4D毫米波雷达技术与商业化趋势

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一、两条赛道

车载的环波雷达:自动驾驶和辅助驾驶所需要的,包括前向雷达,脚雷达,前脚雷达,后脚雷达,4D雷达

智慧交通的环波雷达:用于高速公路、智慧城市,性能远远高于车载环波雷达

 

二、技术和商业化趋势:

l 特斯拉在前两年放弃环波雷达,群众视觉问题尤其是全天候问题(特别是恶劣天气下)无法解决,特斯拉又重新回到环波雷达路线

 

l 环波雷达存在的问题:对禁止目标的检测不到位;不能分辨出高度的信息(高速指示牌、地面井盖),导致误刹车

 

l 4D环波雷达:“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+高度”四个维度的信息感知,可以更好检测标志牌等;但对禁止目标的检测并未完整改善

 

l 环波雷达:把检测点信息更多地释放出来——点云数量变多——天然形成电源目标的反射点的轮廓——轮廓点多了之后就给人视觉成像的效果——4D成像环波雷达

l 纯4D环波雷达不一定是成像的,纯4D环波雷达只是基于跟踪点,而且只可以检测一个点目标、没有成像效果

 

l 4D环波雷达是技术发展方向,因为:

①缺少俯仰信息→增多俯仰信息

②对一个点目标的跟踪→点云密集,成像级输出(好处:用数据驱动方式识别图像;加入人工智能深度学习技术手段)

 

l 传统环波雷达,一般指非4D非成像环波雷达,如盲区监测雷达、后脚雷达已经形成恶性竞争局面,4D环波雷达是未来发展方向。目前4D环波雷达对于主机来说最主要的诉求是环波雷达能不能与其他的传感器尤其是视觉传感器进行较好融合,如果不能很好融合就会涉及仲裁等困难局面,所以要往成像方面发展,比如提高空间分辨率、方位面和俯仰面分辨率。分辨率越高,比如说激光位大,如果能达到0.1度的分辨率,那很显然能够跟图像进行比较好的融合。环波雷达最不擅长的是空间分辨率,提高空间分辨率会花费额外成本,而且车载环波雷达对于尺寸限制非常高,在有限的尺寸内把性能充分发挥出来是有困难的。有些在算法上面想法办法,有些在补导天线上面想办法,再如特斯拉自己就是主机厂,可以放宽尺寸要求。

三、4D毫米波雷达技术路径&厂商

目前大部分的环波雷达公司,包括国内的和国外的传统投顾的雷达供应商,基本上都是选用级联的方式来去实现,而且一般是用两片或者四片级联的技术方案实现,这是最经典、一定不会出错的方案。主流的芯片厂商,像TR,恩智浦,英飞凌,包括国内的芯片厂商,其实都提供了三发四收的一个很多雷达的芯片解决方案。还有基于阵列的形式。这个理论上是没有任何问题的,而且级联的方式其实很多时候可能比单芯片的方式还要合适。如果一个芯片集中度非常高,180发100收,面临四种问题:占面积成本高;如果所有天线通道都从一个芯片出来,各个通道之间会排得非常密集,各通道之间在76-81G高频段,耦合非常强;即使消除耦合,如果做高性能雷达如远距雷达,天线阵列有固定的排布、口径要求。多发多收的芯片一般用于近距离。多发多收的芯片处理的能力要求会非常高,算力占用很大。级联这种方案的确比较主流,但不可能无限制级联下去,代价很高,需要达到一个均衡。

Arbe的单芯片方式:国外尤其是以色列采用这种方式,不是48发18收的单芯片,它可能是24发12收,把这些芯片做封装package变成更大的芯片。

优势:定制化;通过密集阵列实现更好效果,实现参数距离提高。

劣势:耦合,视频电路、毫米波电路挑战会非常大;因为口径限制,即使采用48发48收,还是不能发挥出分辨率水平,48发48收需要压缩在一个很小的尺寸范围内,比如10mm以内,10mm×10mm以内,分辨率其实与12发86收没有太本质的区别,但是稳健性可能会更好。

网传特斯拉雷达的版本采用6发8收,它的处理器已经采用了赛灵思的一款IPJ7020,成本高,功耗大,因为现有的处理器很难胜任多片级联或多通道的芯片处理要求,在48发48收情况下(真正用满2304个通道)没有哪一款IPJ可以胜任。算力后置到比如说车载的中央控制平台预控制器上面去计算的话,那这个算力其实就能够比较好地去把它分担下来,所以这就是为什么现在像就是卫星式布局,或者分布式雷达在身上布置环波雷达的前端,但是计算核心化处理其实是放在后端的中央控制器上去做,这个也是未来的一个趋势。

有些厂商采用虚拟口径算法来实现,算法能不能比较好地实现、能不能实时实现,是要算力的支持的。能不能在车载这样一个算力有限的平台下实时地支持更高性能的展示,这是很有挑战性的。在最需要分辨率的一些场合如国防,其实还是用的比较经典的理论去做。但是采用级联方案或单芯片方案,都可以去很好地去采用一些调相调幅算法来去实现,主流的芯片都支持不同的调相调幅算法,甚至支持多比特移相。还有一种基于超材料,或者是非相变材料,相变材料是监控传统雷达的硬件结构,这几年并未商业化。

四、4D毫米波雷达成本占比

处理器如果不用IPJ的话,就是采用正常的MCU的方式,在成本可控的情况下,处理器占比大概在35%左右。

天线以前是不占成本的,只占PCB电路板的面积,现在随着级联通道数量增多,密度越来越高,尺寸要求又很严格,天线馈电方式就发生了变化,现在采用3D塑料金属化波导的方式沿着PCB电路板的纵向方向去扩展,以此实现馈电。此时天线就变成了雷达的零部件,对天线来说是颠覆性的变化,需要与外部厂商合作。目前成本还比较高,高频PCB板占比10%~15%左右,低频PCB板占比就较少了,一般在5%左右。

MMIC,单片的毫米波集成电路,毫米波的前端芯片成本较高,芯片越高,成本越高,总体来说占比大概在20%。

传统的一些部件像电源、接口等就比较常规了。

五、四片级联、单芯片的分辨率

四片级联可以做到比较高的精度和分辨率,分辨率可以达到一度左右的一个分点。

单芯片环波雷达精度一般在0.5度左右,0.5度属于比较差的情况,比如100米外对于车辆的车道的判断可能会发生错误,达不到车道所需的精度。因为车位交通高速上对精度要求非常高,不能发生误判,否则就会误报警。

六、4D毫米波雷达vs激光雷达&竞争与互补关系

高限速的激光雷达,分辨率在0.1度*0.1度;四片级联分辨率在1度*1度。

环波雷达分辨率不如激光雷达,车载上的毫米波雷达成像效果远远差于高限速激光雷达,提高分辨率是毫米波雷达的努力方向,做法:级联数量(通道数量)要增加尺寸要增加。超分辨率算法可以提高分辨率,但是计算量显著提高,时间延迟增加,不稳健。环波雷达与激光雷达不是简单的替代关系,环波雷达与激光雷达优势在于全天候,但是在成像方面不具优势,总体来说两者各有所长。

七、精度和分辨率区别

l 精度:前方有一辆车,在我前方零度左向方向,雷达检测出来偏了一度,在右前方一度的方向,误差就是一度。

l 分辨率:前方有两辆车靠得比较近,能否分辨出来。两辆车靠得越来越近的时候,雷达上呈现出两个目标;靠到一定程度的时候,对雷达来说就变成一个目标。也就是分辨力、分离能力。

八、毫米波雷达与激光雷达的点云概念

毫米波雷达通过天线发射电磁波,接收天线把目标上的有限的反射接收到,比如成像雷达经常是多天线,多个天线同时发射,多个接收天线同时接收,然后进行信号处理,常规的雷达(非4D雷达)处理还要进行聚类和跟踪。比如一个卡车有很多检测点,它属于一个目标的,雷达基于某些规则把它聚类为一个目标,然后针对这个目标去做稳定的跟踪。4D雷达不再去做聚类或者跟踪,而是直接把检测点全部释放出来,然后检测点变多就形成了云状。

激光雷达是发射出去,再反射回来,然后进行处理。点云与通道数和检测门限有关,接收通道越多,呈现的信息量就会越大。如果把检测门限放低,信息量就越多。

九、4D毫米波雷达降本路径

天线方面如果作为零件,外购的话还成本是蛮占比例的。随着产品成熟程度提高,应该能降一些。芯片方面,如果量大了,成本自然也会下降。或者如果说厂家会推出来集成度更高的一些芯片,可能降价的空间会大一点。

十、Arbe公司评价 虽然号称2304个虚拟通道,但还没有看出具体的优势,分辨率甚至还没有达到1度*1度,如果48发48收的虚拟通道优势能够体现出来,必须做到一个很大的尺寸,期待他们的合作厂商可以拿出来颠覆性的效果。

十一、4D雷达应用

2+新能源车型,一般价位在30w以上;德系高端车型等。基本配置3-5个雷达,在前向,脚向,前脚向等,主流配置是两片级联,四片级联更优,但成本高、复杂度高。

十二、4D环波雷达规模化时间节点

今年陆续可能有少量的、明年可能会稍微多一点,规模化应该还是2025年,未来主要集中于4D环波雷达。尤其是像特斯拉这种标杆性的大厂,可能起到示范作用,所以在雷达规模化可能会快速到来。【特斯拉在前两年放弃环波雷达,群众视觉问题尤其是全天候问题(特别是恶劣天气下)无法解决,特斯拉又重启毫米波雷达】

十三、激光雷达发展趋势

处于快速演变过程中,不少厂商破产、兼并收购或上市,很难判断最后走到什么局面,不论怎么演进,都要满足车规级要求,适应非常复杂且持续震动的环境,还有就是能否长时间稳定可靠地工作。激光雷达处于快速迭代过程中,远远没有成熟。

十四、4D毫米波雷达跨越障碍物看后边的物体

毫米波频段比激光雷达低,波长更长,但也只能在通讯条件下来进行传输,不能指望它通过一个物体来去看到下一个物体,达到透视的效果,这个是非常难的。但在实际的使用中,能看到前方车辆的更前方一辆车,甚至再前方一辆车,这是完全有可能的。这个技术原理其实是天然的,因为4D毫米波雷达是直线传输,有可能通过护栏或者地面反射实际检测到目标,4D的时候目标就更明确,因为检测点更多了。鬼探头摄像头看不到,激光雷达和4D毫米波雷达也看不到。但是比如说环波雷达通过其他的目标或者地面,它折射过去打到这个鬼探头的行人上面,然后他反射回来,也是通过地面多次反射回来,那就能知道。

十五、5D毫米波雷达技术

在4D基础上多了微动这一维度,比如高尔夫球的体积更小且运动轨迹更复杂,这对感知技术提出了更高的要求。如果把行人的微多普勒也引进来,那也可以把雷达叫5D毫米波雷达。行人正常行走的时候,手臂是有摆动的,手臂的摆动与自身的行走的姿态是不一样的,通过手臂与人体的不同的微多普勒来判定这是个人,而不是其他的。

全部讨论

2023-03-06 09:20

我经历过大暴雨,能见度没法说,只看到对方的双闪,雨刮根本刮不赢。还有高速的雾,这应该是4D毫米波的优势