自動(dòng)駕駛進(jìn)入攻堅(jiān)期，三維感知系統(tǒng)成為智能駕駛"感官中樞"。本期介紹毫米波三維感知：鬼探頭解決方案。

鬼探頭解決方案之毫米波三維感知

毫米波雷達(dá)采用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）技術(shù)探測(cè)物體。在特定條件下可通過多徑反射間接探測(cè)被部分遮擋的物體。傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)通常采用2發(fā)4收的天線配置，無法提供物體的高程信息，且分辨率相對(duì)較低，因此在早期自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中主要作為視覺感知的輔助傳感器。

當(dāng)前，先進(jìn)的成像毫米波雷達(dá)正被越來越多地應(yīng)用于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。這類雷達(dá)通過增加發(fā)射和接收通道（如8發(fā)16收等配置），可獲取更豐富的3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)，顯著提升角度分辨率和目標(biāo)分離能力。其高精度的三維感知數(shù)據(jù)能夠與攝像頭、激光雷達(dá)等傳感器進(jìn)行前融合，有效提升系統(tǒng)的環(huán)境感知精度和魯棒性。

01 常規(guī)毫米波雷達(dá) Radar

1.1 常規(guī)雷達(dá)基礎(chǔ)原理

雷達(dá)（Radio Detection and Ranging）通過發(fā)射77GHz電磁波并接收目標(biāo)反射信號(hào)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)。其核心原理包括：

1）測(cè)距：采用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）技術(shù)，通過發(fā)射信號(hào)與回波頻率差計(jì)算目標(biāo)距離（公式：R=c⋅Δf2BR=2Bc⋅Δf，其中BB為帶寬）。制約探測(cè)距離的因素主要是ADC采樣頻率，主要受ADC硬件的限制。而測(cè)距分辨率僅與帶寬有關(guān)，比如4GHz的調(diào)頻波下，測(cè)距分辨率可達(dá)3.75cm。

2）測(cè)速：基于多普勒效應(yīng)，通過回波頻率偏移獲取目標(biāo)相對(duì)速度。最大可測(cè)速度取決于線性調(diào)頻脈沖的時(shí)間，后者越小，前者越大。速度分辨率與波長(zhǎng)成正比，與連續(xù)調(diào)頻波時(shí)長(zhǎng)成反比，與FFT的連續(xù)數(shù)成反比。

3）測(cè)角：利用相位差法，通過多天線陣列的相位差計(jì)算方位角（公式：θ=λ2πd⋅Δ?θ=2πdλ⋅Δ?）。波長(zhǎng)λ越小，角度分辨率越高。天線正前方的位置，θ越小時(shí)，其分辨率越高，越靠視場(chǎng)角外側(cè)，θ越大時(shí)，分辨率越低。增大接收天線RX之間距離，增加采樣的通道個(gè)數(shù)，增大接收器之間的距離，增大采樣通道個(gè)數(shù)，可以提高升雷達(dá)角分辨率。

1.2 雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)前毫米波雷達(dá)集成化程度非常高，典型雷達(dá)系統(tǒng)由 1）雷達(dá)芯片和2）天線兩部分構(gòu)成。

1）芯片方案

以TI AWR2944為例，毫米波雷達(dá)的中射頻電路，VCO，ADC 和 MCU，DSP 均集成在單顆芯片內(nèi)。

2）天線方案

（1）微帶天線：

• 結(jié)構(gòu)：貼片天線（矩形/圓形）、縫隙天線、行波天線。

• 特點(diǎn)：77GHz下傳輸損耗高達(dá)0.7dB/10mm，隨著傳輸線的增長(zhǎng)，饋線損耗逐步增大，40mm饋線損耗達(dá)3dB，探測(cè)距離受限（約200米）。

（2）波導(dǎo)天線：

• 結(jié)構(gòu)：采用Launch On Package（LoP）技術(shù)，通過PCB波導(dǎo)直接傳輸信號(hào)。

• 特點(diǎn)：損耗僅0.002dB/10mm，探測(cè)距離可達(dá)400米，信噪比提升11dB。

雷達(dá)角分辨率很大取決于天線方案和設(shè)計(jì)， 波導(dǎo)天線相對(duì)微帶天線產(chǎn)品，距離分辨率和精度提升25% ；FOV提升；對(duì)弱小目標(biāo)的探測(cè)能力提升30%以上；方位精 度提升50%以上；俯仰分辨率可提升25%；俯仰精度可提升100% 。

02 成像毫米波雷達(dá) Image Radar

2.1 Image Radar的技術(shù)突破

1）核心定義

Image Radar（4D雷達(dá)）通過多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)，在傳統(tǒng)3D雷達(dá)（距離、速度、方位角）基礎(chǔ)上增加高程維度，輸出4D張量（距離×速度×方位×高度），實(shí)現(xiàn)高密度點(diǎn)云成像。也叫4D毫米波雷達(dá)。

2）關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

（1）MIMO虛擬孔徑：發(fā)射天線與接收陣列協(xié)同工作，在垂直方向形成虛擬孔徑，實(shí)現(xiàn)高程測(cè)量。

（2）軟件增強(qiáng)：

• 虛擬孔徑成像：通過算法擴(kuò)展有效天線間距，提升角分辨率。
• 超分辨率算法：優(yōu)化FFT流程，突破奈奎斯特采樣限制（如ADC采樣頻率決定探測(cè)距離上限）。

（3）數(shù)據(jù)格式創(chuàng)新：

• 4D Tensor：保留原始信號(hào)相位、幅度信息，相比稀疏點(diǎn)云更利于算法處理。
• SLAM方案：如DICP算法利用多普勒速度約束，結(jié)合IMU實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化場(chǎng)景定位。

2.2 Image Radar芯片方案對(duì)比

要增加雷達(dá)的發(fā)射和接收通道，必然要采用天線集成能力和數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)的芯片。當(dāng)前成像雷達(dá)的芯片方案包含1）級(jí)聯(lián)和2）單芯片兩種。

1）級(jí)聯(lián)方案（Cascading）

（1）方案：將2個(gè)集成到1個(gè)板子實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，如Tesla 3T4R（3發(fā)射通道×4接收通道）。

（2）優(yōu)勢(shì)：

• 通過多芯片堆疊直接提升分辨率（如距離分辨率達(dá)3.75cm@4GHz帶寬）。
• 成熟技術(shù)，適配現(xiàn)有FMCW信號(hào)處理流程。

（3）挑戰(zhàn)：

• 體積與功耗線性增長(zhǎng)（每增加1片芯片，功耗提升約20%）。
• 成本高（需多片MMIC芯片+復(fù)雜PCB設(shè)計(jì)）。

2）單芯片方案（Monolithic）

（1）方案：使用一顆芯片實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收。如牧野8T8R（8發(fā)射×8接收通道集成單芯片）。

（2）優(yōu)勢(shì)：

• 高度集成：天線、射頻前端、數(shù)字處理全集成，體積縮小50%以上。
• 成本優(yōu)化：減少PCB層數(shù)與連接器數(shù)量，良率提升至95%+。

（3）技術(shù)難點(diǎn)：

• 天線間互耦（Coupling）導(dǎo)致增益下降（需通過電磁仿真優(yōu)化布局）。
• 射頻隔離度要求高（需>30dB隔離設(shè)計(jì)）。

（4）未來趨勢(shì)

• 混合架構(gòu)：級(jí)聯(lián)方案向"2級(jí)級(jí)聯(lián)+單芯片"過渡，平衡性能與成本。
• 材料創(chuàng)新：采用聚碳酸酯基板（損耗角正切<0.001）替代傳統(tǒng)PTFE，降低天線損耗。
• 封裝突破：塑料金屬化波導(dǎo)天線（成本降低40%）+ LoP技術(shù)，推動(dòng)波導(dǎo)方案量產(chǎn)。

03 三維感知技術(shù)小結(jié)

3.1 各傳感器對(duì)比

重點(diǎn)

1）雙目相機(jī)提供豐富的環(huán)境信息： 這是其核心優(yōu)勢(shì)，為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)理解場(chǎng)景（識(shí)別物體、理解語義）提供了不可替代的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但其三維感知的有效性高度依賴良好的光照和天氣條件。

2）激光雷達(dá)適應(yīng)暗光和強(qiáng)光環(huán)境： 作為主動(dòng)傳感器，激光雷達(dá)不依賴環(huán)境光，能在夜間、隧道、強(qiáng)逆光等雙目相機(jī)失效的場(chǎng)景下提供高精度的三維點(diǎn)云，極大地提升了感知系統(tǒng)的魯棒性。成本是其廣泛部署的主要障礙。

3）成像毫米波雷達(dá)可以探測(cè)到被遮擋的物體： 得益于毫米波的一定穿透能力和先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)（尤其是4D成像雷達(dá)），它能夠探測(cè)到部分被前方車輛、高架橋墩等遮擋的物體輪廓和速度。結(jié)合其精準(zhǔn)的測(cè)速能力和全天候工作特性，使其成為應(yīng)對(duì)“鬼探頭”等極端危險(xiǎn)場(chǎng)景的關(guān)鍵傳感器，潛力巨大。其信息豐富度（語義、細(xì)節(jié)）仍是短板。

3.2 總結(jié)

沒有單一的傳感器能完美解決自動(dòng)駕駛的所有三維感知需求。實(shí)際應(yīng)用中，這三種傳感器（以及單目相機(jī)、傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)）是互補(bǔ)和融合使用的：

• 雙目相機(jī)提供基礎(chǔ)的視覺語義理解。
• 激光雷達(dá)提供精確、可靠、光照魯棒的三維幾何信息。
• 成像毫米波雷達(dá)提供全天候條件下的精準(zhǔn)速度信息和對(duì)部分遮擋目標(biāo)的探測(cè)能力，是提升系統(tǒng)安全冗余的關(guān)鍵。

通過傳感器融合技術(shù)，結(jié)合各自的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)各自的劣勢(shì)，才能構(gòu)建出在復(fù)雜多變環(huán)境下穩(wěn)定、可靠、安全的自動(dòng)駕駛?cè)S感知系統(tǒng)。任何單一傳感器的系統(tǒng)，必然有其短板。根據(jù)墨菲定律，這些短板最終會(huì)帶來交通事故。