自動駕駛，應該說是“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，在北京一小區內以 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現了新功能的提示——一個名為“Phoenix”的新雷達選項，Phoenix 是 Arbe 雷達的名稱。

這與馬斯克最近的言論不無關系：“現在的圖像識別依然來源于孤立的圖片，實際上這些圖片在時間上有很大關聯性。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。這種架構才是完全自動駕駛所真正需要的。”

馬斯克的選擇是對的？

馬斯克的話得到了進一步印證，消息人士稱，特斯拉正準備更新 Model 3，新的傳感器將是更新的一部分。此前，Arbe CEO 兼聯合創始人 Kobi Marenko 就曾信心滿滿地告訴業界：“超高分辨率的 4D 成像雷達有望讓雷達從輔助配件升級為自動駕駛系統的關鍵方案，從冗余升級為自動駕駛核心。”

Kobi Marenko

Phoenix 是 Arbe 的雷達芯片組解決方案，通過 4D 超高分辨率實時成像來識別、評估和應對從普通到特殊的挑戰場景，服務于現實世界的駕駛需求。無論速度、海拔、距離、大小或周圍天氣和照明條件如何，Phoenix 都能區分真正的威脅和錯誤警報，以確保駕駛者、行人和其他易受傷害的道路使用者的安全。

特斯拉的識別系統需要的正是 Arbe 雷達的“時間”維度，以使系統能夠“同時以高分辨率評估距離、高度、深度和速度”。

馬斯克：正合我意

因為切中要害，Marenko 的話馬斯克愛聽：

Marenko 表示：“我們知道這一刻會到來：在經歷了多起車禍的艱難歲月后，自動駕駛正面臨著合理的擔憂。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是否已經準備好。”

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 成像雷達可以實現所需的安全級別。”

歸納起來，4D 成像雷達具有以下優勢：

·實時障礙檢測：在所有天氣和照明條件下，以廣闊視野提供高度詳細的環境圖像，實時發現各種障礙，包括路邊較小的目標，如人或自行車，即使它們被一棵樹或卡車等大物體遮住，還可以確定它們是否在移動，朝哪個方向移動，并向車輛提供實時的態勢數據和警報。

·遠距離探測：實現所有傳感器中最遠距離的探測，最有可能成為第一個發現危險的設備。然后，它可以將攝像頭和 LiDAR 引導到感興趣區域，大大提高安全性能。

傳統雷達 vs 4D 成像雷達

·路徑規劃：提供真正的路徑規劃，因為它可以在超過 300 米范圍內創建道路的詳細圖像，并捕捉汽車周圍物體的大小、位置和速度數據。

·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。

·降低處理和服務器需求：由于只將攝像頭和 LiDAR 對準感興趣區域，利用高質量的雷達后處理將解決當前原型的主要問題——功耗。

·大幅降低生產成本：即使在 L3 以上，也無需為每輛車配備一個以上的 LiDAR 單元，或者可能根本不需要 LiDAR（馬斯克高興），有助于制造商降低成本。自動駕駛傳感器套件的量產成本應低于 1000 美元，而今天測試的一些車輛使用的部件和系統成本是這個價格的 100 倍。

那么，它與目前公路上的雷達有何不同呢？聽 Marenko 細細道來。

如今，雷達在自適應巡航控制、盲點檢測和自動緊急制動等安全系統中發揮著至關重要的作用。但目前市場上的雷達技術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行取舍。

要實現 L4 和 L5 車輛，主機廠必須進入下一級傳感技術，使用高分辨率成像雷達，在 1 度方位角和 2 度仰角下，以高分辨率在 100 度廣角范圍內感知環境。

另一個對 L4 和 L5 很重要的問題是過濾假警報的能力。為了提供最佳靈敏度，雷達使用最低檢測閾值，因此會報告一些噪聲，需要用后處理和跟蹤來濾除隨機噪聲，而校準方案只能達到極低的副瓣電平。

在 Marenko 看來，在自動駕駛傳感器套件中當然需要光學傳感器，如攝像頭和 LiDAR。然而，4D 成像雷達解決了以下問題，使車輛能夠達到要求的安全性能：

·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

·根據汽車行業要求，探測最遠超過 300 米的障礙物

·測量每幀的多普勒（徑向速度）

·脫離 PoC（驗證性測試）階段進入量產

System Plus Consulting 的拆解結果顯示，特斯拉目前使用的是大陸集團的 2D 雷達。VSI Labs 創始人兼總裁 Phil Magney 說：“為了獲得更大射程，特斯拉已從大陸轉向博世。但兩種都是 2D 雷達，都有局限性。”他說：“在我看來，特斯拉未來轉向成像雷達將是精明之舉。”

NXP 執行副總裁兼無線電頻率處理總經理 Torsten Lehmann 對此傳言表示：“特斯拉在考慮使用成像雷達，這是一個很好的舉措，因為它是不使用 LiDAR 的更好方法。”

Torsten Lehmann

汽車雷達技術的迭代

汽車雷達使用的半導體技術經過了幾代迭代，還在發展。第一代產品采用 GaAs，最初是安裝在電路板上的裸片。下一代是在 SiGe，片上集成的功能更多，載流子的移動性很高，即使在大光刻節點（如 130nm），也可以用于高頻雷達。之后有了先進封裝，使技術從 CoB（板上芯片封裝）發展到 FOWLP（扇出型晶圓級封裝）。

當前，許多公司在開發硅 CMOS 和 SOI 技術，使用 40nm 技術節點，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。小節點加上 CMOS 技術，可以在芯片內實現更高的功能集成。目前，最新一代雷達芯片不僅集成了收發器和 Chirp，還集成了微控制器和數字信號處理（DSP）單元。轉向硅技術也將更好地維持降低成本路線，更適合量產。

半導體技術在汽車雷達中的發展

隨著封裝的進步，出現了各種形式的晶圓級產品。電路板還進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）設計，有些已被證明適合短程汽車應用。

傳統雷達具有二維空間測量能力，2D 雷達利用一個專用旋轉天線監聽回波信號，以獲得兩個坐標并確定目標位置。之后 3D 雷達出現，會像 2D 雷達一樣旋轉，但每次掃描旋轉后，天線仰角會改變，以備下次探測。通過這種方式，3D 雷達可以探測三個維度：方位角、仰角和速度。

配備雷達的車輛安全功能

4D 成像雷達新在哪里?

目前，自動駕駛行業仍處于概念驗證階段，其依賴的傳感器無法 100%達到要求。而高分辨率成像雷達似乎是唯一能夠達到要求的傳感器。

從原理上看，4D 成像雷達與傳統雷達和 LiDAR 有很大不同。從物理學角度看，時間是第四維度，當應用于雷達時，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處移動。

4D 雷達是將測量的第四維數據整合到 3D 雷達中，以更好地了解和繪制環境地圖。即使具體技術并不新穎，但它的整合也具有新意。

錘頭雷達和新出現的雷達的比較

Magney 這樣解釋：“我認為時間是第四維空間，因為時間元素是從多普勒得到的。成像雷達本質上創造了一個陣列，因此測量密度急劇增加。傳統 2D 雷達比較粗糙，每個物體只產生一個點。但是，成像雷達可以提供許多點，產生的是垂直分辨率，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功能的關鍵。當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 雷達可以發現最初相距很遠的摩托車，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的出現，包括許多雷達供應商都迫切希望將雷達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計算機視覺。

現在，有了產生點云的成像雷達，盡管其分辨率比 LiDAR 低，但它比傳統雷達有了很大改進。在 Magney 看來，LiDAR 現在比雷達更具優勢，隨著新雷達的出現，這種差距可能正在縮小。“LiDAR 的關鍵應用之一是能夠根據基本地圖進行相對定位。這對自動駕駛出租車和穿梭巴士至關重要，因此 LiDAR 是這項任務的首選。即使 4D 雷達出現，LiDAR 也不會消失。”

Lehman 指出:“看看高性能 LiDAR，比如 Waymo 的機械旋轉雷達，它可以產生很多顆粒點云，因為它提供的角分辨率低于 0.1 度或 0.5 度。但這樣的 LiDAR 體積龐大，造價數千美元。”

從技術趨勢看，雷達的點云正變得越來越密集，出現了各種方法，以使雷達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記訓練數據集的出現以及融合技術的發展，這些努力有望得到顯著改善。

的確，雷達技術的能力在迅速擴大。首先，天線陣列越來越大。一些初創公司已經設計并演示了支持 6500 個虛擬通道的雷達芯片。這種雷達可以達到 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 數據點，提供關于速度、距離、方位角和仰角的精確信息。因此，這類雷達將蠶食目前由 LiDAR 占領的領域，盡管后者可能保留角分辨率和潛在的目標分類優勢。

密集的高分辨率點云將使基于雷達數據的目標檢測、分類和跟蹤成為可能。為了實現這一目標，人們正在開發深度學習技術。一個主要挑戰是缺乏廣泛的標記訓練雷達數據。手工貼標簽的過程需要專家的投入，因此成本高、耗時長。現在，雖然一些公司部署了攝像頭、LiDAR 及其他數據同步的雷達數據采集車隊，并且正在開發半自動標簽技術，但這種技術仍依賴于攝像頭、LiDAR 和雷達之間的后期數據融合。這些努力和技術將加速訓練數據集的開發。

應用雷聲大雨點小？

在向更高自動化水平過渡的整個過程中，主機廠應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 成像雷達的過渡。

研發 4D 成像雷達的初創公司和廠商并不多，梳理一下即可看出這一技術的脈絡和走向。

·NXP 處理器與收發器并舉

為了推進以安全為核心目標的 L3、L4 和 L5 車輛，NXP 為發布了一系列新的雷達傳感技術。

NXP 半導體 ADAS 高級主管 Matthias Feulner 介紹說，NXP 的第二代 77GHz 射頻 CMOS 雷達收發器系列 TEF82xx 是業界第一款采用 40nm RFCMOS 的汽車級雷達收發器。與第一代相比，新產品的 RF 性能提高了一倍，輸出功率為 13.5dBm，噪聲系數為 11.5dB。該器件還可以在給定目標周圍將相位噪聲降低四倍。

上述收發器與新的 S32 汽車處理平臺 S32 雷達處理器配合使用，可以提供可擴展和多功能的雷達成像方案，并將 4D 成像雷達帶到人們生活當中。新雷達處理器利用了優化的架構，與 FPGA 等效產品相比，將成本和實現功率降低了 50%。

NXP 新的雷達解決方案

Feulner 強調：“這些產品的設計從角雷達到前端雷達再到成像雷達，都可以擴展前端的數量，還可以擴展天線數量，從 12 個虛擬天線擴展到 192 個虛擬天線。”

成像雷達結構圖

據介紹，將 SR32R45 雷達處理器與新的收發器系列相結合，可以實現射程超過 300 米、高分辨率的點云輸出的 4D 成像雷達。

·Arbe 芯片組特斯拉最愛

為特斯拉提供新型 4D 傳感器技術的是初創公司 Arbe Robotics，其 4D 成像雷達芯片組獲得了 2020 愛迪生獎。首席執行官 Kobi Marenko 表示，這種雷達芯片組提供的物理分辨率是競爭對手使用的合成或統計分辨率增強方法的 2 到 10 倍。另外，雷達芯片組提供 48 個接收通道和 48 個傳輸通道的實時管理，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。

通過增強的 FMCW 技術，Arbe 的芯片組技術從多個天線發射和接收信號。Arbe 通過將信息從時域轉換到頻域（FFT），在高方位和高分辨率的情況下，提供了一幅具有無與倫比的單元密度的 4D 圖像，同時能夠實時、大范圍地感知環境，并通過接近零的幻象對象實例減少了假警報情況。

4D 成像雷達芯片組

Arbe 的芯片組方案擁有 2000 多個虛擬通道，以每秒 30 幀的全掃描速度同時跟蹤數百個對象。距離、高度、深度和速度同時在高分辨率中進行評估，將雷達從輔助作用重新定位到傳感套件的核心。

Arbe 的 RF 芯片組采用新的 FDSOI CMOS 工藝 22FDX，旨在支持 TD-MIMO，在信道隔離、噪聲系數和發射功率方面具有同類最佳的性能。利用最新的射頻處理技術，Arbe 以市場上每通道最低成本實現最先進的 RF 性能。

RF 工藝

·RFISee 相控陣技術高大上

由于相控陣是一項昂貴的技術，其在汽車工業中的采用一直是一個令人擔憂的問題，這就是為什么這種雷達最初僅限于 F-35 戰斗機等先進軍事系統。

9 月，RFISee 發布業界首款相控陣 4D 成像片上雷達，它是一種高分辨率、低成本的雷達傳感器，可以生成汽車周圍物體的實時 3D 位置和速度地圖。利用 RFISee 的雷達片上解決方案，接收器可確保大幅改善雷達圖像、實現更好的信噪比，以及更大的車輛和行人等障礙物探測范圍。

相控陣 4D 成像雷達的主要優勢

RFISee 首席執行官 Moshe Meyassed 表示：“當今的汽車雷達通常提供低分辨率和有限的檢測范圍。我們突破性的片上全天候相控陣 4D 成像雷達將改變全球汽車雷達領域的游戲規則。我們將遠距離、高分辨率和卓越精度相結合，這是汽車所需的攝像頭和雷達之間高質量傳感器融合的關鍵。”

他補充說：“新推出的傳感器融合技術將為雷達和攝像頭數據融合有效 AI 層開辟新的領域。因此，主機廠和駕駛者都將受益于安全性和事故預防的重要改進，在低能見度下運行并提高車輛自動化程度。”

據介紹，RFISee 的專利 4D 成像雷達使用基于專有相控陣雷達技術的強大聚焦光束，可以快速掃描視場。接收器可確保大幅改善雷達圖像，具有更好的信噪比，以及比現有雷達寬六倍的障礙物檢測范圍，能夠檢測 500 米以內的汽車和 200 米以內的行人。

Vayyar VYYR2401A1 IC

雷達的功能旨在防止許多其他現有雷達系統無法處理的事故，如發生在臺灣的自動駕駛汽車橫跨高速公路兩條車道鉆入一輛大貨車。RFISee 的雷達可以檢測數百米外的卡車和其他車輛，從而使駕駛者能夠接管控制權或自動停車。

該公司表示，RFISee 雷達的原型正在由頂級汽車主機廠和 Tier 1 進行評估。

·Xilinx 和大陸集團量產就緒

也是 9 月，Xilinx 和大陸集團宣布推出汽車行業首款“量產就緒”4D 成像雷達，在業界引發震動。

Xilinx 將通過 Zynq? UltraScale+? MPSoC 平臺支持大陸集團開發新款高級雷達傳感器 ARS540，聯手打造汽車行業首款量產版 4D 成像傳感器。雙方的合作將有助于搭載 ARS540 的新車型實現 SAE J3016 L2 功能，為邁向 L5 自動駕駛系統鋪平道路。

Zynq?與 ARS540

大陸集團的 ARS540 是一款高端長距離 4D 成像雷達，不僅分辨率高，而且探測距離長達 300 米。其±60°的寬視野可實現多假設跟蹤（MHT），在駕駛過程中提供精確預測，這對處理復雜的駕駛場景（如橋下交通擁堵）至關重要。

大陸集團雷達項目管理負責人 Norbert Hammerschmidt 表示：“Zynq UltraScale+ MPSoC 平臺為我們提供了實現 ARS540 所需的高性能和先進 DSP 功能，靈活應變能力和市場領先的網絡接口選擇能夠以極高的聚合傳輸速率處理大量的天線數據。”

據悉，大陸集團已經贏得歐美領先主機廠的多項設計，同時還在與全球其他主機廠持續商討 ARS540 采用意向。

十字路口

自動駕駛的發展已經來到一個十字路口。基于一些擔憂，先進移動出行行業需要重新審視 4D 成像雷達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。