毫米波雷達 | 智能駕駛不可或缺的4D毫米波雷達技術全解析
近幾年來，汽車全自動駕駛的發(fā)展步伐開始慢了下來，但汽車智能化的進程卻在不斷向前推進。根據乘聯會的統計，國內乘用車智能化指數從2024年7月突破4.0以來，到2024年12月，連續(xù)6個月都維持在4.0以上。
其實2024年開始，乘聯會對汽車智能化的定義變得更加嚴格，這里統計的智能化汽車指的是車型需要同時滿足“高速領航輔助功能”、“搭載驍龍8155及以上性能座艙芯片”、“提供小憩模式功能”等三項條件。
2023年起，在國家政策的推動下，相繼有車企取得了L3級自動駕駛牌照。比如比亞迪在2023年7月取得了全國第一張L3級高快速路測試牌照，隨后阿維塔、深藍、奔馳、極狐、寶馬、智己、賽力斯問界、廣汽埃安、路特斯、極越、極氪等汽車企業(yè)相繼獲得了L3級自動駕駛測試牌照。同時，在2024年6月，工業(yè)和信息化部聯合公安部、住房和城鄉(xiāng)建設部以及交通運輸部發(fā)布《進入智能網聯汽車準入和上路通行試點聯合體基本信息》公布了9個準入和上路通行智能網聯試點區(qū)域的“聯合體”。這些汽車企業(yè)包括比亞迪、長安汽車、蔚來、廣汽乘用車、上汽集團、北汽藍谷、一汽集團、上汽紅巖，以及宇通客車共9家，這9家聯合體將在北京、上海、廣州等7個城市正式開始L3級自動駕駛的測試工作。
除了政策的持續(xù)推動，車企自己也在通過不斷的技術創(chuàng)新和產品迭代來提升智能駕駛技術，比如比亞迪推出的“天神之眼”高階智能駕駛輔助系統、奔馳的Drive Pilot、特斯拉的FSD、Stellantis的STLA AutoDrive、通用汽車的超級智能駕駛系統（SuperCruise）、福特的藍智駕主動駕駛輔助系統（BlueCruise）、華為的鴻蒙智行等都在不斷升級當中。其中不少智能駕駛系統已經開始了脫手駕駛系統測試和部署，甚至有的開始探索無需監(jiān)視駕駛員視線的完全自動駕駛解決方案。
智能駕駛邊界的不斷拓展，對于傳感器的要求也越來越高。從去年到現在，就算是端到端大模型，本質上也沒有解決攝像頭的物理性能缺陷，激光雷達雖然成本在不斷下降，安全冗余作用明顯，但對于惡劣天氣、穿透能力，以及抗干擾能力的劣勢依然存在。但毫米波雷達的全天候全天時工作能力，剛好可以彌補這些缺陷，同時4D成像毫米波雷達技術的出現和成熟，也解決了過去目標識別精度有限、分辨率低，以及遠程探測能力有限等問題。
4D毫米波雷達的主要供應商與最新進展
現在的很多智能駕駛系統都有部署毫米波雷達，一般來說如果是L0~L2級自動駕駛汽車，毫米波雷達主要應用于自動緊急制動、自適應巡航、前向碰撞預警、后向碰撞預警、倒車車側預警、盲區(qū)監(jiān)測、開門預警、自動泊車、變道輔助、駕駛員生命體征監(jiān)測、乘客成員監(jiān)測，以及手勢識別等功能。
而根據毫米波雷達在汽車中的安裝位置不同可分為前向雷達、角雷達及艙內雷達三種。前向雷達就是我們常說的主雷達，一般會安裝在車標或者車頭柵格內；角雷達安裝在汽車的4個拐角處，這類毫米波雷達的安裝數量最多，通過相互配合可以形成車身的環(huán)繞覆蓋。艙內雷達則主要安裝在汽車的駕駛座椅或車頂位置。
4D毫米波雷達，又稱4D成像毫米波雷達，它主要是應用在前向雷達領域。與3D毫米波雷達相比，4D毫米波雷達在距離、速度、水平方位角傳統三維基礎上，增加了高度維度的探測能力，形成了思維信息感知。通過增加發(fā)射和接收通道的個數，提供點云的功能，從3T4R（3發(fā)射和4接收，12通道），到6T8R（48通道），再到12T16R（192通道），甚至是48T48R（2,304通道），點云成像的精度持續(xù)提升，逐漸實現了對傳統毫米波雷達的替代。
有業(yè)內人士認為，4D毫米波雷達的點云效果甚至可以達到低線數激光雷達的效果，但成本卻更低，這讓它逐漸成為市場的新寵。目前已經有多家汽車品牌率先搭載了4D毫米波雷達，比如飛凡、理想、睿藍、長安、路特斯、華為的鴻蒙智行、蔚來等。
由于前向雷達涉及車身控制功能，功能安全等級要求較高、研發(fā)難度較大，參與的企業(yè)大都是國際Tier 1企業(yè)，比如博世、大陸、電裝、安波福、采埃孚、維寧爾、法雷奧、摩比斯及海拉等企業(yè)，國內的森思泰克、華域汽車、楚航科技、華銳捷和華為等供應商也有參與。
即將量產的小米第二款車型小米YU7將首次搭載國產4D毫米波雷達，其前向雷達將采用森思泰克的STA77-6-B高分辨率4D毫米波雷達。據森思泰克官網介紹，STA77-6為兩片級聯架構，6T8R，此前已經搭載于理想品牌車型，角度分辨率2°，探測距離達到300米；高階版本的STA77-8則為四片級聯架構，12T16R，此前搭載于深藍車型，提供0.7°（水平）x 2°（縱向）的角分辨率，探測距離高達350米。
華為2024年4月發(fā)布的高精度4D毫米波雷達采用了4T4R的MIMO天線系統，并且使用了波導天線，支持超遠距離探測，探測距離可達280米；構圖精度可達5cm；垂直視野達到了60°；延時為65ms；支持泊車位障礙物檢測與高處物體識別。該產品已經適配鴻蒙智行生態(tài)，計劃在問界、智界等車型中大規(guī)模應用。
博世與Mobileye在2024年宣布了放棄激光雷達的自研，轉而大力推動4D毫米波雷達的開發(fā)與量產。其中博世不久前推出的第六代毫米波雷達距離和精度雙雙得到提升。據其官方介紹，該解決方案采用了系統集成芯片、3D波導天線、RFCOMS技術，并且結合了AI深度學習，提高了對物體類型、道路邊緣分類和高速盲點監(jiān)測的準確性。據悉，該毫米波雷達將于今年上半年量產。
4D毫米波雷達未來發(fā)展方向
毫米波雷達的優(yōu)勢在于體積小、質量輕、空間分辨率高，以及可以同時探測目標物體的距離和速度等，但也存在對橫向目標敏感度低、對小物體檢測效果不佳等缺點。為了發(fā)揮毫米波雷達的優(yōu)勢，彌補其缺點，行業(yè)專家與相關企業(yè)都在通過技術升級迭代的辦法在不斷滿足市場需求。
從目前來看，4D毫米波雷達未來的發(fā)展方向主要有四個，分別是超高分辨率、與AI融合、小型化與低成本，以及多場景擴展。
一是超高分辨率，也就是從“點云稀疏”到“類激光雷達”的跨越。4D毫米波雷達的核心競爭力是通過提升分辨率來實現環(huán)境感知的精細化。前面有提到，4D毫米波雷達是在3D毫米波雷達的基礎上增加了一個高度維度的測量，也就是說，需要新增一個縱向天線，讓傳統毫米波雷達具備測量高度的能力。同時也會增加天線的數量與密度，讓角度、速度和分辨率均得到優(yōu)化，且輸出的點云圖像更加致密，從而能夠刻畫更為真實的環(huán)境圖像，有效解析測得目標的輪廓、行為和類別。那么，如何增加天線數量也就成為了提升4D毫米波雷達的核心所在。
目前市面上使用比較多的有兩種方案，一種是增加物理通道數。傳統毫米波雷達受限于天線數量（通常是3T4R，或者是4T4R），角分辨率僅能達到5°~10°，難以區(qū)分密集目標。而通過多芯片級聯（Cascading）與虛擬孔徑技術（Virtual Aperture）通道數量可以實現突破。比如恩智浦的S32R45芯片可以實現12T16R級聯方案，物理通道數可達192個，點云密度可提升至20,000點/s；Arbe的Phoenix Ultra是48T48R架構，等效2,304個虛擬通道，角分辨率可達0.5°，可識別10cm大小的障礙物；華為ADS 2.0中使用的4D毫米波雷達，通過12T24R MIMO架構，實現了192通道，垂直分辨率2°，接近16線激光雷達的效果。
另一種是波形與算法的協同優(yōu)化。因為毫米波雷達的高分辨率不僅依賴硬件堆疊，更需要軟件算法的突破。比如調頻連續(xù)波（FMCW）波形擴展，帶寬從4GHz提升到了8GHz（例如TI的AWR2944）,距離分辨率從3.75cm優(yōu)化至1.8cm；另外，通過微多普勒效應識別目標微觀運動（例如行人擺手、輪胎旋轉等），提升分類準確性；當然，逆合成孔徑雷達（ISAR）技術也有助于分辨率的提升，不久前，南開大學團隊將光子雷達與ISAR結合，實現了1.5cm級分辨率，為6G通信感知一體化奠定基礎。
二是與AI的融合。AI大模型的出現給各行各業(yè)都帶來了革新，毫米波雷達領域也不例外。AI技術的引入，使毫米波雷達從幾何探測器升級成為了認知決策器。（1）在雷達端集成嵌入式AI加速器，實時執(zhí)行車輛、行人、動物等目標分類及軌跡預測，這是硬件架構的革新。比如華為在其4D毫米波雷達中集成了昇騰310NPU，算力達8TOPS，支持實時目標意圖預測；TI的AWR 2944內置了C7xDSP+MMA加速器，可并行處理4D點云與AI推理任務；此外，Arbe、博世、復睿智行、木?？萍嫉纫捕紝?/span>AI技術融合進了毫米波雷達產品當中。
三是小型化與低成本。小型化與低成本一直是業(yè)界努力的方向，目前主要依賴先進封裝與集成工藝，以及制造工藝等技術。在先進封裝方面，TI通過封裝上裝載（Launch On Package，簡稱LoP）技術，可通過PCB內部的波導設計，實現MMIC與3D天線之間的直接信號傳輸，極大提升了電磁信號的傳輸效率；岸達科技60GHz AiP（天線封裝）芯片將天線尺寸縮小到了5mm*5mm，功耗降低了40%；恩智浦通過LiP技術，封裝內集成波導，減少了PCB層數，成本下降了30%；加特蘭通過ROP封裝技術，不僅解決了傳統標準封裝技術中的天線饋線損耗較大的問題，而且相較AiP技術，還擁有更高的通道隔離度，可讓雷達實現更遠的探測距離和更寬的FOV。集成工藝方面，ST的FD-SOI工藝將射頻前端、基帶處理器集成于單芯片，面積縮小了50%；臺積電的InFO封裝技術可實現多芯片3D堆疊，提升集成度。此外，CMOS工藝的普及也有利于毫米波雷達芯片成本的進一步降低。
四是多場景擴展。從車載獨大到全域滲透。其實4D毫米波雷達正在突破汽車邊界，向工業(yè)自動化、智慧城市、消費電子、醫(yī)療等領域延伸。
智能汽車可以提供更加安全、節(jié)能、高效，以及舒適的出行體驗，是公認的未來發(fā)展方向。它不僅會帶來汽車行業(yè)的技術升級，還會帶來全球化供應鏈和產業(yè)生態(tài)的革新，而毫米波雷達是這個環(huán)節(jié)中不可或缺的一環(huán)。當然，毫米波雷達也不僅僅應用于汽車與交通，它還會在更多領域開花結果。