可測速可成像 4D成像雷達能取代激光雷達?

2021-08-05 00:10:23 作者:郭睿

  【太平洋汽車網 技術頻道】我們的周圍充斥著電磁波,小到手機、WIFI,大到飛機、衛等等,都在時時刻刻發射著電磁波。不同頻段的電磁波有著不同的特性和功能,不同的領域也都在享受著電磁波帶來的便利。想要確保不同領域的電磁波設備不會相互干擾,最簡單直接的辦法就是分區和分段。

可測速可成像 4D成像雷達能取代激光雷達?

  ITU國際電信聯盟在1947年成立了IFRB國際頻率登記委員會,旨在幫助所有成員合理地使用無線電通信頻道,使有害的干擾減至最小。國際頻率登記委員會根據不同波段電磁波的特性盡量合理的將不同頻段分配給不同的領域,保證在特別擁擠的無線電頻段中應用盡可能多的無線電路。

  例如在毫米波頻段中,24-24.25GHz是國際通用的ISM頻段,歸工業(Industrial)、科學(Scientific)和醫學(Medical)領域使用;而76-77GHz則是專門劃歸車載應用使用的頻段。這也就是我們常見的車載毫米波雷達,主要都是24GHz或77GHz的原因。

24GHz和77GHz毫米波雷達優劣

  在汽車上,我們一般提及77GHz毫米波雷達叫長距雷達,而24GHz探測距離略短。但這里有一個問題,24GHz毫米波波長更長,同等功率下理論上探測距離能更遠,為何在汽車上77GHz反而成為了長距雷達?

  首先還是頻段分配的問題,24GHz屬于國際通用的ISM頻段,并非車載應用獨享。為了避免干擾,在汽車上應用24GHz毫米波雷達需要對功率進行一定的限制。而在專屬于車載應用的77GHz頻段內,則可以采用更大的功率獲得更遠的探測距離。

可測速可成像 4D成像雷達能取代激光雷達?

  隨著5G的快速推廣,5G主流的3種方案中,一種便是分布在24.25-29.5GHz這一頻段。24GHz附近頻段面臨被重新分配的風險。目前歐盟已經在逐步取代24GHz車載毫米波雷達,新出廠車型需轉為77GHz毫米波雷達,而現有24GHz毫米波雷達可以在生命周期內正常使用。我國5G建設目前采用4.9GHz頻段,對24GHz毫米波雷達沒有影響。

  除了頻段分配的原因,同功率水平下24GHz收發天線較77GHz雷達更大,增加24GHz毫米波雷達探測距離會使得整個雷達體積偏大。此外,24GHz電磁波更長的波長有更好的繞行能力,受氣候等因素影響更小。但同時指向性會變得更差,角分辨率會受到影響。24GHz毫米波雷達在長距離上對目標位置的判斷,有可能會出現偏離車道的誤差,這樣的話探測的意義也就不大了。因此,長距離毫米波雷達普遍選擇77GHz。

可測速可成像 4D成像雷達能取代激光雷達?

  除了24GHz和77GHz外,還有21GHz、60GHz、79GHz等不同頻段的車載毫米波雷達,其中60GHz在部分國家也屬于ISM頻段。不過氧氣分子對電磁波的吸收峰值正好處于60GHz附近,因此60GHz在空氣中傳播的衰減較大。

  電磁波頻段作為一種稀缺資源,對車載毫米波雷達頻段選擇影響最大的,仍然是各國法規的限制。IFRB國際頻率登記委員會的分配并非強制,各國會根據國情制定更為細化的法規,保證在擁擠的無線電中擁有盡量多的電路,同時減少相互之間的干擾。因此在不同國家和地區,對毫米波雷達頻段的選擇也可能略有差異。

可測速可成像 4D成像雷達能取代激光雷達?

  在上期節目中,我們介紹了毫米波雷達在自動駕駛感知硬件中獨到的全天候及同時測距測速的優勢,奠定了其不可替代性。同時也指出了目前毫米波雷達角分辨率低、不具備俯仰角分辨率等問題。

4D成像雷達威力初顯

  隨著近年來自動駕駛的飛速發展,毫米波雷達這個已經相當成熟的感知硬件也沒有停滯,人們在不斷探索開發分辨率更高,同時具備俯仰角分辨率的毫米波雷達,也就是4D成像雷達。傳統的毫米波雷達具有同時探測距離、水平角度及速度三個參數的能力,增加高度信息后便被稱為4D毫米波雷達。而4D成像毫米波雷達則同時還追求更高的分辨率,保證能夠區分目標是機動車、非機動車還是行人等。

  去年年中,在汽車毫米波雷達市場占有率排名第一的德國大陸集團推出全球第一個4D成像毫米波雷達——ARS540,寶馬純電動旗艦SUV iX或成為第一款搭載ARS540 4D成像雷達的量產車型。隨后在今年上海車展上,華為也發布了旗下4D成像雷達。

可測速可成像 4D成像雷達能取代激光雷達?

  以華為4D成像雷達為例,這款雷達采用了12個發射通道,24接收通道,整體具備了12*24,也就是288通道,比常規毫米波3發4收的天線配置整整提升了24倍。相比業界典型的成像雷達也多出了50%的接收通道,這是短期可量產的最大天線配置成像雷達。

可測速可成像 4D成像雷達能取代激光雷達?

  華為大陣列毫米波雷達帶來的好處是,水平視場從90°提升到了120°,垂直視場從18°提升到了30°,同時還將探測距離從200m提升到了300m。雖然點云密度和分辨率尚不能與激光雷達相比,但覆蓋范圍已經超越了絕大多數車載激光雷達。同時還具備毫米波雷達獨有的全天候及同時測速的優勢。

  華為4D成像雷達的另一個獨特的優勢在于非視距感知,簡單來說就是能看到被前車擋住的前前車位置與速度。不論是攝像頭還是激光雷達,對目標的探測都限制在視距范圍內,毫米波更長的波長使其具備了一定的多徑傳播現象,華為4D成像雷達可以穿過前車車底,接受被遮擋的1-2臺車的反射波。

可測速可成像 4D成像雷達能取代激光雷達?

  不論是大陸ARS540還是華為4D成像雷達,從公布的性能來看都具備了顛覆性的提升,甚至具備了蠶食激光雷達市場的能力。但目前為止4D成像雷達尚未大規模量產,很多技術細節廠商也并未透露。

  毫米波雷達制造門檻其實并不高,即便是4D成像雷達,在硬件層面也并沒有太高的門檻。但是NXP恩智浦和英飛凌幾乎壟斷了毫米波雷達芯片組市場,而射頻產品的生產及一致性等需要長時間的經驗積累,這些造就了毫米波雷達市場的高門檻,這使得大陸、電裝、博世等少數巨頭幾乎壟斷了車載毫米波雷達市場。4D成像雷達的出現讓毫米波雷達市場出現了新的變數,更多企業試圖在新的市場平衡形成之前進入到這一市場。

可測速可成像 4D成像雷達能取代激光雷達?

  但是4D成像雷達,目前還面臨著很多的技術難點。除了產品本身的一致性、可靠性等問題外,在大陣列多通道下,如何保證相位校準,這里包括了水平角和俯仰角,校準難度變得更具難度。同時,大陸和華為尚未公布如何實現目標跟蹤,相比傳統ADAS毫米波雷達主要應用的高速跟車場景,4D成像雷達面對城市場景需要同時跟蹤眾多的車輛、行人等,跟蹤目標呈數量級增長,目標的識別、跟蹤方式也成為重中之重。

  此外,復雜的電磁環境中,毫米波雷達接受到的噪聲等干擾較大,在追求精度的4D成像雷達中,如何處理雜點及可能存在的虛報預警的噪點也是4D成像雷達應用的難點。而應用毫米波雷達的車不斷增多,毫米波雷達間的相互干擾也會增加,抗互相干擾也是后續4D成像雷達必須認真面對的問題。

總結

  作為一個剛剛興起的硬件產業,4D成像雷達目前公開的信息還很有限。華為在發布4D成像雷達時公布的也只是處理后的點云信息。即便是擁有288通道的目前最大天線配置的華為4D成像雷達,點云密度也無法與激光雷達相提并論,4D成像雷達完全替代激光雷達的論調并不成立。4D成像雷達的優勢仍然是毫米波雷達本身獨有的優勢加上了更高的分辨率。不過,可全天候工作,可測速、可成像,同時相比高性能激光雷達具備一定的成本優勢,4D成像雷達還是具備了蠶食部分激光雷達市場的能力,在未來自動駕駛感知硬件的應用中也能夠發揮更多的潛力。(文:太平洋汽車網 郭睿)

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