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自動駕駛，應(yīng)該說是“輔助駕駛”汽車，面對一些龐然大物視而不見的案例屢見不鮮。12 月 12 日晚，一輛特斯拉 Model S 突然失控，在北京一小區(qū)內(nèi)以 80km/h 速度鉆入居民樓。大貨車、建筑物……未來，我們拿什么保證自動駕駛的安全？
龐大物體反而是“高級輔助駕駛”的克星
誰可能成為救星？
10 月，特斯拉軟件黑客“green”爆料，在特斯拉軟件更新中發(fā)現(xiàn)了新功能的提示——一個名為“Phoenix”的新雷達(dá)選項，Phoenix 是 Arbe 雷達(dá)的名稱。
這與馬斯克最近的言論不無關(guān)系：“現(xiàn)在的圖像識別依然來源于孤立的圖片，實際上這些圖片在時間上有很大關(guān)聯(lián)性。那么，過渡到 4D，在 3D 空間里加入了時間維度，就會像視頻一樣。這種架構(gòu)才是完全自動駕駛所真正需要的?！?/p>
馬斯克的選擇是對的？
馬斯克的話得到了進(jìn)一步印證，消息人士稱，特斯拉正準(zhǔn)備更新 Model 3，新的傳感器將是更新的一部分。此前，Arbe CEO 兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Kobi Marenko 就曾信心滿滿地告訴業(yè)界：“超高分辨率的 4D 成像雷達(dá)有望讓雷達(dá)從輔助配件升級為自動駕駛系統(tǒng)的關(guān)鍵方案，從冗余升級為自動駕駛核心?！?/p>
Kobi Marenko
Phoenix 是 Arbe 的雷達(dá)芯片組解決方案，通過 4D 超高分辨率實時成像來識別、評估和應(yīng)對從普通到特殊的挑戰(zhàn)場景，服務(wù)于現(xiàn)實世界的駕駛需求。無論速度、海拔、距離、大小或周圍天氣和照明條件如何，Phoenix 都能區(qū)分真正的威脅和錯誤警報，以確保駕駛者、行人和其他易受傷害的道路使用者的安全。
特斯拉的識別系統(tǒng)需要的正是 Arbe 雷達(dá)的“時間”維度，以使系統(tǒng)能夠“同時以高分辨率評估距離、高度、深度和速度”。
馬斯克：正合我意
因為切中要害，Marenko 的話馬斯克愛聽：
Marenko 表示：“我們知道這一刻會到來：在經(jīng)歷了多起車禍的艱難歲月后，自動駕駛正面臨著合理的擔(dān)憂。圍繞這些悲劇事件展開的討論不僅集中在人工智能（AI）道德，而且也集中在其背后的技術(shù)是否已經(jīng)準(zhǔn)備好?！?/p>
他說：“今天的傳感器還不夠成熟，不足以支持明天的自動駕駛。不過，4D 成像雷達(dá)可以實現(xiàn)所需的安全級別?！?/p>
歸納起來，4D 成像雷達(dá)具有以下優(yōu)勢：
·實時障礙檢測：在所有天氣和照明條件下，以廣闊視野提供高度詳細(xì)的環(huán)境圖像，實時發(fā)現(xiàn)各種障礙，包括路邊較小的目標(biāo)，如人或自行車，即使它們被一棵樹或卡車等大物體遮住，還可以確定它們是否在移動，朝哪個方向移動，并向車輛提供實時的態(tài)勢數(shù)據(jù)和警報。
·遠(yuǎn)距離探測：實現(xiàn)所有傳感器中最遠(yuǎn)距離的探測，最有可能成為第一個發(fā)現(xiàn)危險的設(shè)備。然后，它可以將攝像頭和 LiDAR 引導(dǎo)到感興趣區(qū)域，大大提高安全性能。
傳統(tǒng)雷達(dá) vs 4D 成像雷達(dá)
·路徑規(guī)劃：提供真正的路徑規(guī)劃，因為它可以在超過 300 米范圍內(nèi)創(chuàng)建道路的詳細(xì)圖像，并捕捉汽車周圍物體的大小、位置和速度數(shù)據(jù)。
·物體高度分離：識別出汽車正前方對著的物體是否（如橋梁）靜止，是否必須停下來或者可以安全行駛過去。
·降低處理和服務(wù)器需求：由于只將攝像頭和 LiDAR 對準(zhǔn)感興趣區(qū)域，利用高質(zhì)量的雷達(dá)后處理將解決當(dāng)前原型的主要問題——功耗。
·大幅降低生產(chǎn)成本：即使在 L3 以上，也無需為每輛車配備一個以上的 LiDAR 單元，或者可能根本不需要 LiDAR（馬斯克高興），有助于制造商降低成本。自動駕駛傳感器套件的量產(chǎn)成本應(yīng)低于 1000 美元，而今天測試的一些車輛使用的部件和系統(tǒng)成本是這個價格的 100 倍。
那么，它與目前公路上的雷達(dá)有何不同呢？聽 Marenko 細(xì)細(xì)道來。
如今，雷達(dá)在自適應(yīng)巡航控制、盲點檢測和自動緊急制動等安全系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。但目前市場上的雷達(dá)技術(shù)必須在有限視場的中等分辨率和寬視場的低分辨率之間進(jìn)行取舍。
要實現(xiàn) L4 和 L5 車輛，主機(jī)廠必須進(jìn)入下一級傳感技術(shù)，使用高分辨率成像雷達(dá)，在 1 度方位角和 2 度仰角下，以高分辨率在 100 度廣角范圍內(nèi)感知環(huán)境。
另一個對 L4 和 L5 很重要的問題是過濾假警報的能力。為了提供最佳靈敏度，雷達(dá)使用最低檢測閾值，因此會報告一些噪聲，需要用后處理和跟蹤來濾除隨機(jī)噪聲，而校準(zhǔn)方案只能達(dá)到極低的副瓣電平。
在 Marenko 看來，在自動駕駛傳感器套件中當(dāng)然需要光學(xué)傳感器，如攝像頭和 LiDAR。然而，4D 成像雷達(dá)解決了以下問題，使車輛能夠達(dá)到要求的安全性能：
·全天候下最高的可靠性，包括霧、大雨、漆黑的夜晚和空氣污染
·根據(jù)汽車行業(yè)要求，探測最遠(yuǎn)超過 300 米的障礙物
·測量每幀的多普勒（徑向速度）
·脫離 PoC（驗證性測試）階段進(jìn)入量產(chǎn)
System Plus Consulting 的拆解結(jié)果顯示，特斯拉目前使用的是大陸集團(tuán)的 2D 雷達(dá)。VSI Labs 創(chuàng)始人兼總裁 Phil Magney 說：“為了獲得更大射程，特斯拉已從大陸轉(zhuǎn)向博世。但兩種都是 2D 雷達(dá)，都有局限性。”他說：“在我看來，特斯拉未來轉(zhuǎn)向成像雷達(dá)將是精明之舉?！?/p>
NXP 執(zhí)行副總裁兼無線電頻率處理總經(jīng)理 Torsten Lehmann 對此傳言表示：“特斯拉在考慮使用成像雷達(dá)，這是一個很好的舉措，因為它是不使用 LiDAR 的更好方法?！?/p>
Torsten Lehmann
汽車?yán)走_(dá)技術(shù)的迭代
汽車?yán)走_(dá)使用的半導(dǎo)體技術(shù)經(jīng)過了幾代迭代，還在發(fā)展。第一代產(chǎn)品采用 GaAs，最初是安裝在電路板上的裸片。下一代是在 SiGe，片上集成的功能更多，載流子的移動性很高，即使在大光刻節(jié)點（如 130nm），也可以用于高頻雷達(dá)。之后有了先進(jìn)封裝，使技術(shù)從 CoB（板上芯片封裝）發(fā)展到 FOWLP（扇出型晶圓級封裝）。
當(dāng)前，許多公司在開發(fā)硅 CMOS 和 SOI 技術(shù)，使用 40nm 技術(shù)節(jié)點，也有將其降低到 28nm 以下。較短信道在低載流子移動性情況下也可支持高頻率。小節(jié)點加上 CMOS 技術(shù)，可以在芯片內(nèi)實現(xiàn)更高的功能集成。目前，最新一代雷達(dá)芯片不僅集成了收發(fā)器和 Chirp，還集成了微控制器和數(shù)字信號處理（DSP）單元。轉(zhuǎn)向硅技術(shù)也將更好地維持降低成本路線，更適合量產(chǎn)。
半導(dǎo)體技術(shù)在汽車?yán)走_(dá)中的發(fā)展
隨著封裝的進(jìn)步，出現(xiàn)了各種形式的晶圓級產(chǎn)品。電路板還進(jìn)化為由特殊低插入損耗材料（如陶瓷填充聚四氟乙烯或類似材料）組成的頂部 RF 層混合。在小型天線陣列足以滿足要求的情況下，開始采用封裝天線（AiP）設(shè)計，有些已被證明適合短程汽車應(yīng)用。
傳統(tǒng)雷達(dá)具有二維空間測量能力，2D 雷達(dá)利用一個專用旋轉(zhuǎn)天線監(jiān)聽回波信號，以獲得兩個坐標(biāo)并確定目標(biāo)位置。之后 3D 雷達(dá)出現(xiàn)，會像 2D 雷達(dá)一樣旋轉(zhuǎn)，但每次掃描旋轉(zhuǎn)后，天線仰角會改變，以備下次探測。通過這種方式，3D 雷達(dá)可以探測三個維度：方位角、仰角和速度。
配備雷達(dá)的車輛安全功能
4D 成像雷達(dá)新在哪里?
目前，自動駕駛行業(yè)仍處于概念驗證階段，其依賴的傳感器無法 100%達(dá)到要求。而高分辨率成像雷達(dá)似乎是唯一能夠達(dá)到要求的傳感器。
從原理上看，4D 成像雷達(dá)與傳統(tǒng)雷達(dá)和 LiDAR 有很大不同。從物理學(xué)角度看，時間是第四維度，當(dāng)應(yīng)用于雷達(dá)時，它將成為多普勒頻率，顯示一個物體是朝著自己移動還是向遠(yuǎn)處移動。
4D 雷達(dá)是將測量的第四維數(shù)據(jù)整合到 3D 雷達(dá)中，以更好地了解和繪制環(huán)境地圖。即使具體技術(shù)并不新穎，但它的整合也具有新意。
錘頭雷達(dá)和新出現(xiàn)的雷達(dá)的比較
Magney 這樣解釋：“我認(rèn)為時間是第四維空間，因為時間元素是從多普勒得到的。成像雷達(dá)本質(zhì)上創(chuàng)造了一個陣列，因此測量密度急劇增加。傳統(tǒng) 2D 雷達(dá)比較粗糙，每個物體只產(chǎn)生一個點。但是，成像雷達(dá)可以提供許多點，產(chǎn)生的是垂直分辨率，可更好地了解被跟蹤的是什么?！?/p>
換句話說，時間因素一直是雷達(dá)功能的關(guān)鍵。當(dāng)被問及同樣的問題時， Lehmann 指出，4D 成像傳感器的第四個要素是“橫向分辨率”。他說：“4D 成像雷達(dá)不僅能識別水平平面，還能識別垂直平面，例如，汽車可以決定是在物體的‘下面’還是‘上面’通過?！?/p>
他繼續(xù)說:“想象一下，一輛汽車在高速公路上以每小時 80 公里的速度行駛，而一輛摩托車（低反射率小物體）正以每小時 200 公里的速度從后面駛來。與攝像頭和 LiDAR 不同，4D 雷達(dá)可以發(fā)現(xiàn)最初相距很遠(yuǎn)的摩托車，并識別出這兩個物體在以不同的速度移動?！?/p>
隨著高分辨率成像雷達(dá)的出現(xiàn)，包括許多雷達(dá)供應(yīng)商都迫切希望將雷達(dá)提升為唯一能夠在惡劣天氣和光照條件下工作的高速傳感器。
4D 技術(shù)蠶食 LiDAR 市場
也許，在自動駕駛早期嘗試中，馬斯克就做出了一個明確的決定，采用攝像頭并輔以雷達(dá)計算機(jī)視覺。
現(xiàn)在，有了產(chǎn)生點云的成像雷達(dá)，盡管其分辨率比 LiDAR 低，但它比傳統(tǒng)雷達(dá)有了很大改進(jìn)。在 Magney 看來，LiDAR 現(xiàn)在比雷達(dá)更具優(yōu)勢，隨著新雷達(dá)的出現(xiàn)，這種差距可能正在縮小。“LiDAR 的關(guān)鍵應(yīng)用之一是能夠根據(jù)基本地圖進(jìn)行相對定位。這對自動駕駛出租車和穿梭巴士至關(guān)重要，因此 LiDAR 是這項任務(wù)的首選。即使 4D 雷達(dá)出現(xiàn)，LiDAR 也不會消失?！?/p>
Lehman 指出:“看看高性能 LiDAR，比如 Waymo 的機(jī)械旋轉(zhuǎn)雷達(dá)，它可以產(chǎn)生很多顆粒點云，因為它提供的角分辨率低于 0.1 度或 0.5 度。但這樣的 LiDAR 體積龐大，造價數(shù)千美元?！?/p>
從技術(shù)趨勢看，雷達(dá)的點云正變得越來越密集，出現(xiàn)了各種方法，以使雷達(dá)能夠在所有天氣和光照條件下探測、分類和跟蹤 3D 空間中的許多物體。隨著更大的人工或半自動標(biāo)記訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的出現(xiàn)以及融合技術(shù)的發(fā)展，這些努力有望得到顯著改善。
的確，雷達(dá)技術(shù)的能力在迅速擴(kuò)大。首先，天線陣列越來越大。一些初創(chuàng)公司已經(jīng)設(shè)計并演示了支持 6500 個虛擬通道的雷達(dá)芯片。這種雷達(dá)可以達(dá)到 1deg（仰角單位）方位和 2deg 仰角分辨率。這一趨勢將使每幀獲得豐富的 4D 數(shù)據(jù)點，提供關(guān)于速度、距離、方位角和仰角的精確信息。因此，這類雷達(dá)將蠶食目前由 LiDAR 占領(lǐng)的領(lǐng)域，盡管后者可能保留角分辨率和潛在的目標(biāo)分類優(yōu)勢。
密集的高分辨率點云將使基于雷達(dá)數(shù)據(jù)的目標(biāo)檢測、分類和跟蹤成為可能。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，人們正在開發(fā)深度學(xué)習(xí)技術(shù)。一個主要挑戰(zhàn)是缺乏廣泛的標(biāo)記訓(xùn)練雷達(dá)數(shù)據(jù)。手工貼標(biāo)簽的過程需要專家的投入，因此成本高、耗時長。現(xiàn)在，雖然一些公司部署了攝像頭、LiDAR 及其他數(shù)據(jù)同步的雷達(dá)數(shù)據(jù)采集車隊，并且正在開發(fā)半自動標(biāo)簽技術(shù)，但這種技術(shù)仍依賴于攝像頭、LiDAR 和雷達(dá)之間的后期數(shù)據(jù)融合。這些努力和技術(shù)將加速訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的開發(fā)。
應(yīng)用雷聲大雨點??？
在向更高自動化水平過渡的整個過程中，主機(jī)廠應(yīng)該能夠使用單一平臺來重用軟件和硬件，以便解決不同品牌和車型問題。只有高度集成的打包解決方案才有助于向 4D 成像雷達(dá)的過渡。
研發(fā) 4D 成像雷達(dá)的初創(chuàng)公司和廠商并不多，梳理一下即可看出這一技術(shù)的脈絡(luò)和走向。
·NXP 處理器與收發(fā)器并舉
為了推進(jìn)以安全為核心目標(biāo)的 L3、L4 和 L5 車輛，NXP 為發(fā)布了一系列新的雷達(dá)傳感技術(shù)。
NXP 半導(dǎo)體 ADAS 高級主管 Matthias Feulner 介紹說，NXP 的第二代 77GHz 射頻 CMOS 雷達(dá)收發(fā)器系列 TEF82xx 是業(yè)界第一款采用 40nm RFCMOS 的汽車級雷達(dá)收發(fā)器。與第一代相比，新產(chǎn)品的 RF 性能提高了一倍，輸出功率為 13.5dBm，噪聲系數(shù)為 11.5dB。該器件還可以在給定目標(biāo)周圍將相位噪聲降低四倍。
上述收發(fā)器與新的 S32 汽車處理平臺 S32 雷達(dá)處理器配合使用，可以提供可擴(kuò)展和多功能的雷達(dá)成像方案，并將 4D 成像雷達(dá)帶到人們生活當(dāng)中。新雷達(dá)處理器利用了優(yōu)化的架構(gòu)，與 FPGA 等效產(chǎn)品相比，將成本和實現(xiàn)功率降低了 50%。
NXP 新的雷達(dá)解決方案
Feulner 強調(diào)：“這些產(chǎn)品的設(shè)計從角雷達(dá)到前端雷達(dá)再到成像雷達(dá)，都可以擴(kuò)展前端的數(shù)量，還可以擴(kuò)展天線數(shù)量，從 12 個虛擬天線擴(kuò)展到 192 個虛擬天線?！?/p>
成像雷達(dá)結(jié)構(gòu)圖
據(jù)介紹，將 SR32R45 雷達(dá)處理器與新的收發(fā)器系列相結(jié)合，可以實現(xiàn)射程超過 300 米、高分辨率的點云輸出的 4D 成像雷達(dá)。
·Arbe 芯片組特斯拉最愛
為特斯拉提供新型 4D 傳感器技術(shù)的是初創(chuàng)公司 Arbe Robotics，其 4D 成像雷達(dá)芯片組獲得了 2020 愛迪生獎。首席執(zhí)行官 Kobi Marenko 表示，這種雷達(dá)芯片組提供的物理分辨率是競爭對手使用的合成或統(tǒng)計分辨率增強方法的 2 到 10 倍。另外，雷達(dá)芯片組提供 48 個接收通道和 48 個傳輸通道的實時管理，在保持每秒 3 兆比特的等效處理吞吐量的同時，可生成 30 幀 / 秒的完整 4D 圖像。
通過增強的 FMCW 技術(shù)，Arbe 的芯片組技術(shù)從多個天線發(fā)射和接收信號。Arbe 通過將信息從時域轉(zhuǎn)換到頻域（FFT），在高方位和高分辨率的情況下，提供了一幅具有無與倫比的單元密度的 4D 圖像，同時能夠?qū)崟r、大范圍地感知環(huán)境，并通過接近零的幻象對象實例減少了假警報情況。
4D 成像雷達(dá)芯片組
Arbe 的芯片組方案擁有 2000 多個虛擬通道，以每秒 30 幀的全掃描速度同時跟蹤數(shù)百個對象。距離、高度、深度和速度同時在高分辨率中進(jìn)行評估，將雷達(dá)從輔助作用重新定位到傳感套件的核心。
Arbe 的 RF 芯片組采用新的 FDSOI CMOS 工藝 22FDX，旨在支持 TD-MIMO，在信道隔離、噪聲系數(shù)和發(fā)射功率方面具有同類最佳的性能。利用最新的射頻處理技術(shù)，Arbe 以市場上每通道最低成本實現(xiàn)最先進(jìn)的 RF 性能。
RF 工藝
·RFISee 相控陣技術(shù)高大上
由于相控陣是一項昂貴的技術(shù)，其在汽車工業(yè)中的采用一直是一個令人擔(dān)憂的問題，這就是為什么這種雷達(dá)最初僅限于 F-35 戰(zhàn)斗機(jī)等先進(jìn)軍事系統(tǒng)。
9 月，RFISee 發(fā)布業(yè)界首款相控陣 4D 成像片上雷達(dá)，它是一種高分辨率、低成本的雷達(dá)傳感器，可以生成汽車周圍物體的實時 3D 位置和速度地圖。利用 RFISee 的雷達(dá)片上解決方案，接收器可確保大幅改善雷達(dá)圖像、實現(xiàn)更好的信噪比，以及更大的車輛和行人等障礙物探測范圍。
相控陣 4D 成像雷達(dá)的主要優(yōu)勢
RFISee 首席執(zhí)行官 Moshe Meyassed 表示：“當(dāng)今的汽車?yán)走_(dá)通常提供低分辨率和有限的檢測范圍。我們突破性的片上全天候相控陣 4D 成像雷達(dá)將改變?nèi)蚱嚴(yán)走_(dá)領(lǐng)域的游戲規(guī)則。我們將遠(yuǎn)距離、高分辨率和卓越精度相結(jié)合，這是汽車所需的攝像頭和雷達(dá)之間高質(zhì)量傳感器融合的關(guān)鍵?！?/p>
他補充說：“新推出的傳感器融合技術(shù)將為雷達(dá)和攝像頭數(shù)據(jù)融合有效 AI 層開辟新的領(lǐng)域。因此，主機(jī)廠和駕駛者都將受益于安全性和事故預(yù)防的重要改進(jìn)，在低能見度下運行并提高車輛自動化程度?！?/p>
據(jù)介紹，RFISee 的專利 4D 成像雷達(dá)使用基于專有相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的強大聚焦光束，可以快速掃描視場。接收器可確保大幅改善雷達(dá)圖像，具有更好的信噪比，以及比現(xiàn)有雷達(dá)寬六倍的障礙物檢測范圍，能夠檢測 500 米以內(nèi)的汽車和 200 米以內(nèi)的行人。
Vayyar VYYR2401A1 IC
雷達(dá)的功能旨在防止許多其他現(xiàn)有雷達(dá)系統(tǒng)無法處理的事故，如發(fā)生在中國臺灣的自動駕駛汽車橫跨高速公路兩條車道鉆入一輛大貨車。RFISee 的雷達(dá)可以檢測數(shù)百米外的卡車和其他車輛，從而使駕駛者能夠接管控制權(quán)或自動停車。
該公司表示，RFISee 雷達(dá)的原型正在由頂級汽車主機(jī)廠和 Tier 1 進(jìn)行評估。
·Xilinx 和大陸集團(tuán)量產(chǎn)就緒
也是 9 月，Xilinx 和大陸集團(tuán)宣布推出汽車行業(yè)首款“量產(chǎn)就緒”4D 成像雷達(dá)，在業(yè)界引發(fā)震動。
Xilinx 將通過 Zynq? UltraScale+? MPSoC 平臺支持大陸集團(tuán)開發(fā)新款高級雷達(dá)傳感器 ARS540，聯(lián)手打造汽車行業(yè)首款量產(chǎn)版 4D 成像傳感器。雙方的合作將有助于搭載 ARS540 的新車型實現(xiàn) SAE J3016 L2 功能，為邁向 L5 自動駕駛系統(tǒng)鋪平道路。
Zynq?與 ARS540
大陸集團(tuán)的 ARS540 是一款高端長距離 4D 成像雷達(dá)，不僅分辨率高，而且探測距離長達(dá) 300 米。其±60°的寬視野可實現(xiàn)多假設(shè)跟蹤（MHT），在駕駛過程中提供精確預(yù)測，這對處理復(fù)雜的駕駛場景（如橋下交通擁堵）至關(guān)重要。
大陸集團(tuán)雷達(dá)項目管理負(fù)責(zé)人 Norbert Hammerschmidt 表示：“Zynq UltraScale+ MPSoC 平臺為我們提供了實現(xiàn) ARS540 所需的高性能和先進(jìn) DSP 功能，靈活應(yīng)變能力和市場領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)接口選擇能夠以極高的聚合傳輸速率處理大量的天線數(shù)據(jù)。”
據(jù)悉，大陸集團(tuán)已經(jīng)贏得歐美領(lǐng)先主機(jī)廠的多項設(shè)計，同時還在與全球其他主機(jī)廠持續(xù)商討 ARS540 采用意向。
十字路口
自動駕駛的發(fā)展已經(jīng)來到一個十字路口?；谝恍?dān)憂，先進(jìn)移動出行行業(yè)需要重新審視 4D 成像雷達(dá)作為自動駕駛傳感器套件中不可或缺元素的作用，為自動駕駛汽車提供更靈敏的耳朵和眼睛，從而形成一個更安全的汽車大眾市場。
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