Yole发布的《2020年雷达产业态势报告:厂商、应用与技术趋势》指出,到2025年,汽车市场预期将以11%的CAGR增长,因为汽车应用雷达已成为标准设备,在测试场景变得更严苛之后,有两大趋势正在涌现:第一是向能更准确描述车辆前后方场景的成像雷达前进;第二是增加车辆各处传感器的数量,通过协调来改善场景知觉。近年来出现的4D成像毫米波雷达恰恰反映了这些趋势。
1、4D毫米波雷达补短板
传统毫米波雷达不具备测高能力,难以判断前方静止物体是在地面还是在空中,无法细化刹车场景,如井盖、减速带等无需刹车的地面低小障碍物;交通标识牌、龙门架、立交桥等无需刹车的空中障碍物;以及需要刹车的车辆、三角锥桶等路面上较大障碍物。为此,为避免误刹车频发,AEB算法便决定降低毫米波雷达的置信度权重,以视觉感知结果为主。然而,视觉感知的挑战在于,目标障碍物必须经过提前训练,而模型库又不可能穷举所有类型,所以很多静态障碍物成了“漏网之鱼”,此外即使有模型库,另一个挑战在于神经网络能否正确识别出前方障碍物。因此,便经常出现明明前方有障碍物、自动驾驶汽车却依然撞上去的结果。
4D毫米波雷达又称为成像雷达,“4D”是指在原有距离、方位、速度的基础上增加了对目标的高度维数据解析,能够实现“3D+速度”四个维度的信息感知。
而“成像”概念是指其具备超高的分辨率,可以有效解析目标的轮廓、类别、行为。这意味着4D毫米波雷达系统可以适应更多复杂路况,包括识别较小的物体,被遮挡的部分物体以及静止物体和横向移动障碍物的检测等。
升级为4D毫米波雷达,AEB算法便可更多考虑毫米波雷达的感知结果,从而以更高概率识别路面上的静态障碍物,结合其高分辨率带来的优势,可以更有效地解析目标的轮廓、类别、行为,进而能知道在什么情况下必须刹车(避免漏刹)。
2、软硬兼施实现量产
在毫米波雷达芯片圈内,头部厂商都认为实现4D成像的关键在于多天线,技术门槛并不高。多年来,市场一直由英飞凌和恩智浦把持。2020年初,英飞凌宣布与首创车载4D高清点云成像雷达的美国傲酷(Oculi)合作,进入汽车级成像雷达市场,但至今还没有看到产品。
毫米波雷达市场格局及趋势
为了抢占市场,德州仪器(TI)2016年底推出基于CMOS工艺的高集成度77GHz毫米波雷达传感器AWR1642系列,是为适用中短距场景的集成DSP和MCU的单芯片产品,在长距毫米波雷达芯片组市场仍甘拜下风。
既然无法与毫米波雷达芯片巨头正面较量,只能走曲线救国的道路。何以见得?上面提到的傲酷首创了车载4D成像雷达,活学活用的就是德州仪器的芯片。
德州仪器4D成像毫米波雷达概念于2018年底抛出,推出了基于AWR2243 FMCW(调频连续波)单芯片收发器的4片级联4D毫米波雷达全套设计方案,最难搞的天线也融入其中,内嵌四元件串馈贴片(4-element series-fed patch)天线。
AWR2243的PCB天线
AWR2243 FMCW收发器基于TI的低功耗45nm RFCMOS工艺,以单片实现具有内置PLL和A2D转换器的3Tx和4Rx系统。简单的编程模型更改可以实现多种传感器实现方式(短、中、长),并可动态重新配置以启用多模传感器。AWR2243收发器作为完整的平台解决方案提供,包括参考硬件设计、软件驱动程序、示例配置、API指南和用户文档。
垂直装配的EVM样机
算法包括MATLAB MIMO和波束形成两种选择,交钥匙工程让4D成像毫米波雷达技术门槛为之大降。也让傲酷们得以率先尝鲜。
AWR2243是一款76GHz至81GHz汽车类第二代高性能MMIC。目前已成为中国乃至全球4D成像毫米波雷达主要采用的级联方案,有追求低成本的2片级联,也有追求高性能的4片级联。
2片级联成像雷达
2021年3月,傲酷用TI芯片实现了超高角分辨率4D成像前向雷达Eagle,是一个软硬兼施方式做出的产品。Eagle 77GHz成像雷达使用的是市场流行的TI毫米波雷达芯片,傲酷独有的软件使毫米波雷达实现了4D高清成像,探测距离在350米以上。
Eagle在双芯片平台上实现了宽视野范围内的高角度分辨率和仰角信息,通过专有的AI算法驱动的虚拟孔径成像软件,角度分辨率提高了50-100倍;多虚拟天线方式彻底解决了困扰车载毫米波雷达界几十年来只能用增加实体天线数量提高角分辨率的难题,用软件重新定义了雷达。同时4D成像雷达产品的BOM成本和普通毫米波雷达差不多,但性能却实现了碾压。
Eagle可在120°水平/30°垂直宽视场中提供0．5°水平x 1°纵向角分辨率。其远程和高角度分辨率使其能够用于各种自动驾驶应用,包括高分辨率雷达测绘和定位、自主路径规划和避障、目标检测和跟踪、室内导航、虚拟围栏等。
传统商用雷达与傲酷雷达对比
传统雷达波形是单频、重复、非自适应的,产生多种波形的唯一方法是增加接收天线数量。虚拟孔径成像波形是自适应的相位调制。每根接收天线在不同时间产生不同的相位响应,然后对数据进行插值和外推,创造一个“虚拟孔径”。使用人工智能从环境中学习和适应的智能软件可以伴随成倍增长的数据而不断改进。
传统雷达波形与虚拟孔径成像波形
传统雷达的分辨率取决于天线数量。这意味着性能是固定的,需要更多的硬件——更多天线、更多处理、更大尺寸和额外成本——来实现更高的角分辨率。额外的实体天线可以线性增加性能,但成本、尺寸和功耗呈指数增长,限制了商用雷达中可使用的天线数量。
Eagle用低成本、低功耗的双芯片(6T8R)硬件平台可提供传统雷达用8芯片级联(24T32R)才能达到的角分辨率。通过软件计算和数据实现更高的角分辨率,可以遵循摩尔定律的指数级增长,实现更长的探测距离和低成本。
“基阵”物理MIMO接收机数量与角分辨性能趋势
据介绍,傲酷的高分辨率点云数据可以在原始数据层面与其他传感器,如摄像头、激光雷达等融合,实现深度传感器融合能力,保证全天候条件下运行,得到最好的跟踪结果。
3、狙击TI 4D雷达处理器
虽然毫米波雷达芯片老大英飞凌还没有动静,恩智浦却早已坐不住了。6月初,恩智浦宣布推出基于台积电16nm工艺量产两款车用芯片——汽车网络处理器S32G2和雷达信号处理器S32R2949(雷达传感器芯片组),并表示为将来采用台积电5nm工艺铺路。
S32R294芯片
S32R294可以处理4D点云雷达信号,将为主机厂提供扩展性解决方案所需的效能,包括先进转角雷达、长距离前置雷达和先进多模式使用场景,如同步盲点侦测、变换车道辅助和仰角感测等。
S32R294应用级联框图
S32R294与恩智浦上一代芯片S32R274尺寸一致,芯片外观尺寸是7．5mm×7．5mm,但其性能提高了一倍。S32R294有两个Power Architecture e200z7 32-bit内核,用于雷达信号的后处理和任务调度,如超分辨算法、信号聚类、目标追踪等。它还有一对锁步z4内核,用于运行与功能安全相关的软件,如AUTOSAR OS、输出决策指令等。
S32R294框图
S32R294内置雷达信号加速单元,简称SPT2．8,对雷达中频信号的FFT、求模、峰值检测、直方图统计等最耗资源的运算进行硬件加速,是专门针对FMCW雷达的信号处理加速单元。
S32R294与上一代处理器的软件复用率高达80%。得益于16nm工艺,S32R294的功耗不到上一代55nm工艺处理器的一半,在0．9W左右,有助于客户开发高性、能低功耗的毫米波雷达产品。
S32R294处理器已获得ASIL D ISO26262认证。其专门的硬件加密引擎CSE(Cyptographic Services Engine)支持安全启动(security boot)等高阶加密算法。
S32R294的多种配置支持从入门到高端的全系应用开发,如一发三收、三发四收、六发八收等中频信号处理。中频信号处理主要是获得距离、速度和角度信息,其中基础距离、速度、角度信息由SPT2．8计算求得,后续数据交由Z7和Z4核实现超分辨算法、信号聚类、目标追踪、决策等功能。目标级数据和决策指令通过CAN FD接口输出到后端车身控制单元或ADAS域控制器。
六发八收毫米波雷达最多支持2片芯片级联,其两路MMIC是恩智浦TF82系列微波集成电路,通过LO相连实现芯片间同步。MMIC芯片的波形是由MCU通过SPI配置通道控制其波形发射。接收链路接收到的中频信号也是通过MIPI-CSI接口传输回MCU做后续处理。
这表明恩智浦的雷达芯片非常灵活,可以处理从低端到高端的所有应用。雷达接收的通道数越多,其视场角就越宽,可以实现横向防撞预警、代客泊车、4D点云成像等高级辅助驾驶功能。
S32R294目标雷达应用
与德州仪器如出一辙,恩智浦还为S32R29提供了开发汽车雷达应用的MCU评估板。评估板可以访问以太网和CAN、MIPI-CSI2等通信接口,与雷达收发器和GPIO接头连接访问其他MCU功能。
S32R29 EVB汽车雷达应用评估板
S32R29 EVB还有助于软件开发和评估信号处理工具包,提高雷达数学速度、S32R29 MCU的功能安全或信息安全。这样做无非是想帮助雷达厂商采用这款芯片做出产品,尽快实现量产。
4、做贴合国情的4D成像雷达
中国路况复杂程度尽人皆知,要不特斯拉也不会水土不服。为此,不做整车的华为也是不遗余力在研发各种感知技术,高分辨4D成像雷达便是其中之一。
华为认为,近年来自动驾驶事故中感知不足是重要原因之一是不能有效识别静止车辆或事故车辆,对隔离桩或护栏判断不准,这些都会导致严重事故。高分辨4D成像雷达可以检测目标的4个维度,包括速度、距离、水平角度和垂直角度,解决传统雷达水平分辨能力不足、不支持垂直分辨、导致看不清和看不准的问题。4D成像雷达满足全目标、全覆盖和多工况感知要求,逐步接近了理想传感器目标,将与摄像头、激光雷达形成有效融合和冗余。
在大幅提升分辨率、目标检测的置信度和检测范围(如距离和视场角(FOV))的同时,4D成像雷达进化出像激光雷达一样的高密度点云,实现丰富的感知增强应用,如环境刻画、雷达构图、定位等,还可通过多雷达点云级融合,更好地实现车周360°检测。
华为高分辨率4D成像雷达能力的提升体现在3个方面:
大阵列高分辨率。12个发射通道,24个接收通道,比常规毫米波3发4收天线配置提升了24倍,比典型成像雷达多50%接收通道。据说这是短期可量产最多天线配置的成像雷达。
大视场无模糊。水平视场从90°提升到120°,垂直视场从18°提升到30°(与傲酷相当),纵向探测距离从200米提升到300米以上。
4D高密度点云。4D点云包括速度、距离、水平角度和垂直角度,相比激光雷达点云多了一个速度维度对目标进行解析。
在实测中,华为高分辨率4D成像雷达展示了一些特色:
在前方拥堵时,实现130km/h下舒适性刹停;
锥桶探测距离达110米,可分辨护栏旁的静止车辆;
被遮挡或部分遮挡目标感知,可以看到前车、前前车和前前前车,甚至可以看到前前车的大致底盘轮廓,通过对前前车感知,可以提前预判前车急减速等动作,减少连环追尾风险。
非视距前前车感知
华为智能汽车解决方案BU Marketing与销售服务部总裁迟林春在介绍智能驾驶业务进展情况时表示:“华为的天线已经做到128发128收,非常先进,华为的毫米波雷达是在通信技术的基础上开发出来的。”
5、性能之争变本加厉
TI的AWR2243是3发4收,可以4片级联,实现12发16收;采用TI AWR2243的傲酷Eagle是双芯片6发8收,由于有软件帮助,可以实现24发32收;恩智浦S32R294最多支持6发8收,支持2片级联,就是12发16收(与TI相当);华为目前是12发24收。可以看出雷达厂商如果有自己独到的软件技术,可以将芯片(硬件)的性能再度提升。
还有一家国内毫米波雷达厂商使用恩智浦2020年12月推出的TEF82xx MMIC做出了4D成像雷达,据说比国外某厂商的产品性能提高两倍,比国内2022H2 SOP的产品性能提升一倍,且早18个月量产。
