加,雷达相互干扰的风险与日俱增,尤其是在密集的城市环境中,近距离(逆向和同向)干扰更是如此。当雷达干扰发生时,探测漏报或错报可能再次导致事故。Arbe 获得专利的 FMCW2.0 系统创新可有效避免并减轻其他 FMCW 雷达发射机干扰,使性能下降最小甚至没有下降。

 

第四是安全。Everest 处理器包括一个专用的 ASIL-D 安全岛,用于监督系统的安全运行。Arbe 雷达的设计考虑到了安全性,特别强调降低误报率。Arbe 遵循 ISO 26262 标准,可实现连续的内置雷达系统自检。

 

第五是后处理与 SLAM 算法。Arbe 开发的专有后处理软件栈包括为增强型 FMCW TD-MIMO 成像雷达优化的基于雷达的 SLAM 解决方案。SLAM 算法实现了实时聚类、跟踪、自定位、假目标过滤和基于雷达/雷达-相机的目标分类。

 

第六是增强感知算法。作为高级感知能力的基础,Arbe 的 4D 成像雷达平台包括精确实时推断车辆速度和车道内定位的功能。雷达数据后处理有助于跟踪和对车辆整个视野中的目标进行分类,确定其方向和运动矢量,并提供精确和准确的自由空间映射,在任何天气或光照条件下区分可驾驶和不可驾驶环境。

 

Arbe雷达开发平台框图

 

7、加快商用进程

如今,雷达在自适应巡航控制(ACC)、盲点检测(BSD)和自动紧急制动(AEB)等安全系统中发挥着至关重要的作用。但目前市场上的雷达技术必须在有限视场的中等分辨率和宽视场的低分辨率之间进行取舍。

 

要实现L4和L5车辆,主机厂必须采用下一代传感技术,通过使用高分辨率成像雷达,在约1度方位角和2度仰角下,以4D高分辨率在100度广角范围内感知环境。

 

另一个很重要问题是过滤假警报的能力。为了提供最佳灵敏度,雷达通常使用最低检测阈值,因此会报告一些噪声,需要用后处理和跟踪来滤除随机噪声,而校准方案只能达到极低的副瓣电平。

 

为此,随着高分辨率成像雷达的出现,许多雷达供应商都迫切希望将雷达提升为唯一能够在恶劣天气和光照条件下工作的高速传感器。

 

为加快商用进程,Arbe 2K高分辨率成像雷达开发平台为Tier 1、主机厂和新晋参与者提供了彻底改变其成像雷达系统并增强其感知算法的能力。该开发平台提供以下组件:

 

完整的 Arbe 成像雷达芯片组,配备 RF 发射器和接收器芯片,以及专利成像雷达处理器;

 

具有业内最密集通道阵列的雷达天线,提供符合主机厂当前尺寸规格的外形尺寸;

 

抽象硬件访问和调度的软件层;

 

指导 Tier 1 和主机厂系统开发的参考设计。

 

在自动驾驶传感器套件中当然也需要光学传感器,而4D成像雷达因为解决了以下问题,使车辆能够达到所要求的安全性能:

 

全天候下最高的可靠性,包括雾、大雨、漆黑的夜晚和空气污染;

 

根据汽车行业要求,探测最远超过 300 米的障碍物;

 

测量每帧的多普勒(径向速度);

 

防止篡改或未经授权的访问的车载安全解决方案;

 

便于车辆前格栅集成的紧凑设计;

 

支持动态校准;

 

脱离 PoC(验证性测试)阶段进入量产的能力。

 

2019年12月,Arbe获得了来自北京汽车集团和现代集团等机构的投资;目前正在与来自美国、欧洲、中国和日本的25家Tier 1和主机厂合作,开发基于Arbe成像雷达开发平台的新一代雷达系统。预计基于Arbe技术的雷达将于2022年搭载量产车辆。

 

8、成为行业标准指日可待

正是因为4D成像雷达的突出优势,整个行业正在将4D成像雷达作为自动驾驶传感器套件中不可或缺的重要元素,为自动驾驶车辆配备更灵敏的耳朵和眼睛,从而形成一个更安全的汽车市场。4D成像雷达也有望成为雷达的行业标准,对自动驾驶车辆产生深远的影响。