可测速可成像 4D成像雷达能取代激光雷达?

2021-08-05 00:10:23 作者:郭睿

  【太平洋汽车网 技术频道】我们的周围充斥着电磁波,小到手机、WIFI,大到飞机、卫等等,都在时时刻刻发射着电磁波。不同频段的电磁波有着不同的特性和功能,不同的领域也都在享受着电磁波带来的便利。想要确保不同领域的电磁波设备不会相互干扰,最简单直接的办法就是分区和分段。

可测速可成像 4D成像雷达能取代激光雷达?

  ITU国际电信联盟在1947年成立了IFRB国际频率登记委员会,旨在帮助所有成员合理地使用无线电通信频道,使有害的干扰减至最小。国际频率登记委员会根据不同波段电磁波的特性尽量合理的将不同频段分配给不同的领域,保证在特别拥挤的无线电频段中应用尽可能多的无线电路。

  例如在毫米波频段中,24-24.25GHz是国际通用的ISM频段,归工业(Industrial)、科学(Scientific)和医学(Medical)领域使用;而76-77GHz则是专门划归车载应用使用的频段。这也就是我们常见的车载毫米波雷达,主要都是24GHz或77GHz的原因。

24GHz和77GHz毫米波雷达优劣

  在汽车上,我们一般提及77GHz毫米波雷达叫长距雷达,而24GHz探测距离略短。但这里有一个问题,24GHz毫米波波长更长,同等功率下理论上探测距离能更远,为何在汽车上77GHz反而成为了长距雷达?

  首先还是频段分配的问题,24GHz属于国际通用的ISM频段,并非车载应用独享。为了避免干扰,在汽车上应用24GHz毫米波雷达需要对功率进行一定的限制。而在专属于车载应用的77GHz频段内,则可以采用更大的功率获得更远的探测距离。

可测速可成像 4D成像雷达能取代激光雷达?

  随着5G的快速推广,5G主流的3种方案中,一种便是分布在24.25-29.5GHz这一频段。24GHz附近频段面临被重新分配的风险。目前欧盟已经在逐步取代24GHz车载毫米波雷达,新出厂车型需转为77GHz毫米波雷达,而现有24GHz毫米波雷达可以在生命周期内正常使用。我国5G建设目前采用4.9GHz频段,对24GHz毫米波雷达没有影响。

  除了频段分配的原因,同功率水平下24GHz收发天线较77GHz雷达更大,增加24GHz毫米波雷达探测距离会使得整个雷达体积偏大。此外,24GHz电磁波更长的波长有更好的绕行能力,受气候等因素影响更小。但同时指向性会变得更差,角分辨率会受到影响。24GHz毫米波雷达在长距离上对目标位置的判断,有可能会出现偏离车道的误差,这样的话探测的意义也就不大了。因此,长距离毫米波雷达普遍选择77GHz。

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  除了24GHz和77GHz外,还有21GHz、60GHz、79GHz等不同频段的车载毫米波雷达,其中60GHz在部分国家也属于ISM频段。不过氧气分子对电磁波的吸收峰值正好处于60GHz附近,因此60GHz在空气中传播的衰减较大。

  电磁波频段作为一种稀缺资源,对车载毫米波雷达频段选择影响最大的,仍然是各国法规的限制。IFRB国际频率登记委员会的分配并非强制,各国会根据国情制定更为细化的法规,保证在拥挤的无线电中拥有尽量多的电路,同时减少相互之间的干扰。因此在不同国家和地区,对毫米波雷达频段的选择也可能略有差异。

可测速可成像 4D成像雷达能取代激光雷达?

  在上期节目中,我们介绍了毫米波雷达在自动驾驶感知硬件中独到的全天候及同时测距测速的优势,奠定了其不可替代性。同时也指出了目前毫米波雷达角分辨率低、不具备俯仰角分辨率等问题。

4D成像雷达威力初显

  随着近年来自动驾驶的飞速发展,毫米波雷达这个已经相当成熟的感知硬件也没有停滞,人们在不断探索开发分辨率更高,同时具备俯仰角分辨率的毫米波雷达,也就是4D成像雷达。传统的毫米波雷达具有同时探测距离、水平角度及速度三个参数的能力,增加高度信息后便被称为4D毫米波雷达。而4D成像毫米波雷达则同时还追求更高的分辨率,保证能够区分目标是机动车、非机动车还是行人等。

  去年年中,在汽车毫米波雷达市场占有率排名第一的德国大陆集团推出全球第一个4D成像毫米波雷达——ARS540,宝马纯电动旗舰SUV iX或成为第一款搭载ARS540 4D成像雷达的量产车型。随后在今年上海车展上,华为也发布了旗下4D成像雷达。

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  以华为4D成像雷达为例,这款雷达采用了12个发射通道,24接收通道,整体具备了12*24,也就是288通道,比常规毫米波3发4收的天线配置整整提升了24倍。相比业界典型的成像雷达也多出了50%的接收通道,这是短期可量产的最大天线配置成像雷达。

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  华为大阵列毫米波雷达带来的好处是,水平视场从90°提升到了120°,垂直视场从18°提升到了30°,同时还将探测距离从200m提升到了300m。虽然点云密度和分辨率尚不能与激光雷达相比,但覆盖范围已经超越了绝大多数车载激光雷达。同时还具备毫米波雷达独有的全天候及同时测速的优势。

  华为4D成像雷达的另一个独特的优势在于非视距感知,简单来说就是能看到被前车挡住的前前车位置与速度。不论是摄像头还是激光雷达,对目标的探测都限制在视距范围内,毫米波更长的波长使其具备了一定的多径传播现象,华为4D成像雷达可以穿过前车车底,接受被遮挡的1-2台车的反射波。

可测速可成像 4D成像雷达能取代激光雷达?

  不论是大陆ARS540还是华为4D成像雷达,从公布的性能来看都具备了颠覆性的提升,甚至具备了蚕食激光雷达市场的能力。但目前为止4D成像雷达尚未大规模量产,很多技术细节厂商也并未透露。

  毫米波雷达制造门槛其实并不高,即便是4D成像雷达,在硬件层面也并没有太高的门槛。但是NXP恩智浦和英飞凌几乎垄断了毫米波雷达芯片组市场,而射频产品的生产及一致性等需要长时间的经验积累,这些造就了毫米波雷达市场的高门槛,这使得大陆、电装、博世等少数巨头几乎垄断了车载毫米波雷达市场。4D成像雷达的出现让毫米波雷达市场出现了新的变数,更多企业试图在新的市场平衡形成之前进入到这一市场。

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  但是4D成像雷达,目前还面临着很多的技术难点。除了产品本身的一致性、可靠性等问题外,在大阵列多通道下,如何保证相位校准,这里包括了水平角和俯仰角,校准难度变得更具难度。同时,大陆和华为尚未公布如何实现目标跟踪,相比传统ADAS毫米波雷达主要应用的高速跟车场景,4D成像雷达面对城市场景需要同时跟踪众多的车辆、行人等,跟踪目标呈数量级增长,目标的识别、跟踪方式也成为重中之重。

  此外,复杂的电磁环境中,毫米波雷达接受到的噪声等干扰较大,在追求精度的4D成像雷达中,如何处理杂点及可能存在的虚报预警的噪点也是4D成像雷达应用的难点。而应用毫米波雷达的车不断增多,毫米波雷达间的相互干扰也会增加,抗互相干扰也是后续4D成像雷达必须认真面对的问题。

总结

  作为一个刚刚兴起的硬件产业,4D成像雷达目前公开的信息还很有限。华为在发布4D成像雷达时公布的也只是处理后的点云信息。即便是拥有288通道的目前最大天线配置的华为4D成像雷达,点云密度也无法与激光雷达相提并论,4D成像雷达完全替代激光雷达的论调并不成立。4D成像雷达的优势仍然是毫米波雷达本身独有的优势加上了更高的分辨率。不过,可全天候工作,可测速、可成像,同时相比高性能激光雷达具备一定的成本优势,4D成像雷达还是具备了蚕食部分激光雷达市场的能力,在未来自动驾驶感知硬件的应用中也能够发挥更多的潜力。(文:太平洋汽车网 郭睿)

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