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在自動(dòng)汽車(chē)的陳年往事中，這些車(chē)看起來(lái)非常笨重而“與眾不同”，車(chē)周?chē)卸鄠€(gè)突出的設(shè)備，裝有各種攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)。這三種傳感器都是解決自動(dòng)駕駛問(wèn)題所必需的，因?yàn)樾枰パa(bǔ)。
今天，傳感器市場(chǎng)充斥著相互競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)，選擇合適的技術(shù)集成到車(chē)輛中是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師需要仔細(xì)考慮每個(gè)傳感器類(lèi)別的利弊。
這幾年，伴隨無(wú)人駕駛汽車(chē)漸行漸近，又出現(xiàn)了一種“全方位”4D成像雷達(dá)技術(shù)。盡管業(yè)界對(duì)它褒貶不一，但這種技術(shù)還是有其獨(dú)到特色，且國(guó)內(nèi)外都有廠(chǎng)商在研發(fā)并小規(guī)模前裝導(dǎo)入。
1、彎道超車(chē)的機(jī)會(huì)
雷達(dá)對(duì)汽車(chē)行業(yè)至關(guān)重要，作為遠(yuǎn)程傳感器所有新車(chē)幾乎都已部署，ADAS創(chuàng)新步伐的加快對(duì)雷達(dá)行業(yè)是一大利好，但要達(dá)到更高的安全性和自動(dòng)化水平，進(jìn)入脫手/脫腳駕駛時(shí)代，雷達(dá)必須創(chuàng)新。
4D成像雷達(dá)也屬于毫米波雷達(dá)，在ADAS應(yīng)用方面，傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)量產(chǎn)上車(chē)已有二十幾年時(shí)間，產(chǎn)品性能成熟穩(wěn)定，市場(chǎng)份額已被幾家巨頭壟斷，新晉企業(yè)突圍難度不小。
2015年前后，一些初創(chuàng)公司開(kāi)始挑戰(zhàn)傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)：通過(guò)提高分辨率使之達(dá)到接近低線(xiàn)束激光雷達(dá)的水平，將傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單目標(biāo)檢測(cè)代之以環(huán)境測(cè)繪（點(diǎn)云模式），以應(yīng)對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的駕駛?cè)蝿?wù)。
國(guó)內(nèi)有人預(yù)測(cè)，4D成像雷達(dá)將從2022年開(kāi)始小規(guī)模前裝導(dǎo)入，預(yù)計(jì)到2023年，搭載量有望突破百萬(wàn)。
2、難以適應(yīng)所有環(huán)境的分辨率和檢測(cè)能力
隨著車(chē)輛變得更加電動(dòng)化和電子化，傳感器、屏幕和ADAS功能也在增加，在安全技術(shù)得到提高的同時(shí)，也增加了汽車(chē)的復(fù)雜性、成本和重量。
每種傳感器都有其優(yōu)缺點(diǎn)，攝像頭擅長(zhǎng)高分辨率探測(cè)物體，但會(huì)受惡劣天氣和光照條件影響；雷達(dá)在惡劣天氣下工作良好，但分辨率較低；激光雷達(dá)可以準(zhǔn)確探測(cè)物體細(xì)節(jié)，但在惡劣天氣也不起作用。
·攝像頭及其他光學(xué)解決方案：可有效檢測(cè)目標(biāo)、測(cè)量距離、提供精確成像和跟蹤多個(gè)目標(biāo)。例如，RGB攝像頭價(jià)格相對(duì)低廉，其高分辨率數(shù)據(jù)可用于訓(xùn)練基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的分類(lèi)和識(shí)別算法，但視野有限，在惡劣天氣、光照和陰影區(qū)無(wú)能為力。攝像頭還存在企業(yè)和消費(fèi)者都非常關(guān)心的隱私權(quán)問(wèn)題。
·被動(dòng)紅外（PIR）傳感器：通過(guò)記憶周?chē)鷧^(qū)域紅外圖像和微小變化來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)。其最常見(jiàn)部署是車(chē)內(nèi)，廉價(jià)、緊湊、高能效，可提供準(zhǔn)確的檢測(cè)，但范圍有限。其性能因距離而異，很難檢測(cè)到人體非常緩慢的運(yùn)動(dòng)。
·熱紅外傳感器：可探測(cè)熱量，與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。低端解決方案因檢測(cè)和響應(yīng)速度慢而受阻，高性能傳感器往往價(jià)格昂貴。熱源和氣流也會(huì)造成嚴(yán)重干擾，當(dāng)環(huán)境溫度接近體溫時(shí)，靈敏度會(huì)受到嚴(yán)重影響。
·主動(dòng)紅外（IR）傳感器：通常安裝在室外，通過(guò)發(fā)射紅外波來(lái)確定接收信號(hào)是人還是物體。與PIR傳感器一樣，其價(jià)格便宜，所需功率小。它們?cè)谒泄庹諚l件下都能有效工作，但射程有限，而且易受不利環(huán)境的影響。此外，現(xiàn)有方案還受到低數(shù)據(jù)傳輸速率的阻礙。
·標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)：也就是測(cè)距多普勒雷達(dá)，可檢測(cè)存在、方向、距離和速度，代表一種強(qiáng)大而可擴(kuò)展的解決方案，能夠保護(hù)隱私。不過(guò)，其小天線(xiàn)陣列數(shù)據(jù)輸出分辨率低，無(wú)法生成豐富的圖像。其窄視場(chǎng)主要集中在一個(gè)軸上，由于有限的角度分辨率，無(wú)法區(qū)分近距離目標(biāo)。
在數(shù)據(jù)處理方面，設(shè)計(jì)人員還要考慮經(jīng)濟(jì)性。邊緣處理可大大降低與云相關(guān)的處理和存儲(chǔ)成本。隨著越來(lái)越多的設(shè)備部署，邊緣處理可以長(zhǎng)期節(jié)約可觀的成本。利用嵌入式處理器執(zhí)行邊緣處理有助于消除產(chǎn)品設(shè)計(jì)中集成高功率、高成本處理器的需求。
3、Vayyar：更智能的傳感器，更豐富的數(shù)據(jù)
以色列初創(chuàng)公司Vayyar聯(lián)合創(chuàng)始人及CEO Raviv Melamed認(rèn)為：“數(shù)據(jù)收集依賴(lài)于傳感器——任何智能設(shè)備的‘眼睛和耳朵’，但處理信息和指揮動(dòng)作需要一個(gè)‘大腦’——人工智能。設(shè)計(jì)滿(mǎn)足不斷變化的人類(lèi)需求的產(chǎn)品需要?jiǎng)?chuàng)建根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯智能利用數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。這意味著不僅要選擇最有效的傳感器技術(shù)，還要選擇最強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。”
Vayyar成立于2011年，旨在通過(guò)“全方位”4D傳感器徹底改善車(chē)輛安全性和成本。利用其芯片上雷達(dá)（Radar-on-Chip，RoC）平臺(tái)，Vayyar創(chuàng)造了一個(gè)突破性的車(chē)輛安全解決方案，用一個(gè)芯片可以取代十幾個(gè)其他傳感器，且不需要昂貴的激光雷達(dá)和攝像頭。
Vayyar芯片上雷達(dá)
4D成像雷達(dá)可以提供替代技術(shù)的所有好處，同時(shí)克服其局限性。與2D雷達(dá)不同，它利用多輸入多輸出（MIMO）46個(gè)天線(xiàn)陣列實(shí)現(xiàn)高分辨率實(shí)時(shí)跟蹤。用這么多天線(xiàn)掃描環(huán)境可以精確地同時(shí)檢測(cè)和跟蹤多個(gè)目標(biāo)，以極高的準(zhǔn)確性識(shí)別存在物體，并提供豐富的數(shù)據(jù)，先進(jìn)的分類(lèi)算法使設(shè)備能夠及時(shí)作出反應(yīng)。
據(jù)介紹，在批量定價(jià)方面，4D成像雷達(dá)芯片不僅價(jià)格合理，而且還提供了顯著的附加值：更豐富的數(shù)據(jù)、更高的精度和更強(qiáng)大的功能。在性?xún)r(jià)比平衡方面，它有助于降低開(kāi)發(fā)成本，縮短上市時(shí)間。由于不涉及光學(xué)器件，該技術(shù)在所有照明和天氣條件下都非常強(qiáng)大，性能始終如一，同時(shí)確保用戶(hù)隱私。
雷達(dá)中的高性能射頻IC支持多達(dá)72個(gè)收發(fā)器，跨3-81GHz的超寬帶（UWB）和毫米波頻率；同時(shí)搭載內(nèi)部數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和實(shí)時(shí)信號(hào)處理微控制器單元（MCU）。RoC可支持多種系統(tǒng)，包括入侵警報(bào)、兒童存在檢測(cè)、增強(qiáng)型安全帶提醒和eCall，在發(fā)生碰撞時(shí)向緊急服務(wù)部門(mén)報(bào)警。它能“看穿”物體，并能在所有天氣條件下有效工作。
嵌入DSP及MCU的單片RFIC和大型MIMO陣列
過(guò)去五年，Vayyar汽車(chē)部門(mén)負(fù)責(zé)人Ian Podkamien領(lǐng)導(dǎo)RoC開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)一直在調(diào)整和發(fā)展其車(chē)用技術(shù)。他認(rèn)為，傳感器都有配線(xiàn)、連接器，并且需要耗電，這些都會(huì)增加車(chē)輛重量，這對(duì)電動(dòng)車(chē)的續(xù)航里程是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。傳感器整合可以提供多種功能，節(jié)省布線(xiàn)、重量和成本。
Vayyar信用卡尺寸的傳感器采用4D高分辨率點(diǎn)云，可將整個(gè)車(chē)廂映射成5cm像素，看到每個(gè)乘客的外形及坐姿、移動(dòng)方式等。實(shí)時(shí)4D點(diǎn)云解決方案可以在任何環(huán)境條件下工作，實(shí)時(shí)跟蹤座艙內(nèi)外，無(wú)需攝像頭。
使用專(zhuān)有4D VOXEL（體素）點(diǎn)云技術(shù)構(gòu)建高分辨率4D可視化
為了幫助客戶(hù)利用芯片開(kāi)發(fā)底層射頻管理、算法、濾波等，Vayyar提供完整的參考設(shè)計(jì)，包括天線(xiàn)和陣列設(shè)計(jì)，客戶(hù)不必去找多家供應(yīng)商。Vayyar的數(shù)據(jù)集平臺(tái)還可以快速響應(yīng)任何新的立法，實(shí)現(xiàn)OTA軟件更新，節(jié)省集成、測(cè)試和驗(yàn)證時(shí)間和成本。
開(kāi)發(fā)模塊
Vayyar經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的傳感器芯片及其所有組件滿(mǎn)足汽車(chē)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因此，將其融入新車(chē)型意味著不會(huì)因遇到不可預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題而推遲上市。此外，它有助于最小化整體生產(chǎn)成本，這也是主機(jī)廠(chǎng)考慮的一個(gè)重要因素。
4、Arbe：超高分辨率評(píng)估距離、高度、深度和速度
Arbe Robotics同樣是一家以色列公司，成立于2015年，利用突破性技術(shù)從頭開(kāi)始構(gòu)建新型4D成像雷達(dá)，特別針對(duì)汽車(chē)應(yīng)用。它結(jié)合了當(dāng)前傳感器組的優(yōu)點(diǎn)并消除了一些缺點(diǎn)，使其在所有環(huán)境條件下都具有出色的分辨率和目標(biāo)檢測(cè)能力。該公司CEO Kobi Marenko說(shuō)：“為主機(jī)廠(chǎng)和Tier 1提供比市場(chǎng)上任何其他雷達(dá)精度高100倍的傳感解決方案，滿(mǎn)足L1-L5各種級(jí)別車(chē)輛要求，這就是Arbe的4D成像雷達(dá)對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的地方。”
基于Arbe專(zhuān)有芯片組解決方案的4D成像雷達(dá)是第一款提供高靈敏度、高分辨率、全空間感測(cè)（包括仰角）的雷達(dá)。它提供了高精度圖像質(zhì)量，在所有天氣和光照條件下，沒(méi)有多普勒的模糊感測(cè)問(wèn)題，有助于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離和寬視野決策。
在目標(biāo)檢測(cè)方面，它可以確定車(chē)道中障礙物的準(zhǔn)確邊界，如橋下的卡車(chē)、車(chē)道中的柵欄或輪胎、卡車(chē)旁邊的摩托車(chē)等，然后提示給自動(dòng)駕駛、緊急制動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；它還提供可靠的脆弱道路使用者檢測(cè)，如行人、自行車(chē)等，解決了ADAS和自動(dòng)駕駛相關(guān)的道路事故問(wèn)題。
Arbe技術(shù)的分辨率是目前產(chǎn)品的兩個(gè)數(shù)量級(jí)，支持每幀100000次以上的檢測(cè)，具有市場(chǎng)上最高的點(diǎn)云密度。其4D成像雷達(dá)芯片組擁有2000多個(gè)虛擬通道，以每秒30幀的全掃描速度同時(shí)跟蹤數(shù)百個(gè)對(duì)象，同時(shí)優(yōu)化了成本和功耗。以高分辨率同時(shí)評(píng)估距離、高度、深度和速度，將雷達(dá)從支持角色重新定位到傳感套件的主干。
超高元素密度4D圖像
與Vayyar不同，Arbe采用增強(qiáng)的FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）技術(shù)，芯片組可以用多個(gè)天線(xiàn)發(fā)射和接收信號(hào)。通過(guò)將信息從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域（FFT，快速傅里葉變換），Arbe可在高方位和高仰角分辨率下提供超高元素密度的4D圖像，并在大視場(chǎng)下實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離環(huán)境感測(cè)。此外，Arbe技術(shù)還將副瓣發(fā)生率降低到接近零的水平，解決了距離-多普勒（RD）模糊問(wèn)題，避免來(lái)自其他雷達(dá)的干擾。
優(yōu)越的工藝是Arbe的另一優(yōu)勢(shì)，專(zhuān)有毫米波汽車(chē)級(jí)雷達(dá)射頻芯片組包括一個(gè)24輸出通道的發(fā)射器芯片和一個(gè)12輸入通道的接收器芯片。所采用新的22nm FD-SOI（全耗盡SOI）CMOS工藝支持TD-MIMO，在信道隔離、噪聲系數(shù)和發(fā)射功率方面具有同類(lèi)最佳的性能。利用最新的射頻處理技術(shù)，Arbe以市場(chǎng)上每通道最低的成本實(shí)現(xiàn)了最先進(jìn)的射頻性能。
射頻芯片組工藝
在雷達(dá)處理技術(shù)方面Arbe也有突破，其專(zhuān)有基帶處理芯片將雷達(dá)處理單元（RPU）架構(gòu)與嵌入式雷達(dá)信號(hào)處理算法相結(jié)合，在保持低硅功耗的同時(shí)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換大量原始數(shù)據(jù)。其處理芯片可實(shí)時(shí)管理多達(dá)48個(gè)Rx通道和48個(gè)Tx通道，每秒生成30幀完整4D圖像，等效處理吞吐量為3Tb/秒。Arbe采用專(zhuān)有技術(shù)的物理分辨率是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的合成或統(tǒng)計(jì)分辨率增強(qiáng)方法（如超分辨率技術(shù)）的2-10倍。因此，Arbe的芯片組在低信噪比（SNR）和多目標(biāo)場(chǎng)景中仍然有效，而這些場(chǎng)景往往會(huì)讓其他方法失效。在利用超分辨率精確分析物體邊界的同時(shí)，Arbe技術(shù)并不依賴(lài)于這種技術(shù)來(lái)生成高質(zhì)量的圖像。
無(wú)法區(qū)分威脅和錯(cuò)誤警報(bào)是導(dǎo)致自動(dòng)駕駛車(chē)輛事故的主要原因。Arbe的FMCW增強(qiáng)、卓越的通道分離和先進(jìn)后處理減少了虛警，幾乎沒(méi)有虛對(duì)象實(shí)例，消除了假陽(yáng)性和假陰性場(chǎng)景。
消除假陽(yáng)性和假陰性場(chǎng)景
這樣，ADAS系統(tǒng)就可以信任雷達(dá)讀數(shù)，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，并防止不必要的停車(chē)。所以，4D成像雷達(dá)為導(dǎo)航、路徑規(guī)劃和避障提供了基礎(chǔ)，能夠支持L4和L5自動(dòng)車(chē)輛安全性和準(zhǔn)確性方面的感測(cè)要求。
5、蘇州豪米波：4D毫米波雷達(dá)與攝像頭融合
蘇州豪米波成立于2016年，由“國(guó)家高層次人才”白杰教授、海外歸國(guó)射頻專(zhuān)家為核心組建，旨在打破國(guó)外壟斷，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，積極打造具有高度自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能感知技術(shù)和人工智能系統(tǒng)。
名如其實(shí)，該公司專(zhuān)攻毫米波技術(shù)，掌握全套ADAS集成控制算法及汽車(chē)毫米波雷達(dá)核心技術(shù)，可根據(jù)主機(jī)廠(chǎng)車(chē)型要求定制設(shè)計(jì)和合作開(kāi)發(fā)。其產(chǎn)品2018年底已在江鈴、江淮等前裝量產(chǎn)，包括車(chē)載BSD（盲點(diǎn)車(chē)輛識(shí)別）系統(tǒng)和FCW（前車(chē)碰撞預(yù)警）系統(tǒng)等。BSD系統(tǒng)最大探測(cè)距離100米，角度范圍150度；FCW系統(tǒng)最大探測(cè)距離200米。
白潔教授認(rèn)為，多傳感器融合是構(gòu)建穩(wěn)定感知系統(tǒng)的必要條件，特別是雷達(dá)與攝像頭的融合。他說(shuō)：“人們經(jīng)常遇到一些復(fù)雜的天氣情況，如大雨、大霧、沙塵、強(qiáng)光、夜晚，這些對(duì)圖像和激光雷達(dá)是非常惡劣的場(chǎng)景，難以用單個(gè)傳感器應(yīng)對(duì)，一種傳感器無(wú)法處理所有場(chǎng)景。一些被認(rèn)為比較成熟的智能駕駛也多次發(fā)生撞車(chē)事故，都是其傳感器系統(tǒng)失效所致，代價(jià)慘痛。”
他介紹說(shuō)，從本地?cái)?shù)據(jù)處理程度看，傳感器主要分為集中式、分布式、混合式結(jié)構(gòu)。目前常用的是混合式結(jié)構(gòu)，由分布式傳感器分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到目標(biāo)信息列表后再進(jìn)行融合，因?yàn)楹撩撞ɡ走_(dá)是目標(biāo)點(diǎn)云，得到的是處理后的效果；激光雷達(dá)也是如此。
隨著深度學(xué)習(xí)研究的發(fā)展，近年來(lái)出現(xiàn)了一些比較前沿的融合跟蹤方案：普通雷達(dá)點(diǎn)云+攝像頭、雷達(dá)射頻圖像+攝像頭，以及4D雷達(dá)點(diǎn)云+攝像頭。目前大多數(shù)傳感器融合方法都是使用激光雷達(dá)和攝像頭實(shí)現(xiàn)高精度3D目標(biāo)檢測(cè)。但這種方法有其局限性，攝像頭和激光雷達(dá)對(duì)不利天氣都很敏感，對(duì)遠(yuǎn)處目標(biāo)檢測(cè)不夠精確，且激光雷達(dá)成本高，普及起來(lái)有一定困難。由于雷達(dá)對(duì)惡劣天氣有很好的魯棒性、探測(cè)距離非常遠(yuǎn)、能精確測(cè)量目標(biāo)速度，而且成本低，在自動(dòng)駕駛中越來(lái)越受到重視。
攝像頭與雷達(dá)融合的網(wǎng)絡(luò)
基于TI的AWR2243芯片的4D雷達(dá)城市道路交通參與者目標(biāo)分類(lèi)與檢測(cè)研究，包括同濟(jì)大學(xué)測(cè)試場(chǎng)采集的目標(biāo)檢測(cè)與分類(lèi)數(shù)據(jù)集可視化結(jié)果表明，4D雷達(dá)可以輸出有高度的目標(biāo)點(diǎn)云，反映目標(biāo)的輪廓外形。雖然與激光雷達(dá)點(diǎn)云成像原理不同，僅從毫米波雷達(dá)的點(diǎn)云還無(wú)法準(zhǔn)確判斷一個(gè)目標(biāo)額外形等特征，但是其點(diǎn)云的散射特征具備一定規(guī)律。
4D成像雷達(dá)目標(biāo)的可視化
利用機(jī)器學(xué)習(xí)目標(biāo)分類(lèi)算法吸取點(diǎn)云的幾個(gè)特征：多普勒速度、點(diǎn)云強(qiáng)度分布，與距離有關(guān)的關(guān)聯(lián)特征等，在分類(lèi)算法數(shù)據(jù)集中測(cè)試中實(shí)現(xiàn)了很高分類(lèi)能力，行人95%以上，大型車(chē)輛達(dá)到99%。機(jī)器學(xué)習(xí)的特點(diǎn)是參數(shù)少，便于進(jìn)行嵌入式分類(lèi)。
3D雷達(dá)點(diǎn)云雖然比激光雷達(dá)的稀疏，但是探測(cè)距離更遠(yuǎn)，且包含了目標(biāo)的速度信息，而4D毫米波雷達(dá)可以輔助實(shí)現(xiàn)3D目標(biāo)檢測(cè)?？梢钥吹?，在相同場(chǎng)景，4D毫米波雷達(dá)的點(diǎn)云分布與16線(xiàn)激光雷達(dá)有明顯區(qū)別。前者每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)云更豐富，探測(cè)距離更遠(yuǎn)。
4D豪米波雷達(dá)與激光雷達(dá)點(diǎn)云分布
6、想象未來(lái)
上述公司都認(rèn)為，豐富的點(diǎn)云將使4D雷達(dá)在L4及以上系統(tǒng)中發(fā)揮更重要的作用，也就是說(shuō)，有助于大大提升毫米波雷達(dá)感知系統(tǒng)的地位。由于雷達(dá)中集成的處理器嵌入了軟件，主機(jī)廠(chǎng)可以更多地關(guān)注圖像處理和機(jī)器學(xué)習(xí)，而不用在低水平雷達(dá)算法開(kāi)發(fā)上耗費(fèi)精力。
未來(lái)將屬于4D毫米波雷達(dá)！
