三大汽車芯片巨頭押寶 自動駕駛的興起改變了傳統(tǒng)汽車毫米波雷達(dá)

自動駕駛的興起改變了傳統(tǒng)汽車毫米波雷達(dá)行業(yè)的面貌。

對前視和360度環(huán)繞感知的需求不斷增加，促使汽車制造商根據(jù)車內(nèi)外的應(yīng)用，尋求最佳的射頻性能、功耗、分辨率和尺寸。

而高角分辨率（也被稱為點(diǎn)云成像）汽車毫米波雷達(dá)市場正在成為全球三大汽車芯片巨頭（恩智浦、德州儀器和英飛凌）的下一個戰(zhàn)場。其中，恩智浦和英飛凌是傳統(tǒng)雷達(dá)芯片市場的TOP2，德州儀器則是近兩年憑借單芯片集成方案殺入這個市場。

成像雷達(dá)是雷達(dá)的一個子集，它的名字來源于它的高角分辨率能夠提供清晰的圖像。角度分辨率是區(qū)分在相同距離和相同相對速度范圍內(nèi)的物體的能力，同時能夠在高分辨率下識別靜態(tài)對象。

半年前，恩智浦宣布與一家中國供應(yīng)商合作，鞏固其在中國毫米波雷達(dá)市場份額，同時幫助開發(fā)所謂的“成像雷達(dá)”。隨著ADAS及ADS市場滲透率逐步提升，作為感知組合中不可缺少的傳感器，汽車毫米波雷達(dá)的市場需求將出現(xiàn)爆發(fā)式增長。

恩智浦表示，向更高級別自動駕駛系統(tǒng)的升級，是汽車?yán)走_(dá)大幅增長的主要原因。今天的量產(chǎn)新車通常在L1和L2級ADAS上使用1到3個毫米波雷達(dá)（前向和角雷達(dá)），而未來的L4和L5級自動駕駛車輛可能會使用多達(dá)6-10個毫米波雷達(dá)。

但與此同時，傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)的缺陷之一，低分辨率一直是困擾行業(yè)的關(guān)鍵瓶頸。但作為毫米波雷達(dá)芯片供應(yīng)商，恩智浦相信，有一天毫米波雷達(dá)可以直接與激光雷達(dá)競爭。

而此次恩智浦的合作重點(diǎn)就是推動高分辨率成像雷達(dá)的量產(chǎn)開發(fā)。

一年前，恩智浦宣布全套雷達(dá)收發(fā)器完成了業(yè)界唯一基于BiCMOS和先進(jìn)RFCMOS工藝技術(shù)的產(chǎn)品組合，基于S32R汽車?yán)走_(dá)處理平臺幫助業(yè)內(nèi)開發(fā)從小型緊湊型雷達(dá)傳感器到高分辨率成像雷達(dá)傳感應(yīng)用。

這款基于12通道TX和16通道RX設(shè)計的高分辨率成像雷達(dá)方案，使用多個MR3003雷達(dá)收發(fā)器集成，提供高輸出功率、低噪聲和實(shí)現(xiàn)高分辨率成像所需的可擴(kuò)展性。該雷達(dá)方案能夠同時跟蹤數(shù)千個目標(biāo)，實(shí)時感知周圍環(huán)境，并達(dá)到L4和L5級自動駕駛的需求。

成像雷達(dá)被認(rèn)為是將比其他傳感器更具成本和性能的綜合性價比優(yōu)勢，在某些情況下，成像雷達(dá)有可能識別道路上的物體，如自行車、人或小體積障礙物。同時，兼具應(yīng)對惡劣天氣狀況的傳統(tǒng)優(yōu)勢，至少到目前為止，攝像頭、超聲波和激光雷達(dá)都做不到。

近年來，許多一級汽車零部件供應(yīng)商、芯片制造商，包括一些初創(chuàng)公司，都在研發(fā)成像雷達(dá)技術(shù)。大多數(shù)人認(rèn)為它的成本將是激光雷達(dá)的五分之一，有的企業(yè)甚至聲稱可以把成本做到目前量產(chǎn)77GHz雷達(dá)的水平。

恩智浦表示，該公司對這項技術(shù)的發(fā)展寄予厚望。該公司相關(guān)負(fù)責(zé)人甚至表示，“我們的目標(biāo)是大幅改進(jìn)毫米波雷達(dá)性能，最好不需要激光雷達(dá)?！?/p>

成像毫米波雷達(dá)，也被定義為4D（3D空間+速度）成像，通過將分辨率提升至接近激光雷達(dá)的水平，既解決對小物體的識別，以及移動、靜止物體的跟蹤，同時，毫米波雷達(dá)的穿透力（超視距能力）是對激光雷達(dá)的缺陷彌補(bǔ)。

而市面上已經(jīng)量產(chǎn)的77GHz雷達(dá)，返回的是被測目標(biāo)的抽象圖像，不能用于分類，比如確定他們是行人、騎自行車的人、動物、建筑物還是其他車輛。此外，對于靜止目標(biāo)的探測也缺乏相應(yīng)的能力。

同時，在與視覺融合方面，4D毫米波雷達(dá)具備天然優(yōu)勢。點(diǎn)云毫米波雷達(dá)就可以把攝像頭的短板很好地補(bǔ)上，對周邊復(fù)雜環(huán)境可以3D實(shí)時建模，對行人車輛的精準(zhǔn)距離和速度監(jiān)測。

可見，成像雷達(dá)是唯一能在各種天氣和能見度條件下保持魯棒性，并在方位角和仰角上都能達(dá)到1度角分辨率（甚至在超分辨率算法下更低）的傳感器。

幾乎和恩智浦同一時間，德州儀器也推出了第一個高度集成的雷達(dá)傳感器芯片AWR1642。與競爭對手不同的是，德州儀器通過增加一個微控制器單元和一個數(shù)字信號處理器，在同一個系統(tǒng)芯片上集成了多個收發(fā)單元。

該公司通過將4個單芯片AWR1243雷達(dá)前端設(shè)備串聯(lián)起來，證明了它可以提供高達(dá)1.6度的角度分辨率，并可以檢測250米以上的車輛。

今年，德州儀器再次推出升級版AWR1843，有7個通道，包括4個接收器（Rx）和3個發(fā)射機(jī)（Tx），以及一個MCU，一個DSP，都集成在同一個芯片和天線上。此外，通過將MCU和DSP放在同一個芯片上，并在芯片的頂部安裝天線，大大減少PCB的占用空間，節(jié)省了近80%的空間。

而這種雷達(dá)的另一大應(yīng)用場景，就是座艙內(nèi)的人員及物體監(jiān)控，如檢測乘客或司機(jī)的姿勢，甚至是手勢識別，而不需要基于攝像頭視覺（在歐美，攝像頭監(jiān)控一直存在個人隱私的風(fēng)險）。

以AWR1843單芯片雷達(dá)傳感器為例，通過安裝在車頂，可以準(zhǔn)確檢測車內(nèi)乘員，判斷乘員是成人還是兒童。同時，分類軟件可以輸出每個座位上的乘員位置，具有較高的精度。

現(xiàn)在，作為傳統(tǒng)雷達(dá)芯片巨頭的英飛凌，也決定殺入汽車級成像雷達(dá)市場。這也意味著距離規(guī)模量產(chǎn)的時間日益臨近。

幾周前，高分辨率成像雷達(dá)初創(chuàng)公司傲酷雷達(dá)（Oculii）宣布，和英飛凌合作開發(fā)雷達(dá)軟件解決方案，基于后者的AURIX MCUs、MMIC和電源硬件平臺的芯片組合，以及傲酷雷達(dá)的虛擬孔徑成像算法，以具有吸引力的價格提供高分辨率性能。

和大多數(shù)高分辨率雷達(dá)架構(gòu)采用更多的物理天線和多芯片集成來提供更高的角度分辨率不同，傲酷雷達(dá)的專用虛擬孔徑成像算法通過相位編碼調(diào)制方案提高了陣列的角度分辨率，并基于更多的計算/內(nèi)存實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。

這意味著，該方案不需要更多的額外實(shí)體天線，因為這意味著更高的成本、尺寸和功率。傲酷雷達(dá)和英飛凌正在合作研發(fā)的解決方案，既可以為低成本的單芯片解決方案提供高性能優(yōu)化，同時也可以量身定制多芯片高性能解決方案。

虛擬孔徑成像算法是一個陣列乘法器，使MIMO雷達(dá)傳感器的角度分辨率提高10倍以上，與現(xiàn)有的大規(guī)模量產(chǎn)的雷達(dá)相比，它可以提供低于1度的角分辨率。

這種方法的巨大優(yōu)勢是在硬件成本上和傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)類似的情況下，突破了角分辨率這個毫米波雷達(dá)最大的瓶頸，將催生出很多新的可能性。

比如，有了4D點(diǎn)云成像技術(shù)加持后，未來的前向雷達(dá)，在同等FOV情況下 ，可以達(dá)到0.1-0.2°角分辨率。同時，在探測距離300-400米時，也可以將車輛在哪個車道分辨清楚。

在英飛凌硅谷創(chuàng)新中心負(fù)責(zé)人看來，虛擬孔徑成像技術(shù)與汽車級雷達(dá)解決方案相結(jié)合，可以在不需要多個有源收發(fā)器或昂貴的天線技術(shù)的情況下提高角度分辨率。

在此之前，英飛凌曾為谷歌提供過一款60GHz雷達(dá)芯片，用于高分辨率手勢識別。谷歌則通過一種定制的機(jī)器學(xué)習(xí)模型來實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所謂的“快速手勢識別”的能力。該芯片結(jié)合了調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)和直接序列擴(kuò)頻雷達(dá)兩種調(diào)制方式。還有多個波束形成天線，支持3D跟蹤和成像。

目前，全球范圍主要有兩種點(diǎn)云成像雷達(dá)方案，一類是基于傳統(tǒng)NXP、TI的CMOS雷達(dá)芯片，采用多芯片及天線集成或者軟件虛擬方式來實(shí)現(xiàn)；另一類就是類似Arbe RoboTIcs、Vayyar、SteradianSemi、RFISee等初創(chuàng)公司，直接提供成像雷達(dá)芯片。當(dāng)然，還有一些企業(yè)利用超材料技術(shù)研發(fā)全新的雷達(dá)架構(gòu)。

而成像雷達(dá)的下一步，就是提升機(jī)器學(xué)習(xí)的能力。

恩智浦在今年推出的一款車規(guī)級的AI工具包，除了應(yīng)用于傳統(tǒng)的視覺領(lǐng)域，未來的雷達(dá)有望使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)其點(diǎn)云圖像對道路使用者及障礙物進(jìn)行分類。

這意味著雷達(dá)內(nèi)部的芯片集成度越來越多。恩智浦在RF-CMOS收發(fā)器中集成了MCU，邁出了第一步。同樣，德州儀器在集成DSP方面也走出了第一步，DSP能夠?qū)C(jī)器學(xué)習(xí)置于邊緣側(cè)，對物體進(jìn)行分類、跟蹤和計數(shù)成為可能。

同時，將DSP集成在一個組件中，與MCU和收發(fā)器相結(jié)合，可以減少互連損耗，加快處理速度。以IWR1642為例，DSP是一個600MHz的用戶可編程C674x DSP，還集成了一個200MHz的用戶可編程ARM Cortex-R4F處理器。

“過去因為雷達(dá)分辨率很低，你根本無法做任何與機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)的后期處理。”一位行業(yè)人士表示，現(xiàn)在因為有了成像雷達(dá)，就有了基于機(jī)器學(xué)習(xí)來理解場景的能力。

初創(chuàng)公司Arbe從一開始就思考如何將信號處理和人工智能置于現(xiàn)成的射頻芯片組和數(shù)字信號處理器DSP之上，隨后他們自主研發(fā)了數(shù)字處理器和專用集成電路。

Arbe的專利，基于人工智能，后處理軟件堆棧包括一個基于雷達(dá)的同步定位和地圖（SLAM）解決方案的動力由人工智能。SLAM算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時聚類、跟蹤、自定位、假目標(biāo)濾波、基于雷達(dá)和基于雷達(dá)相機(jī)的目標(biāo)分類。

這套人工智能算法可以識別被檢測到的對象是否是人，而不是樹，并且計算出它將在一秒內(nèi)的位置，因為這對自動駕駛的決策有很大的影響。同時，還需要消除虛假目標(biāo)。在最后一個階段，它還與攝像頭和套件中的其他傳感器融合，以對多個傳感器中的探測對象進(jìn)行分類和匹配。

現(xiàn)在，毫米波雷達(dá)正在邁進(jìn)高分辨率+智能時代。

在改進(jìn)激光雷達(dá)和視覺方面，行業(yè)已經(jīng)做出了很大的努力，特別是距離和分辨率方面已經(jīng)達(dá)到了一個性能閾值。然而，像雷達(dá)這樣的其他傳感器，相對來說過去幾年并沒有太大的性能提升。

要知道，三年前，特斯拉還專門從德爾福挖來了雷達(dá)系統(tǒng)負(fù)責(zé)人，目的就是改善雷達(dá)性能，比如能否得到粗糙的點(diǎn)云。彼時，馬斯克的態(tài)度就已經(jīng)很明確，雷達(dá)可以穿透雨、霧、雪和灰塵，是性價比最高的感知組合的選擇。

這位負(fù)責(zé)人在加盟特斯拉前的兩年時間參與了德爾福下一代雷達(dá)系統(tǒng)的開發(fā)。（不過，在特斯拉呆了兩年后，投奔了福特旗下的自動駕駛公司Argo AI）

毋庸置疑的是，下一代雷達(dá)仍將是汽車上最強(qiáng)勁、最可靠、性價比最高的傳感器之一。當(dāng)然，我們更不能忽視華為基于5G技術(shù)的雷達(dá)殺進(jìn)汽車行業(yè)。

而對于沒有跟上這一波毫米波雷達(dá)革新浪潮的企業(yè)，不管你是傳統(tǒng)巨頭還是初創(chuàng)公司（仍停留于對標(biāo)傳統(tǒng)雷達(dá)，而沒有提前布局下一代技術(shù)），被淘汰出局是遲早的事。

要知道，接下來幾年時間，在感知硬件方面仍然有很多創(chuàng)新。同時，軟件定義汽車的概念，同樣在影響著傳統(tǒng)零部件的革新。