汽车雷达之辩：尺寸最小化和性能最大化

huangguang

近年来，雷达已成为汽车高级驾驶辅助系统（ADAS）功能重要支撑，包括自适应巡航控制（ACC），以及关键的安全功能，如自动紧急制动（AEB）和盲点检测（BSM）。如今，雷达已从最高档汽车的昂贵配件发展到几乎无车不在的合适价位。

据IDTechEx《2024-2044年汽车雷达：预测、技术和应用》报告，2022年交付的新车平均70%搭载了前置雷达，30%有侧视雷达。不过，随着L3自主系统首次进入市场，ADAS系统变得越来越复杂，雷达技术也在不断改进，以满足新的性能要求。现在，第一代4D成像雷达已进入市场并开始上车。那么，汽车为什么需要4D成像雷达，它又采用了哪些新技术呢？

4D成像雷达能解决什么问题？

首先，4D雷达和自动成像雷达容易混为一谈，事实上后者能够提供高清晰度3D点云图像（距离、方位角、俯仰角）和一维速度信息（多普勒频移）；4D雷达只是在仰角方向上增加一些分辨能力，改变了过去雷达只有3个维度——方位角（水平角）、距离和速度的局面。

为什么需要第四维度？经典例子是在隧道入口处检测一辆停着的汽车。无论入口处是否有汽车，3D雷达都会返回相同的结果。通常，车辆会假设大反射是一个隧道，ACC系统将继续运行。如果人在方向盘后面，且可以相应地超控ACC系统，上述假设是完全可以接受的，但对于在L3及以上级别运行的车辆来说，这就成了一个问题，过去几年这样的情况屡有发生。

理论上，4D雷达可解决这个问题。垂直分辨率的增加意味着雷达应该能够将停在地面的车辆与车顶上方几米的隧道分开。不过，如果垂直分辨率很差，就会使隧道和汽车仍然同处于一个“像素”中，情况并不会改善。这就是4D雷达和4D成像雷达之间的区别。



3D、4D和4D成像雷达的不同

成像雷达具有足够的角分辨率，即使在很长的距离也能区分隧道和车辆。事实上，它也应该能够区分远距离的小得多的障碍物，例如100m处的行人。但要做到这一点，需要满足一个条件，假设此人身高5-6英尺，就需要1°左右的分辨率才能将此人与道路分开。这时，系统将有足够的时间启动制动器并使车辆停止，从而避免碰撞，即使在高速公路速度下也是如此。

IDTechEx高级技术分析师James Jeffs博士解释说，能够检测到人是一回事，仅凭雷达数据就能正确地将他们归类为一个人是另一回事。这就是雷达通常支持前置摄像头，用于AEB等应用的理由。问题在于，晚上、雾蒙蒙的天气或大雨中，摄像头可能也看不见。

在这些情况下有几个选择：一是在车辆上增加短波或长波红外检测，提供对低能见度条件具有鲁棒性的类似摄像头的分辨率；二是增加类似雷达测距的能力，或进一步提高分辨率的激光雷达，但成本高昂。

为什么分辨率要超过1°？

雷达有一个限制其解析性能的自然物理极限——瑞利准则（Rayleigh Criterion），它与频率乘以孔径大小（1/fd）的倒数成正比。也就是说，一个工作频率为77GHz、天线阵列宽度为10cm的普通雷达应该能够达到2.8°的分辨率。就背景而言，典型的人眼可以分辨0.005-0.01°，足以在100m处看到1cm的物体，但毕竟人类是在数百太赫兹的可见光下。为了提高雷达分辨率，可以提高雷达的工作频率。不过，雷达频率因法规限制不容易改变。

还有一个选项是增加光圈的大小。虽然这在技术上是可能的，但会遇到实用性的挑战。为了从2.8°增加到1°，光圈需要从10cm增加到28cm。为了在方位角和仰角上都获得这样的分辨率，需要28cm×28cm的雷达，这给集成到前保险杠带来了挑战，可能会出现散热的问题，并让主机厂美学团队有点头疼。

现在，雷达尺寸还是比较大，例如大陆的ARS540、博世的FR5+和Arbe的Phoenix都超过了10cm，其中最大的Phoenix达12.7cm×14.3cm。

Arbe体积更小的Lynx为24Tx/12Rx配置，提供288个虚拟通道，处理器最多支持2304个通道，可以产生非常高分辨率的点云，能够比200通道解决方案更好地进行对象分类，但仍不如摄像头或激光雷达。Arbe的成像雷达价格在100-150美元，与现有雷达解决方案相比具有竞争力。



创建更大雷达的另一个问题是，在没有支持半导体技术的情况下制造一个28cm×28cm的雷达，就像2001年构建一个价值10000美元的单反相机镜头，并将其与1MP手机摄像头传感器配对。这里的模拟到像素是虚拟通道，它是雷达的发射和接收通道（Tx和Rx）的倍数。

过去的3D雷达可能有1个发射通道和3个接收通道（1Tx/3Rx）。通常4D雷达可能会使用3Tx/4Rx的雷达收发器，而一些领先的雷达将其中4个芯片组合在一起，以获得有192个虚拟通道的12Tx/16Rx排列。Arbe开发了一个芯片组，可在单个雷达中扩展到48Tx/48Rx，提供2304个虚拟通道，可以实现1°分辨率的方位角和1.7°分辨率的仰角。

应对构建大型雷达挑战的一种方法是以某种方式进行分发，这有几种方法。Zendar的一款雷达使用了两个性能较低的雷达，放置在保险杠的两端并协同工作。现在，孔径已从不足10cm增加到了1.5-2m。因此，两个雷达协同工作的方位角分辨率刚好超过0.1°。另一种方法是为每个通道（3Tx/4Rx雷达）构建单独的天线板，并将其放置在保险杠内。这是Plastic Omnium和Greener Wave正在探索的开发路线。

如何进一步提高分辨率？

上面提到的几乎所有公司都在使用某种超分辨率软件来提高雷达的性能。实际上，现代单反相机配备了强大的处理器，以充分利用图像，而现代手机摄像头软件也可以产生最清晰、最自然的效果。

在雷达领域，一些初创企业也在不进行任何物理更改的情况下用一些算法来提高雷达分辨率。Zadar Labs使用机器学习、人工智能（AI）和编码传输信号等技术来提高雷达性能。



类激光雷达的超分辨率

该公司以软件定义成像雷达，其软件先行雷达（SDIR）平台将强大的雷达操作系统与新颖的统计信号处理算法和灵活的硬件平台相结合，据说可使检测性能比现有技术提高250倍。

Spartan使用了一种基于F-18和F-35战斗机的算法，软件包括可定制的监控层，以平衡计算负载并优化场景中哪些区域需要最佳分辨率。超分辨率软件可以将角分辨率提高4倍，将标准2.8°角分辨率雷达降低到0.5-1°或更低。

扫描是雷达的另一个很有前途的选择。Metawave的超材料天线使用波束成形和波束控制技术，将雷达的性能集中在一个薄扇形。然后通过所需的仰角视场扫描该扇形，从而提供更高的仰角和方位角分辨率。其另一个好处是，与闪光型方法相比，发射能量分布在更小的区域，可以实现比非扫描等效方法更长的距离。

基准分析显示，通过在角分辨率、距离、视场和帧速率等关键性能指标上的相互比较，产生了最佳的整体封装和一些意想不到的结果。


4D雷达基准

小雷达大市场

2030年，新兴自动驾驶技术将使汽车雷达市场翻一番，在ADAS推动下，汽车雷达市场正在蓬勃发展。无论是在新技术还是新的应用，这种“简陋的”传感器仍有巨大的机会，市场价值将超过80亿美元，10年复合年增长率为6.9%。

虽然汽车雷达一直是20多年来汽车市场上的常见传感器，但到目前为止，其显著的成像性能还没有部署，随着对更高级别自主性的出现和需求，这种情况正在发生变化。

与竞争对手相比，雷达在恶劣天气、夜间、低反射率物体和阳光直射下都能提供卓越的性能，不过它还缺乏创建识别自由空间所需的高分辨率图像的能力，甚至无法执行基本的物体分类。今天市场上的大多数雷达都缺乏在仰角方向解决问题的能力，这是其性能的重大缺陷。

过去几年，4D雷达和成像雷达已开始部署在乘用车上，能够在仰角和方位角方向都达到0.1°以下的角分辨率，雷达就能够在200m处探测到倒放的物体，比如轮胎。

短程雷达增长更快

短程和远程雷达都在实现ADAS功能方面发挥着重要作用。ACC和AEB等依赖于前向ADAS应用，需要尖端远程雷达产品提供的长探测距离和高分辨率，而近程雷达通常满足不需要太多性能的应用，如BSM。



ACC等面向未来的ADAS应用现已广泛采用，这意味着远程雷达的增长潜力正在降低。据IDTechEx统计，2022年每辆车的远程雷达出货量为0.69部。这一数字还会增长，但由于绝大多数自动驾驶应用只用一个前置雷达，预计其采用上限将略高于每辆车1个。一些汽车，如robotaxis和L4乘用车，每辆车将消耗一个以上的高性能远程、4D成像雷达，20年预测也只占汽车市场的一小部分。

为了使雷达的总体数量显著增长，人们应该转而使用短程雷达，而2022年每辆车只有0.6个短程雷达。由于BSM需要至少两个短程雷达，这一数字显然有可能超过三倍。不断发展的ADAS功能要求每辆车配备更多的短程雷达，新的半导体和封装技术也将雷达定位为停车应用中超声波设备的一种引人注目的替代品。

前置雷达几乎是L2的先决条件，但一些车企，如特斯拉，已经尝试只使用摄像头的系统，但它可能恢复使用雷达。侧视雷达主要用于盲点探测，是一种被动系统。不过，L2+和L3具有自动变道（ALC）功能，需要近距离雷达的侧面监控。

自主出行服务一波三折

自动驾驶汽车的出现和广泛采用将是汽车雷达市场未来增长的最大驱动力之一。这些车辆使用许多雷达来了解环境和不同的障碍物。事实上，作为robotaxi开发领域的领导者和最著名的公司之一，Cruise每辆车使用21个雷达。其竞争对手Waymo的传感器套件更依赖摄像头，但它仍然有6个雷达，都是高性能4D成像雷达。


不同自主级别的传感器数量

目前，这些车辆中的许多都部署在加州进行测试，Waymo和Cruise的车队总数超过1000辆。不过，在汽车市场的总体规划中还是很小。

令人遗憾的是，10月下旬美国加州吊销了通用汽车在该州道路上测试和运行完全无人驾驶的汽车的许可。Cruise表示，将全面撤回所有在公共道路上运营的自动驾驶车辆，包括配有安全员的自动驾驶车辆。

由此可见，IDTechEx此前的“需要大量高性能汽车雷达的车辆使汽车雷达市场进入增长新阶段”的说法被蒙上了一层阴影。

雷达趋势：体积和安装面积

雷达的趋势是尺寸不断缩小，为的是集成到车辆中，这也是半导体性能提高的结果；较小的雷达会更便宜，而性能与以前的较大雷达相同。

小型化进程部分源于向77GHz工作频率的过渡，更高频率意味着波长更短，因此封装更小。

尺寸减小的另一个原因是在单个芯片上集成了更多雷达工艺。过去，雷达需要单独的发射机、接收机、稳压器、处理器等。采用硅CMOS技术可以在一个芯片上完成所有雷达工艺。未来，甚至天线也可以封装在芯片上，使雷达尺寸与超声波传感器相似。

中国电科38所发布的高性能77GHz毫米波芯片及模组，在国际上首次实现两颗3Tx/4Rx毫米波芯片及10路天线单封装集成，探测距离达到38.5m，刷新了当前全球毫米波封装天线最远探测距离的纪录。



总之，随着自主水平的提高，每辆车的传感器总数在迅速增加，所采用的技术也将越来越先进。尽管目前全球第八大车企特斯拉尚未使用雷达，但它正在开发一种使用德州仪器收发器芯片组的雷达。百花齐放仍然是雷达市场的主旋律！