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华为发布的4D雷达:是故弄玄虚还是真突破?

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  来源:内容转载自「佐思汽车研究」,作者:周彦武 ,谢谢。

  2020年中期,汽车毫米波雷达市场占有率第一名德国大陆汽车推出全球第一个4D成像毫米波雷达,即ARS540,第一个使用ARS540的车型可能是宝马的电动车旗舰iX。这之后4D成像毫米波雷达概念风靡业界。最近上海车展上华为也发布4D成像毫米波雷达。

  

  4D成像毫米波雷达的技术门槛极低,德州仪器在2016年底推出基于CMOS工艺的高集成度77GHz毫米波雷达芯片,其适用于中短距场景的AWR1642 系列将前端MMIC RF、DSP和MCU三个模块集成在一个77GHz毫米波雷达SoC芯片上,显著降低了毫米波雷达成本,大幅拉低了车载毫米波雷达的硬件开发难度。

  针对近距离场景,TI打造了集成度更高的天线片上集成(AoP)芯片,将天线集成在芯片里,将难度最高的平面印刷天线集成其中,让天线工程师无路可走,也将毫米波雷达价格拉低到百元级别。相比其他雷达芯片厂商,TI芯片开发具有傻瓜式的特点,底层软件开发很完备,工具链做的很容易上手,任何一个入行两年的射频工程师基本都可以单独一个人搞定一个毫米波雷达设计。这就滋生了数量众多的初创毫米波雷达企业。

  然而时间长了TI发现,NXP和英飞凌几乎垄断的毫米波雷达芯片组市场格局并未有改变,于是TI另辟蹊径,力推4D成像毫米波雷达概念,基本上在2018年底就提供基于AWR2243的4片级联4D毫米波雷达全套设计方案,包括最难搞的天线也考虑在内,内嵌4-element series-fed patch 天线。算法部分则提供MATLAB MIMO和beamforming两种选择,就像交钥匙工程,让4D成像毫米波雷达没有技术门槛。

  与此同时,作为毫米波雷达霸主的德国大陆汽车也在研发4D成像毫米波雷达,实际在2015年大陆汽车就预感到传统3D(即速度、距离和方位角,这是传统毫米波雷达提供的数据)毫米波雷达已经走到尽头,ARS540的研发工作起始于2016年,最初的设计是使用NXP的S32R274两片,但这带来一些问题,两片S32R274导致PCB面积太大,而汽车雷达是希望尽量小体积的,同时前端的传感器融合需要比较高的带宽,大陆汽车最初的设计是使用MIPI CSI3,其带宽为14.88Gbps,比常用的MIPI CSI2更好,而S32R274是MIPI CSI2。但是支持MIPI CSI3的芯片很少。

  此外大陆汽车希望ADC的精度更高,这样高度分辨率才足以实用,并且两片芯片的时钟同步等工作也比较麻烦,最终大陆汽车决定使用Xilinx的Zynq UltraScale+ RFSoC 系列FPGA。Xilinx的ZynqUltraScale+ RFSoC 系列FPGA专用射频领域设计,内部包含超高精度ADC和DAC,有12、14比特两个档次选择,最多16个ADC或DAC。通常ASIC里考虑成本,ADC和DAC的配置都不会如此豪华,S32R274里只有4个12比特ADC,取样率只有10Msps。

  在被FPGA取代后,NXP也开始抓紧研发针对4D成像毫米波雷达芯片组的工作,2020年12月NXP推出S32R45 4D成像毫米波雷达信号处理器和TEF82xx收发器。为4D 成像毫米波雷达芯片组增加了一个选择项,未来英飞凌和ADI公司也很有可能推出相关的芯片组。

  ARS540采用4片级联的形式,将4片NXP的77GHz毫米波雷达收发器(即MMIC)MR3003级联,每个MR3003是3发4收,4片就是12发16收,目前绝大多数毫米波雷达都是采用单片收发器,通常只有3发4收,也就是只有12个虚拟通道,而ARS540是192个虚拟通道,分辨率大大提高。可以称之为图像雷达。

  TI的方案也是如此,如出一辙,只是用AWR2243代替MR3003,用TDA2x代替FPGA。除德国大陆汽车,中国乃至全球的4D成像毫米波雷达基本都是基于TI的级联方案,有追求低成本的2片级联,有追求性能的4片级联。还有家以色列的初创公司Vayyar自己开发关键的收发器芯片,华为的12发24收4D成像毫米波雷达似乎是采用自己做的芯片,应该是4片3发6收的收发器级联而成,但也有可能是德州仪器的AWR1642六片级联而成。AWR1642是2发4收。

  我们先来看德州仪器的方案,德州仪器提供全套电路图。

  

  德州仪器4D成像毫米波雷达开发板框架图

  

  德州仪器4D成像毫米波雷达内嵌4-element series-fed patch天线,采用业内品质最高的RogersRO3003 PTFE载板。

  

  可以看出,老牌的大陆汽车4D毫米波雷达性能强大无比,具备碾压性质。德州仪器在距离和分辨率之间做了妥协。

  ARS540是唯一具备能够真正测量目标高度的毫米波雷达,也就是其垂直分辨率Elevation比较高,达到2.3°,远高于德州仪器方案,毕竟大陆汽车是自己设计天线,拥有超过20年的经验,且MR3003也确实比较强。从这个角度讲,ARS540到目前应该还是全球唯一4D毫米波雷达。当然如果不用德州仪器的内嵌天线,自己单独设计,可能会好一点,但也不会好太多,并且会付出很长的研发周期,购置上千万人民币的研发设备和设施,初创公司肯定不会这么大手笔投资固定资产。当然啦,或者用仿真软件也凑合可以。

  ARS540的高度测量

  成像毫米波雷达的成像是什么样的?

  上图是取自德州仪器的开发板说明书,这是自行车和行人离车辆1.5米距离时的毫米波雷达成像图,如果是普通的3发4收单片3D毫米波雷达,自行车恐怕只能检测到一个点,甚至检测不到。即便是成像毫米波雷达,行人也只是一个小点,普通雷达则完全检测不到,这是因为金属反射电磁波的性能远比人体要高。显然成像毫米波雷达无法和激光雷达成像相提并论。

  对于车的成像还是相当不错的,这个能勉强看出有车门开着。

  再来看NXP的方案。

  

  

  上表为TFE82XX与AWR2243主要参数对比,NXP性能略胜一筹,德州仪器的取样频率更高。

  NXP的S32R45内部框架图

  S32R45采用4个A53运算核和3个M7实时运行与安全核。整体达ASIL-B级,MCU部分达ASIL-D级标准。雷达数据处理方面有一个SPT 3.1 @ 600 MHz 集成 DSP 和多线程处理器,一个BBE32 DSP,环境模型方面有一个线性代数加速器,算力有300GFLOPS。接口异常丰富,包括4x MIPI CSI2,PCIe2 x Gen2/3, 2 lanes, 2 x GbE 10/100/1000 Mbit/s,8 x FlexCAN with FD。支持AUTOSAR MCAL4.4。达到最高的AEC-Q100 1级标准,即-40 ºCto 150 °C (Tj) 。

  所谓4D成像毫米波雷达的第四就是高度,众所周知,传统雷达输出3个维度的信息,分别是方位角、速度和距离。后两者通过FFT取得,前者是利用多个天线的相位差信息获得。传统雷达没有俯仰角天线通道,只有方位角天线通道,自然就没有俯仰角信息。解决办法有几种,通常是增加俯仰通道,但是在总通道数不变的情况下,意味着水平方位角精度的降低,毕竟水平方位角才是主要信息。要增加总通道数,成本增加还是小事,运算量会大幅度增加数倍乃至几十倍,现在的77GHz雷达处理芯片基本被英飞凌和NXP垄断,没有合适的芯片可用。因此大部分厂家的俯仰通道只是勉强做到,精度很低,博世MRR采用俯仰面天线方向图幅值比来计算俯仰角,这种方法不增加通道数,也不增加成本,只增加俯仰天线的主波束宽度。这种方法需要先验知识,且无法区分非水平目标处于高处还是低处。

  大陆汽车可能采用了Monopluse的设计,相当于一根物理天线做俯仰角测试,再通过MIMO虚拟通道增加精度。AR540采用双波束成形,一个波束是48 (Az.) x 1 (El.) = 48 channels,转为方位角设计,大幅度提高方位角测量精度。另一个是24 (Az.) x 6 (El.) = 144 channels,里面包含了俯仰角测量。

  所谓成像意义不大,即使再强的深度学习碰上毫米波雷达那样稀疏的图像也基本无能为力。

  能测高度的同时就可以不再过滤静态目标,因为窖井盖、减速带、立交桥、天桥、路边金属牌会导致雷达误动作,因此传统雷达都将静态目标过滤掉。如果能测量高度,就能提高目标检测的置信度,不再过滤静态目标。

  

  实际毫米波雷达的难点在生产领域,射频产品的生产,特别是一致性是需要长时间摸索的,这不是坐办公室的博士们能完成的。实际量产毫米波雷达超过20年的博世、大陆之类的团队中掌握核心关键Knowhow的专家不超过5个,都是长期在生产线摸索出来的。

  

  来源:Yole

  毫米波雷达几乎没有技术门槛,门槛都在生产和供应链领域,全球前五大占据了75%以上的市场,这中间还包括了主打24GHz的海拉,大陆是当之无愧的第一,单价也最高,国内除了吉利很少有人使用。第二是电装加上收购的富士通天。第三才是博世,前向主雷达基本垄断国内市场,并且还多是MRR四代,四代的LRR可能只有小鹏使用。第四是海拉万都,第五是维宁尔。这个排名可能也有错误,安波福的出货量也很大,但主要是角雷达。

  4D成像毫米波雷达是故弄玄虚还是真的突破,相信大家心里都已经有了答案。

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