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)了新功能提示——一個名為“Phoenix”的新雷達(dá)選項(xiàng)，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(shí)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。

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。”

Phoenix是Arbe的雷達(dá)芯片組解決方案，通過4D超高分辨率實(shí)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(shí)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(bào)，以確保駕駛者、行人和其他易受傷害的道路使用者的安全。

馬斯克：正合我意

因?yàn)榍兄幸Γ琈arenko的話馬斯克愛聽：

Marenko表示：“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。”

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(shí)現(xiàn)所需的安全級別。”

歸納起來，4D成像雷達(dá)具有以下優(yōu)勢：

實(shí)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(shí)時發(fā)現(xiàn)各種障礙，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(shí)時的態(tài)勢數(shù)據(jù)和警報(bào)。

遠(yuǎn)距離探測：

實(shí)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。

路徑規(guī)劃：

提供真正的路徑規(guī)劃，因?yàn)樗梢栽诔^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。自動駕駛傳感器套件的量產(chǎn)成本應(yīng)低于1000美元，而如今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(diǎn)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(shí)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。

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(yàn)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。”

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，片上集成功能更多，載流子的移動性很高，即使在大光刻節(jié)點(diǎn)（如130nm），也可用于高頻雷達(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(diǎn)，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(diǎn)加上CMOS技術(shù)，可以在芯片內(nèi)實(shí)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(jì)，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。

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(yàn)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。

Magney這樣解釋：“我認(rèn)為時間是第四維空間，因?yàn)闀r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(diǎn)。但是，成像雷達(dá)可以提供許多點(diǎn)，產(chǎn)生的是垂直分辨率，可更好地了解被跟蹤的是什么。”

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。”

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。”

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(jì)算機(jī)視覺。

現(xiàn)在，有了產(chǎn)生點(diǎn)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(xiàng)任務(wù)的首選。即使4D雷達(dá)出現(xiàn)，LiDAR也不會消失。”

從技術(shù)趨勢看，雷達(dá)的點(diǎn)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(jì)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(diǎn)，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(diǎn)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(shí)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(duì)，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(diǎn)小？

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發(fā)布了一系列新的雷達(dá)傳感技術(shù)。

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。

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(jì)分辨率增強(qiáng)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(shí)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。

RFISee相控陣技術(shù)高大上

由于相控陣是一項(xiàng)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(shí)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(shí)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。

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(shí)現(xiàn)SAE J3016 L2功能，為邁向L5自動駕駛系統(tǒng)鋪平道路。

寫在最后

自動駕駛的發(fā)展已經(jīng)來到一個十字路口。基于一些擔(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。
責(zé)任編輯:tzh