大陆汽车 ARS540 是全球最先进的毫米波雷达,没有之一。为什么称其为最先进?因为 ARS540 有 9 项世界第一或唯一,宝马的下一代自动驾驶车辆 iNext 将首先使用,北美通用在其高端车辆上也会使用,这是一颗为 L5 级自动驾驶设计的毫米波雷达。
 

首先,ARS540 是分辨率最高的毫米波雷达,地平经度 Azimuth 或者说水平方位角分辨率达 1°(2017 年原始设计为 1.2°),是绝大多数毫米波雷达水平分辨率的 7-12 倍,绝大多数毫米波雷达水平分辨率只有 7-12°。

 

其次,ARS540 是唯一具备能够真正测量目标高度的毫米波雷达,也就是其高度分辨率 Elevation 比较高,达到 2.3°。为什么要测量高度?因为窖井盖、减速带、立交桥、天桥、路边金属牌会导致雷达误动作,因此传统雷达都将静态目标过滤掉。如果能测量高度,就能提高目标检测的置信度,不再过滤静态目标。

 

ARS540 的高度测量

 

第三,ARS540 有效距离在水平 FOV 达到 120°情况下高达 300 米,远超其他毫米波雷达,其他毫米波雷达有效距离可达 250 米,但 FOV 会缩到只有 8-10°,远低于 ARS540 的 120°(第一代设计是 100°,最后定型是 120°)。
 

第四,ARS540 是唯一能够输出图像的毫米波雷达,大陆汽车称之为 Radar Detection Image Output RDI,即点云输出。效果逼近 8 线激光雷达。

 

第五,ARS540 使用微多普勒技术,是唯一可以检测道路弱势群体使用者 VRU(如老年人和儿童)的毫米波雷达。

 

第六,ARS540 是唯一使用 SAR 合成孔径技术提高近距离分辨率的毫米波雷达,在 10 米范围内,ARS540 会使用 SAR 技术提高角分辨率。

 

第七,ARS540 是唯一不过滤静态目标的毫米波雷达,绝大多数毫米波雷达因为担心误报,过滤掉了静态目标,ARS540 具备超高分辨率,同时能检测物体高度,因此不担心误报,所以就保留静态目标。

 

第八,ARS540 是唯一具备复杂交通场景下轨迹跟踪与预测的毫米波雷达。第九,ARS540 可以探测到隐藏的车辆。大陆汽车上一代最先进产品 ARS430 有 40%的几率检测到隐藏车辆,ARS540 可以做到 80%。而大部分毫米波雷达只能做到 20%,因此就过滤掉了这些数据。

 

ARS540 采用 4 片级联的形式,将 4 片 NXP 的 77GHz 毫米波雷达收发器(即 MMIC)MR3003 级联,每个 MR3003 是 3 发 4 收,4 片就是 12 发 16 收,目前绝大多数毫米波雷达都是采用单片收发器,通常只有 3 发 4 收,也就是只有 12 个虚拟通道,而 ARS540 是 192 个虚拟通道,分辨率大大提高。可以称之为图像雷达。

 

实际毫米波雷达高度测量或者说俯仰角测量不是新鲜事,博世在 2012 年的 MRR 雷达上就提出有此项功能,国内华域汽车、芜湖森斯泰克、木牛科技、傲酷也有近似方案。为何大陆汽车敢说全球唯一“真正”高度测量?

 

众所周知,传统雷达输出 3 个维度的信息,分别是方位角、速度和距离。后两者通过 FFT 取得,前者是利用多个天线的相位差信息获得。传统雷达没有俯仰角天线通道,只有方位角天线通道,自然就没有俯仰角信息。解决办法有几种,通常是增加俯仰通道,但是在总通道数不变的情况下,意味着水平方位角精度的降低,毕竟水平方位角才是主要信息。要增加总通道数,成本增加还是小事,运算量会大幅度增加数倍乃至几十倍,现在的 77Ghz 雷达处理芯片基本被英飞凌和 NXP 垄断,没有合适的芯片可用。因此大部分厂家的俯仰通道只是勉强做到,精度很低,博世 MRR 采用俯仰面天线方向图幅值比来计算俯仰角,这种方法不增加通道数,也不增加成本,只增加俯仰天线的主波束宽度。这种方法需要先验知识,且无法区分非水平目标处于高处还是低处。

 

大陆汽车可能采用了 Monopluse 的设计,相当于一根物理天线做俯仰角测试,再通过 MIMO 虚拟通道增加精度。AR540 采用双波束成形,一个波束是 48 (Az.) x 1 (El.) = 48 channels,转为方位角设计,大幅度提高方位角测量精度。另一个是 24 (Az.) x 6 (El.) = 144 channels,里面包含了俯仰角测量。

 

 
ARS540 在 2016 年设计,最初的设计是使用 NXP 的 S32R274 两片,但这带来一些问题,两片 S32R274 导致 PCB 面积太大,而汽车雷达是希望尽量小体积的,同时前端的传感器融合需要比较高的带宽,大陆汽车最初的设计是使用 MIPI CSI3,其带宽为 14.88Gbps,比我们常用的 MIPI CSI2 更好,而 S32R274 是 MIPI CSI2。但是支持 MIPI CSI3 的芯片很少。此外大陆汽车希望 ADC 的精度更高,这样高度分辨率才足以实用,并且两片芯片的时钟同步等工作也比较麻烦,最终大陆汽车决定使用 Xilinx 的 Zynq UltraScale+ RFSoC 系列 FPGA。
 

 
Xilinx 的 ZynqUltraScale+ RFSoC 系列 FPGA 专用射频领域设计,内部包含超高精度 ADC 和 DAC,有 12、14 比特两个档次选择,最多 16 个 ADC 或 DAC。通常 ASIC 里考虑成本,ADC 和 DAC 的配置都不会如此豪华,S32R274 里只有 4 个 12 比特 ADC,取样率只有 10Msps。
 

Xilinx 的 Zynq UltraScale+ RFSoC 框架图

 

 

 
Xilinx 的 Zynq UltraScale+ RFSoC 内含强大的 DSP 运算资源,有 3145-4272 个 48 比特 DSP 元素可选,这就意味着 FFT 精度可以增加。
 

 

第一个 FFT 运算解出距离值,对车载毫米波雷达来说 256 点的 FFT 都足以胜任,军事上则高达 8192 点。接下来第二个 FFT 运算解出速度值,因为速度值没有距离值重要,128 点 FFT 都足以胜任。S32R274 的最大 FFT 是 512 点。Xilinx 的 ZynqUltraScale+ RFSoC 可轻易做到 4096 点。由于有 4 核 A53 和 Cortex R5,ARS540 可以运行嵌入式 Linux,也可以运行 RTEMS 或 QNX。能够满足功能安全认证。

 

当然 FPGA 比 ASIC 还是要贵一点,HDL 语言能熟练运用的人也很少,4D 雷达的天线校准也是难题。ARS540 为大陆汽车的毫米波雷达再次确立了霸主位置,并增加了护城河的宽度。

 

 

不止毫米波雷达领域,激光雷达、双目、Infotainment、单目视觉、域控制器也是 FPGA 的广阔天地。如果 AMD 收购成功,Xilinx 则具备更强的发展动力。