2020年中期，汽車毫米波雷達(dá)市場(chǎng)占有率第一名德國(guó)大陸汽車推出全球第一個(gè)4D成像毫米波雷達(dá)，即ARS540，第一個(gè)使用ARS540的車型可能是寶馬的電動(dòng)車旗艦iX。這之后4D成像毫米波雷達(dá)概念風(fēng)靡業(yè)界。最近上海車展上華為也發(fā)布4D成像毫米波雷達(dá)。

　　4D成像毫米波雷達(dá)的技術(shù)門檻極低，德州儀器在2016年底推出基于CMOS工藝的高集成度77GHz毫米波雷達(dá)芯片，其適用于中短距場(chǎng)景的AWR1642 系列將前端MMIC RF、DSP和MCU三個(gè)模塊集成在一個(gè)77GHz毫米波雷達(dá)SoC芯片上，顯著降低了毫米波雷達(dá)成本，大幅拉低了車載毫米波雷達(dá)的硬件開(kāi)發(fā)難度。

　　針對(duì)近距離場(chǎng)景，TI打造了集成度更高的天線片上集成（AoP）芯片，將天線集成在芯片里，將難度最高的平面印刷天線集成其中，讓天線工程師無(wú)路可走，也將毫米波雷達(dá)價(jià)格拉低到百元級(jí)別。相比其他雷達(dá)芯片廠商，TI芯片開(kāi)發(fā)具有傻瓜式的特點(diǎn)，底層軟件開(kāi)發(fā)很完備，工具鏈做的很容易上手，任何一個(gè)入行兩年的射頻工程師基本都可以單獨(dú)一個(gè)人搞定一個(gè)毫米波雷達(dá)設(shè)計(jì)。這就滋生了數(shù)量眾多的初創(chuàng)毫米波雷達(dá)企業(yè)。

　　然而時(shí)間長(zhǎng)了TI發(fā)現(xiàn)，NXP和英飛凌幾乎壟斷的毫米波雷達(dá)芯片組市場(chǎng)格局并未有改變，于是TI另辟蹊徑，力推4D成像毫米波雷達(dá)概念，基本上在2018年底就提供基于AWR2243的4片級(jí)聯(lián)4D毫米波雷達(dá)全套設(shè)計(jì)方案，包括最難搞的天線也考慮在內(nèi)，內(nèi)嵌4-element series-fed patch 天線。算法部分則提供MATLAB MIMO和beamforming兩種選擇，就像交鑰匙工程，讓4D成像毫米波雷達(dá)沒(méi)有技術(shù)門檻。

　　與此同時(shí)，作為毫米波雷達(dá)霸主的德國(guó)大陸汽車也在研發(fā)4D成像毫米波雷達(dá)，實(shí)際在2015年大陸汽車就預(yù)感到傳統(tǒng)3D（即速度、距離和方位角，這是傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)提供的數(shù)據(jù)）毫米波雷達(dá)已經(jīng)走到盡頭，ARS540的研發(fā)工作起始于2016年，最初的設(shè)計(jì)是使用NXP的S32R274兩片，但這帶來(lái)一些問(wèn)題，兩片S32R274導(dǎo)致PCB面積太大，而汽車?yán)走_(dá)是希望盡量小體積的，同時(shí)前端的傳感器融合需要比較高的帶寬，大陸汽車最初的設(shè)計(jì)是使用MIPI CSI3，其帶寬為14.88Gbps，比常用的MIPI CSI2更好，而S32R274是MIPI CSI2。但是支持MIPI CSI3的芯片很少。

　　此外大陸汽車希望ADC的精度更高，這樣高度分辨率才足以實(shí)用，并且兩片芯片的時(shí)鐘同步等工作也比較麻煩，最終大陸汽車決定使用Xilinx的Zynq UltraScale+ RFSoC 系列FPGA。Xilinx的ZynqUltraScale+ RFSoC 系列FPGA專用射頻領(lǐng)域設(shè)計(jì)，內(nèi)部包含超高精度ADC和DAC，有12、14比特兩個(gè)檔次選擇，最多16個(gè)ADC或DAC。通常ASIC里考慮成本，ADC和DAC的配置都不會(huì)如此豪華，S32R274里只有4個(gè)12比特ADC，取樣率只有10Msps。

　　在被FPGA取代后，NXP也開(kāi)始抓緊研發(fā)針對(duì)4D成像毫米波雷達(dá)芯片組的工作，2020年12月NXP推出S32R45  4D成像毫米波雷達(dá)信號(hào)處理器和TEF82xx收發(fā)器。為4D 成像毫米波雷達(dá)芯片組增加了一個(gè)選擇項(xiàng)，未來(lái)英飛凌和ADI公司也很有可能推出相關(guān)的芯片組。

　　ARS540采用4片級(jí)聯(lián)的形式，將4片NXP的77GHz毫米波雷達(dá)收發(fā)器（即MMIC）MR3003級(jí)聯(lián)，每個(gè)MR3003是3發(fā)4收，4片就是12發(fā)16收，目前絕大多數(shù)毫米波雷達(dá)都是采用單片收發(fā)器，通常只有3發(fā)4收，也就是只有12個(gè)虛擬通道，而ARS540是192個(gè)虛擬通道，分辨率大大提高?？梢苑Q之為圖像雷達(dá)。

　　TI的方案也是如此，如出一轍，只是用AWR2243代替MR3003，用TDA2x代替FPGA。除德國(guó)大陸汽車，中國(guó)乃至全球的4D成像毫米波雷達(dá)基本都是基于TI的級(jí)聯(lián)方案，有追求低成本的2片級(jí)聯(lián)，有追求性能的4片級(jí)聯(lián)。還有家以色列的初創(chuàng)公司Vayyar自己開(kāi)發(fā)關(guān)鍵的收發(fā)器芯片，華為的12發(fā)24收4D成像毫米波雷達(dá)似乎是采用自己做的芯片，應(yīng)該是4片3發(fā)6收的收發(fā)器級(jí)聯(lián)而成，但也有可能是德州儀器的AWR1642六片級(jí)聯(lián)而成。AWR1642是2發(fā)4收。

　　我們先來(lái)看德州儀器的方案，德州儀器提供全套電路圖。

　　德州儀器4D成像毫米波雷達(dá)開(kāi)發(fā)板框架圖

　　德州儀器4D成像毫米波雷達(dá)內(nèi)嵌4-element series-fed patch天線，采用業(yè)內(nèi)品質(zhì)最高的RogersRO3003 PTFE載板。

　　可以看出，老牌的大陸汽車4D毫米波雷達(dá)性能強(qiáng)大無(wú)比，具備碾壓性質(zhì)。德州儀器在距離和分辨率之間做了妥協(xié)。

　　ARS540是唯一具備能夠真正測(cè)量目標(biāo)高度的毫米波雷達(dá)，也就是其垂直分辨率Elevation比較高，達(dá)到2.3°，遠(yuǎn)高于德州儀器方案，畢竟大陸汽車是自己設(shè)計(jì)天線，擁有超過(guò)20年的經(jīng)驗(yàn)，且MR3003也確實(shí)比較強(qiáng)。從這個(gè)角度講，ARS540到目前應(yīng)該還是全球唯一4D毫米波雷達(dá)。當(dāng)然如果不用德州儀器的內(nèi)嵌天線，自己?jiǎn)为?dú)設(shè)計(jì)，可能會(huì)好一點(diǎn)，但也不會(huì)好太多，并且會(huì)付出很長(zhǎng)的研發(fā)周期，購(gòu)置上千萬(wàn)人民幣的研發(fā)設(shè)備和設(shè)施，初創(chuàng)公司肯定不會(huì)這么大手筆投資固定資產(chǎn)。當(dāng)然啦，或者用仿真軟件也湊合可以。

　　ARS540的高度測(cè)量

　　成像毫米波雷達(dá)的成像是什么樣的？

　　上圖是取自德州儀器的開(kāi)發(fā)板說(shuō)明書，這是自行車和行人離車輛1.5米距離時(shí)的毫米波雷達(dá)成像圖，如果是普通的3發(fā)4收單片3D毫米波雷達(dá)，自行車恐怕只能檢測(cè)到一個(gè)點(diǎn)，甚至檢測(cè)不到。即便是成像毫米波雷達(dá)，行人也只是一個(gè)小點(diǎn)，普通雷達(dá)則完全檢測(cè)不到，這是因?yàn)榻饘俜瓷潆姶挪ǖ男阅苓h(yuǎn)比人體要高。顯然成像毫米波雷達(dá)無(wú)法和激光雷達(dá)成像相提并論。

　　對(duì)于車的成像還是相當(dāng)不錯(cuò)的，這個(gè)能勉強(qiáng)看出有車門開(kāi)著。

　　再來(lái)看NXP的方案。

　　上表為TFE82XX與AWR2243主要參數(shù)對(duì)比，NXP性能略勝一籌，德州儀器的取樣頻率更高。

　　NXP的S32R45內(nèi)部框架圖

　　S32R45采用4個(gè)A53運(yùn)算核和3個(gè)M7實(shí)時(shí)運(yùn)行與安全核。整體達(dá)ASIL-B級(jí)，MCU部分達(dá)ASIL-D級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方面有一個(gè)SPT 3.1 @ 600 MHz 集成 DSP 和多線程處理器，一個(gè)BBE32 DSP，環(huán)境模型方面有一個(gè)線性代數(shù)加速器，算力有300GFLOPS。接口異常豐富，包括4x MIPI CSI2，PCIe2 x Gen2/3, 2 lanes， 2 x GbE 10/100/1000 Mbit/s，8 x FlexCAN with FD。支持AUTOSAR MCAL4.4。達(dá)到最高的AEC-Q100 1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即-40 ?Cto 150 °C （Tj） 。

　　所謂4D成像毫米波雷達(dá)的第四就是高度，眾所周知，傳統(tǒng)雷達(dá)輸出3個(gè)維度的信息，分別是方位角、速度和距離。后兩者通過(guò)FFT取得，前者是利用多個(gè)天線的相位差信息獲得。傳統(tǒng)雷達(dá)沒(méi)有俯仰角天線通道，只有方位角天線通道，自然就沒(méi)有俯仰角信息。解決辦法有幾種，通常是增加俯仰通道，但是在總通道數(shù)不變的情況下，意味著水平方位角精度的降低，畢竟水平方位角才是主要信息。要增加總通道數(shù)，成本增加還是小事，運(yùn)算量會(huì)大幅度增加數(shù)倍乃至幾十倍，現(xiàn)在的77GHz雷達(dá)處理芯片基本被英飛凌和NXP壟斷，沒(méi)有合適的芯片可用。因此大部分廠家的俯仰通道只是勉強(qiáng)做到，精度很低，博世MRR采用俯仰面天線方向圖幅值比來(lái)計(jì)算俯仰角，這種方法不增加通道數(shù)，也不增加成本，只增加俯仰天線的主波束寬度。這種方法需要先驗(yàn)知識(shí)，且無(wú)法區(qū)分非水平目標(biāo)處于高處還是低處。

　　大陸汽車可能采用了Monopluse的設(shè)計(jì)，相當(dāng)于一根物理天線做俯仰角測(cè)試，再通過(guò)MIMO虛擬通道增加精度。AR540采用雙波束成形，一個(gè)波束是48 （Az.） x 1 （El.） = 48 channels，轉(zhuǎn)為方位角設(shè)計(jì)，大幅度提高方位角測(cè)量精度。另一個(gè)是24 （Az.） x 6 （El.） = 144 channels，里面包含了俯仰角測(cè)量。

　　所謂成像意義不大，即使再?gòu)?qiáng)的深度學(xué)習(xí)碰上毫米波雷達(dá)那樣稀疏的圖像也基本無(wú)能為力。

　　能測(cè)高度的同時(shí)就可以不再過(guò)濾靜態(tài)目標(biāo)，因?yàn)榻丫w、減速帶、立交橋、天橋、路邊金屬牌會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)誤動(dòng)作，因此傳統(tǒng)雷達(dá)都將靜態(tài)目標(biāo)過(guò)濾掉。如果能測(cè)量高度，就能提高目標(biāo)檢測(cè)的置信度，不再過(guò)濾靜態(tài)目標(biāo)。

　　實(shí)際毫米波雷達(dá)的難點(diǎn)在生產(chǎn)領(lǐng)域，射頻產(chǎn)品的生產(chǎn)，特別是一致性是需要長(zhǎng)時(shí)間摸索的，這不是坐辦公室的博士們能完成的。實(shí)際量產(chǎn)毫米波雷達(dá)超過(guò)20年的博世、大陸之類的團(tuán)隊(duì)中掌握核心關(guān)鍵Knowhow的專家不超過(guò)5個(gè)，都是長(zhǎng)期在生產(chǎn)線摸索出來(lái)的。

　　來(lái)源：Yole

　　毫米波雷達(dá)幾乎沒(méi)有技術(shù)門檻，門檻都在生產(chǎn)和供應(yīng)鏈領(lǐng)域，全球前五大占據(jù)了75%以上的市場(chǎng)，這中間還包括了主打24GHz的海拉，大陸是當(dāng)之無(wú)愧的第一，單價(jià)也最高，國(guó)內(nèi)除了吉利很少有人使用。第二是電裝加上收購(gòu)的富士通天。第三才是博世，前向主雷達(dá)基本壟斷國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，并且還多是MRR四代，四代的LRR可能只有小鵬使用。第四是海拉萬(wàn)都，第五是維寧爾。這個(gè)排名可能也有錯(cuò)誤，安波福的出貨量也很大，但主要是角雷達(dá)。

　　4D成像毫米波雷達(dá)是故弄玄虛還是真的突破，相信大家心里都已經(jīng)有了答案。