Yole發(fā)布的《2020年雷達(dá)產(chǎn)業(yè)態(tài)勢報(bào)告:廠商、應(yīng)用與技術(shù)趨勢》指出,到2025年,汽車市場預(yù)期將以11%的CAGR增長,因?yàn)槠噾?yīng)用雷達(dá)已成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,在測試場景變得更嚴(yán)苛之后,有兩大趨勢正在涌現(xiàn):第一是向能更準(zhǔn)確描述車輛前后方場景的成像雷達(dá)前進(jìn);第二是增加車輛各處傳感器的數(shù)量,通過協(xié)調(diào)來改善場景知覺。近年來出現(xiàn)的4D成像毫米波雷達(dá)恰恰反映了這些趨勢。

1、4D毫米波雷達(dá)補(bǔ)短板

傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)不具備測高能力,難以判斷前方靜止物體是在地面還是在空中,無法細(xì)化剎車場景,如井蓋、減速帶等無需剎車的地面低小障礙物;交通標(biāo)識(shí)牌、龍門架、立交橋等無需剎車的空中障礙物;以及需要?jiǎng)x車的車輛、三角錐桶等路面上較大障礙物。為此,為避免誤剎車頻發(fā),AEB算法便決定降低毫米波雷達(dá)的置信度權(quán)重,以視覺感知結(jié)果為主。然而,視覺感知的挑戰(zhàn)在于,目標(biāo)障礙物必須經(jīng)過提前訓(xùn)練,而模型庫又不可能窮舉所有類型,所以很多靜態(tài)障礙物成了“漏網(wǎng)之魚”,此外即使有模型庫,另一個(gè)挑戰(zhàn)在于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能否正確識(shí)別出前方障礙物。因此,便經(jīng)常出現(xiàn)明明前方有障礙物、自動(dòng)駕駛汽車卻依然撞上去的結(jié)果。

4D毫米波雷達(dá)又稱為成像雷達(dá),“4D”是指在原有距離、方位、速度的基礎(chǔ)上增加了對(duì)目標(biāo)的高度維數(shù)據(jù)解析,能夠?qū)崿F(xiàn)“3D+速度”四個(gè)維度的信息感知。

而“成像”概念是指其具備超高的分辨率,可以有效解析目標(biāo)的輪廓、類別、行為。這意味著4D毫米波雷達(dá)系統(tǒng)可以適應(yīng)更多復(fù)雜路況,包括識(shí)別較小的物體,被遮擋的部分物體以及靜止物體和橫向移動(dòng)障礙物的檢測等。

升級(jí)為4D毫米波雷達(dá),AEB算法便可更多考慮毫米波雷達(dá)的感知結(jié)果,從而以更高概率識(shí)別路面上的靜態(tài)障礙物,結(jié)合其高分辨率帶來的優(yōu)勢,可以更有效地解析目標(biāo)的輪廓、類別、行為,進(jìn)而能知道在什么情況下必須剎車(避免漏剎)。

2、軟硬兼施實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)

在毫米波雷達(dá)芯片圈內(nèi),頭部廠商都認(rèn)為實(shí)現(xiàn)4D成像的關(guān)鍵在于多天線,技術(shù)門檻并不高。多年來,市場一直由英飛凌和恩智浦把持。2020年初,英飛凌宣布與首創(chuàng)車載4D高清點(diǎn)云成像雷達(dá)的美國傲酷(Oculi)合作,進(jìn)入汽車級(jí)成像雷達(dá)市場,但至今還沒有看到產(chǎn)品。

毫米波雷達(dá)市場格局及趨勢

為了搶占市場,德州儀器(TI)2016年底推出基于CMOS工藝的高集成度77GHz毫米波雷達(dá)傳感器AWR1642系列,是為適用中短距場景的集成DSP和MCU的單芯片產(chǎn)品,在長距毫米波雷達(dá)芯片組市場仍甘拜下風(fēng)。

既然無法與毫米波雷達(dá)芯片巨頭正面較量,只能走曲線救國的道路。何以見得?上面提到的傲酷首創(chuàng)了車載4D成像雷達(dá),活學(xué)活用的就是德州儀器的芯片。

德州儀器4D成像毫米波雷達(dá)概念于2018年底拋出,推出了基于AWR2243 FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)單芯片收發(fā)器的4片級(jí)聯(lián)4D毫米波雷達(dá)全套設(shè)計(jì)方案,最難搞的天線也融入其中,內(nèi)嵌四元件串饋貼片(4-element series-fed patch)天線。

AWR2243的PCB天線

AWR2243 FMCW收發(fā)器基于TI的低功耗45nm RFCMOS工藝,以單片實(shí)現(xiàn)具有內(nèi)置PLL和A2D轉(zhuǎn)換器的3Tx和4Rx系統(tǒng)。簡單的編程模型更改可以實(shí)現(xiàn)多種傳感器實(shí)現(xiàn)方式(短、中、長),并可動(dòng)態(tài)重新配置以啟用多模傳感器。AWR2243收發(fā)器作為完整的平臺(tái)解決方案提供,包括參考硬件設(shè)計(jì)、軟件驅(qū)動(dòng)程序、示例配置、API指南和用戶文檔。

垂直裝配的EVM樣機(jī)

算法包括MATLAB MIMO和波束形成兩種選擇,交鑰匙工程讓4D成像毫米波雷達(dá)技術(shù)門檻為之大降。也讓傲酷們得以率先嘗鮮。

AWR2243是一款76GHz至81GHz汽車類第二代高性能MMIC。目前已成為中國乃至全球4D成像毫米波雷達(dá)主要采用的級(jí)聯(lián)方案,有追求低成本的2片級(jí)聯(lián),也有追求高性能的4片級(jí)聯(lián)。

2片級(jí)聯(lián)成像雷達(dá)

2021年3月,傲酷用TI芯片實(shí)現(xiàn)了超高角分辨率4D成像前向雷達(dá)Eagle,是一個(gè)軟硬兼施方式做出的產(chǎn)品。Eagle 77GHz成像雷達(dá)使用的是市場流行的TI毫米波雷達(dá)芯片,傲酷獨(dú)有的軟件使毫米波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了4D高清成像,探測距離在350米以上。

Eagle在雙芯片平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了寬視野范圍內(nèi)的高角度分辨率和仰角信息,通過專有的AI算法驅(qū)動(dòng)的虛擬孔徑成像軟件,角度分辨率提高了50-100倍;多虛擬天線方式徹底解決了困擾車載毫米波雷達(dá)界幾十年來只能用增加實(shí)體天線數(shù)量提高角分辨率的難題,用軟件重新定義了雷達(dá)。同時(shí)4D成像雷達(dá)產(chǎn)品的BOM成本和普通毫米波雷達(dá)差不多,但性能卻實(shí)現(xiàn)了碾壓。

Eagle可在120°水平/30°垂直寬視場中提供0．5°水平x 1°縱向角分辨率。其遠(yuǎn)程和高角度分辨率使其能夠用于各種自動(dòng)駕駛應(yīng)用,包括高分辨率雷達(dá)測繪和定位、自主路徑規(guī)劃和避障、目標(biāo)檢測和跟蹤、室內(nèi)導(dǎo)航、虛擬圍欄等。

傳統(tǒng)商用雷達(dá)與傲酷雷達(dá)對(duì)比

傳統(tǒng)雷達(dá)波形是單頻、重復(fù)、非自適應(yīng)的,產(chǎn)生多種波形的唯一方法是增加接收天線數(shù)量。虛擬孔徑成像波形是自適應(yīng)的相位調(diào)制。每根接收天線在不同時(shí)間產(chǎn)生不同的相位響應(yīng),然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值和外推,創(chuàng)造一個(gè)“虛擬孔徑”。使用人工智能從環(huán)境中學(xué)習(xí)和適應(yīng)的智能軟件可以伴隨成倍增長的數(shù)據(jù)而不斷改進(jìn)。

傳統(tǒng)雷達(dá)波形與虛擬孔徑成像波形

傳統(tǒng)雷達(dá)的分辨率取決于天線數(shù)量。這意味著性能是固定的,需要更多的硬件——更多天線、更多處理、更大尺寸和額外成本——來實(shí)現(xiàn)更高的角分辨率。額外的實(shí)體天線可以線性增加性能,但成本、尺寸和功耗呈指數(shù)增長,限制了商用雷達(dá)中可使用的天線數(shù)量。

Eagle用低成本、低功耗的雙芯片(6T8R)硬件平臺(tái)可提供傳統(tǒng)雷達(dá)用8芯片級(jí)聯(lián)(24T32R)才能達(dá)到的角分辨率。通過軟件計(jì)算和數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)更高的角分辨率,可以遵循摩爾定律的指數(shù)級(jí)增長,實(shí)現(xiàn)更長的探測距離和低成本。

“基陣”物理MIMO接收機(jī)數(shù)量與角分辨性能趨勢

據(jù)介紹,傲酷的高分辨率點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以在原始數(shù)據(jù)層面與其他傳感器,如攝像頭、激光雷達(dá)等融合,實(shí)現(xiàn)深度傳感器融合能力,保證全天候條件下運(yùn)行,得到最好的跟蹤結(jié)果。

3、狙擊TI 4D雷達(dá)處理器

雖然毫米波雷達(dá)芯片老大英飛凌還沒有動(dòng)靜,恩智浦卻早已坐不住了。6月初,恩智浦宣布推出基于臺(tái)積電16nm工藝量產(chǎn)兩款車用芯片——汽車網(wǎng)絡(luò)處理器S32G2和雷達(dá)信號(hào)處理器S32R2949(雷達(dá)傳感器芯片組),并表示為將來采用臺(tái)積電5nm工藝鋪路。

S32R294芯片

S32R294可以處理4D點(diǎn)云雷達(dá)信號(hào),將為主機(jī)廠提供擴(kuò)展性解決方案所需的效能,包括先進(jìn)轉(zhuǎn)角雷達(dá)、長距離前置雷達(dá)和先進(jìn)多模式使用場景,如同步盲點(diǎn)偵測、變換車道輔助和仰角感測等。

S32R294應(yīng)用級(jí)聯(lián)框圖

S32R294與恩智浦上一代芯片S32R274尺寸一致,芯片外觀尺寸是7．5mm×7．5mm,但其性能提高了一倍。S32R294有兩個(gè)Power Architecture e200z7 32-bit內(nèi)核,用于雷達(dá)信號(hào)的后處理和任務(wù)調(diào)度,如超分辨算法、信號(hào)聚類、目標(biāo)追蹤等。它還有一對(duì)鎖步z4內(nèi)核,用于運(yùn)行與功能安全相關(guān)的軟件,如AUTOSAR OS、輸出決策指令等。

S32R294框圖

S32R294內(nèi)置雷達(dá)信號(hào)加速單元,簡稱SPT2．8,對(duì)雷達(dá)中頻信號(hào)的FFT、求模、峰值檢測、直方圖統(tǒng)計(jì)等最耗資源的運(yùn)算進(jìn)行硬件加速,是專門針對(duì)FMCW雷達(dá)的信號(hào)處理加速單元。

S32R294與上一代處理器的軟件復(fù)用率高達(dá)80%。得益于16nm工藝,S32R294的功耗不到上一代55nm工藝處理器的一半,在0．9W左右,有助于客戶開發(fā)高性、能低功耗的毫米波雷達(dá)產(chǎn)品。

S32R294處理器已獲得ASIL D ISO26262認(rèn)證。其專門的硬件加密引擎CSE(Cyptographic Services Engine)支持安全啟動(dòng)(security boot)等高階加密算法。

S32R294的多種配置支持從入門到高端的全系應(yīng)用開發(fā),如一發(fā)三收、三發(fā)四收、六發(fā)八收等中頻信號(hào)處理。中頻信號(hào)處理主要是獲得距離、速度和角度信息,其中基礎(chǔ)距離、速度、角度信息由SPT2．8計(jì)算求得,后續(xù)數(shù)據(jù)交由Z7和Z4核實(shí)現(xiàn)超分辨算法、信號(hào)聚類、目標(biāo)追蹤、決策等功能。目標(biāo)級(jí)數(shù)據(jù)和決策指令通過CAN FD接口輸出到后端車身控制單元或ADAS域控制器。

六發(fā)八收毫米波雷達(dá)最多支持2片芯片級(jí)聯(lián),其兩路MMIC是恩智浦TF82系列微波集成電路,通過LO相連實(shí)現(xiàn)芯片間同步。MMIC芯片的波形是由MCU通過SPI配置通道控制其波形發(fā)射。接收鏈路接收到的中頻信號(hào)也是通過MIPI-CSI接口傳輸回MCU做后續(xù)處理。

這表明恩智浦的雷達(dá)芯片非常靈活,可以處理從低端到高端的所有應(yīng)用。雷達(dá)接收的通道數(shù)越多,其視場角就越寬,可以實(shí)現(xiàn)橫向防撞預(yù)警、代客泊車、4D點(diǎn)云成像等高級(jí)輔助駕駛功能。

S32R294目標(biāo)雷達(dá)應(yīng)用

與德州儀器如出一轍,恩智浦還為S32R29提供了開發(fā)汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用的MCU評(píng)估板。評(píng)估板可以訪問以太網(wǎng)和CAN、MIPI-CSI2等通信接口,與雷達(dá)收發(fā)器和GPIO接頭連接訪問其他MCU功能。

S32R29 EVB汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用評(píng)估板

S32R29 EVB還有助于軟件開發(fā)和評(píng)估信號(hào)處理工具包,提高雷達(dá)數(shù)學(xué)速度、S32R29 MCU的功能安全或信息安全。這樣做無非是想幫助雷達(dá)廠商采用這款芯片做出產(chǎn)品,盡快實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

4、做貼合國情的4D成像雷達(dá)

中國路況復(fù)雜程度盡人皆知,要不特斯拉也不會(huì)水土不服。為此,不做整車的華為也是不遺余力在研發(fā)各種感知技術(shù),高分辨4D成像雷達(dá)便是其中之一。

華為認(rèn)為,近年來自動(dòng)駕駛事故中感知不足是重要原因之一是不能有效識(shí)別靜止車輛或事故車輛,對(duì)隔離樁或護(hù)欄判斷不準(zhǔn),這些都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故。高分辨4D成像雷達(dá)可以檢測目標(biāo)的4個(gè)維度,包括速度、距離、水平角度和垂直角度,解決傳統(tǒng)雷達(dá)水平分辨能力不足、不支持垂直分辨、導(dǎo)致看不清和看不準(zhǔn)的問題。4D成像雷達(dá)滿足全目標(biāo)、全覆蓋和多工況感知要求,逐步接近了理想傳感器目標(biāo),將與攝像頭、激光雷達(dá)形成有效融合和冗余。

在大幅提升分辨率、目標(biāo)檢測的置信度和檢測范圍(如距離和視場角(FOV))的同時(shí),4D成像雷達(dá)進(jìn)化出像激光雷達(dá)一樣的高密度點(diǎn)云,實(shí)現(xiàn)豐富的感知增強(qiáng)應(yīng)用,如環(huán)境刻畫、雷達(dá)構(gòu)圖、定位等,還可通過多雷達(dá)點(diǎn)云級(jí)融合,更好地實(shí)現(xiàn)車周360°檢測。

華為高分辨率4D成像雷達(dá)能力的提升體現(xiàn)在3個(gè)方面:

大陣列高分辨率。12個(gè)發(fā)射通道,24個(gè)接收通道,比常規(guī)毫米波3發(fā)4收天線配置提升了24倍,比典型成像雷達(dá)多50%接收通道。據(jù)說這是短期可量產(chǎn)最多天線配置的成像雷達(dá)。

大視場無模糊。水平視場從90°提升到120°,垂直視場從18°提升到30°(與傲酷相當(dāng)),縱向探測距離從200米提升到300米以上。

4D高密度點(diǎn)云。4D點(diǎn)云包括速度、距離、水平角度和垂直角度,相比激光雷達(dá)點(diǎn)云多了一個(gè)速度維度對(duì)目標(biāo)進(jìn)行解析。

在實(shí)測中,華為高分辨率4D成像雷達(dá)展示了一些特色:

在前方擁堵時(shí),實(shí)現(xiàn)130km/h下舒適性剎停;

錐桶探測距離達(dá)110米,可分辨護(hù)欄旁的靜止車輛;

被遮擋或部分遮擋目標(biāo)感知,可以看到前車、前前車和前前前車,甚至可以看到前前車的大致底盤輪廓,通過對(duì)前前車感知,可以提前預(yù)判前車急減速等動(dòng)作,減少連環(huán)追尾風(fēng)險(xiǎn)。

非視距前前車感知

華為智能汽車解決方案BU Marketing與銷售服務(wù)部總裁遲林春在介紹智能駕駛業(yè)務(wù)進(jìn)展情況時(shí)表示:“華為的天線已經(jīng)做到128發(fā)128收,非常先進(jìn),華為的毫米波雷達(dá)是在通信技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。”

5、性能之爭變本加厲

TI的AWR2243是3發(fā)4收,可以4片級(jí)聯(lián),實(shí)現(xiàn)12發(fā)16收;采用TI AWR2243的傲酷Eagle是雙芯片6發(fā)8收,由于有軟件幫助,可以實(shí)現(xiàn)24發(fā)32收;恩智浦S32R294最多支持6發(fā)8收,支持2片級(jí)聯(lián),就是12發(fā)16收(與TI相當(dāng));華為目前是12發(fā)24收。可以看出雷達(dá)廠商如果有自己獨(dú)到的軟件技術(shù),可以將芯片(硬件)的性能再度提升。

還有一家國內(nèi)毫米波雷達(dá)廠商使用恩智浦2020年12月推出的TEF82xx MMIC做出了4D成像雷達(dá),據(jù)說比國外某廠商的產(chǎn)品性能提高兩倍,比國內(nèi)2022H2 SOP的產(chǎn)品性能提升一倍,且早18個(gè)月量產(chǎn)。