毫米波雷达 | 智能驾驶不可或缺的4D毫米波雷达技术全解析

近几年来，汽车全自动驾驶的发展步伐开始慢了下来，但汽车智能化的进程却在不断向前推进。根据乘联会的统计，国内乘用车智能化指数从2024年7月突破4.0以来，到2024年12月，连续6个月都维持在4.0以上。
其实2024年开始，乘联会对汽车智能化的定义变得更加严格，这里统计的智能化汽车指的是车型需要同时满足“高速领航辅助功能”、“搭载骁龙8155及以上性能座舱芯片”、“提供小憩模式功能”等三项条件。

2023年起，在国家政策的推动下，相继有车企取得了L3级自动驾驶牌照。比如比亚迪在2023年7月取得了quan国di一张L3级高快速路测试牌照，随后阿维塔、深蓝、奔驰、极狐、宝马、智己、赛力斯问界、广汽埃安、路特斯、极越、极氪等汽车企业相继获得了L3级自动驾驶测试牌照。同时，在2024年6月，工业和信息化部联合公安部、住房和城乡建设部以及交通运输部发布《进入智能网联汽车准入和上路通行试点联合体基本信息》公布了9个准入和上路通行智能网联试点区域的“联合体”。这些汽车企业包括比亚迪、长安汽车、蔚来、广汽乘用车、上汽集团、北汽蓝谷、一汽集团、上汽红岩，以及宇通客车共9家，这9家联合体将在北京、上海、广州等7个城市正式开始L3级自动驾驶的测试工作。

除了政策的持续推动，车企自己也在通过不断的技术创新和产品迭代来提升智能驾驶技术，比如比亚迪推出的“天神之眼”高阶智能驾驶辅助系统、奔驰的Drive Pilot、特斯拉的FSD、Stellantis的STLA AutoDrive、通用汽车的超级智能驾驶系统（SuperCruise）、福特的蓝智驾主动驾驶辅助系统（BlueCruise）、华为的鸿蒙智行等都在不断升级当中。其中不少智能驾驶系统已经开始了脱手驾驶系统测试和部署，甚至有的开始探索无需监视驾驶员视线的完全自动驾驶解决方案。

智能驾驶边界的不断拓展，对于传感器的要求也越来越高。从去年到现在，就算是端到端大模型，本质上也没有解决摄像头的物理性能缺陷，激光雷达虽然成本在不断下降，安全冗余作用明显，但对于恶劣天气、穿透能力，以及抗干扰能力的劣势依然存在。但毫米波雷达的全天候全天时工作能力，刚好可以弥补这些缺陷，同时4D成像毫米波雷达技术的出现和成熟，也解决了过去目标识别精度有限、分辨率低，以及远程探测能力有限等问题。

4D毫米波雷达的主要供应商与zui新进展

现在的很多智能驾驶系统都有部署毫米波雷达，一般来说如果是L0~L2级自动驾驶汽车，毫米波雷达主要应用于自动紧急制动、自适应巡航、前向碰撞预警、后向碰撞预警、倒车车侧预警、盲区监测、开门预警、自动泊车、变道辅助、驾驶员生命体征监测、乘客成员监测，以及手势识别等功能。
而根据毫米波雷达在汽车中的安装位置不同可分为前向雷达、角雷达及舱内雷达三种。前向雷达就是我们常说的主雷达，一般会安装在车标或者车头栅格内；角雷达安装在汽车的4个拐角处，这类毫米波雷达的安装数量zui多，通过相互配合可以形成车身的环绕覆盖。舱内雷达则主要安装在汽车的驾驶座椅或车顶位置。
4D毫米波雷达，又称4D成像毫米波雷达，它主要是应用在前向雷达领域。与3D毫米波雷达相比，4D毫米波雷达在距离、速度、水平方位角传统三维基础上，增加了高度维度的探测能力，形成了思维信息感知。通过增加发射和接收通道的个数，提供点云的功能，从3T4R（3发射和4接收，12通道），到6T8R（48通道），再到12T16R（192通道），甚至是48T48R（2,304通道），点云成像的精度持续提升，逐渐实现了对传统毫米波雷达的替代。
有业内人士认为，4D毫米波雷达的点云效果甚至可以达到低线数激光雷达的效果，但成本却更低，这让它逐渐成为市场的新宠。目前已经有多家汽车品牌率先搭载了4D毫米波雷达，比如飞凡、理想、睿蓝、长安、路特斯、华为的鸿蒙智行、蔚来等。
由于前向雷达涉及车身控制功能，功能安全等级要求较高、研发难度较大，参与的企业大都是国际Tier 1企业，比如博世、大陆、电装、安波福、采埃孚、维宁尔、法雷奥、摩比斯及海拉等企业，国内的森思泰克、华域汽车、楚航科技、华锐捷和华为等供应商也有参与。
即将量产的小米第二款车型小米YU7将首次搭载国产4D毫米波雷达，其前向雷达将采用森思泰克的STA77-6-B高分辨率4D毫米波雷达。据森思泰克guan网介绍，STA77-6为两片级联架构，6T8R，此前已经搭载于理想品牌车型，角度分辨率2?，探测距离达到300米；高阶版本的STA77-8则为四片级联架构，12T16R，此前搭载于深蓝车型，提供0.7?（水平）x 2?（纵向）的角分辨率，探测距离高达350米。
华为2024年4月发布的高精度4D毫米波雷达采用了4T4R的MIMO天线系统，并且使用了波导天线，支持超远距离探测，探测距离可达280米；构图精度可达5cm；垂直视野达到了60?；延时为65ms；支持泊车位障碍物检测与高处物体识别。该产品已经适配鸿蒙智行生态，计划在问界、智界等车型中大规模应用。
博世与Mobileye在2024年宣布了放弃激光雷达的自研，转而大力推动4D毫米波雷达的开发与量产。其中博世不久前推出的第六代毫米波雷达距离和精度双双得到提升。据其guan方介绍，该解决方案采用了系统集成芯片、3D波导天线、RFCOMS技术，并且结合了AI深度学习，提高了对物体类型、道路边缘分类和高速盲点监测的准确性。据悉，该毫米波雷达将于今年上半年量产。

4D毫米波雷达未来发展方向
毫米波雷达的优势在于体积小、质量轻、空间分辨率高，以及可以同时探测目标物体的距离和速度等，但也存在对横向目标敏感度低、对小物体检测效果不佳等缺点。为了发挥毫米波雷达的优势，弥补其缺点，行业zhuan家与相关企业都在通过技术升级迭代的办法在不断满足市场需求。
从目前来看，4D毫米波雷达未来的发展方向主要有四个，分别是超高分辨率、与AI融合、小型化与低成本，以及多场景扩展。
一是超高分辨率，也就是从“点云稀疏”到“类激光雷达”的跨越。4D毫米波雷达的he心竞争力是通过提升分辨率来实现环境感知的精细化。前面有提到，4D毫米波雷达是在3D毫米波雷达的基础上增加了一个高度维度的测量，也就是说，需要新增一个纵向天线，让传统毫米波雷达具备测量高度的能力。同时也会增加天线的数量与密度，让角度、速度和分辨率均得到优化，且输出的点云图像更加致密，从而能够刻画更为真实的环境图像，有效解析测得目标的轮廓、行为和类别。那么，如何增加天线数量也就成为了提升4D毫米波雷达的he心所在。
目前市面上使用比较多的有两种方案，一种是增加物理通道数。传统毫米波雷达受限于天线数量（通常是3T4R，或者是4T4R），角分辨率仅能达到5?~10?，难以区分密集目标。而通过多芯片级联（Cascading）与虚拟孔径技术（Virtual Aperture）通道数量可以实现突破。比如恩智浦的S32R45芯片可以实现12T16R级联方案，物理通道数可达192个，点云密度可提升至20,000点/s；Arbe的Phoenix Ultra是48T48R架构，等效2,304个虚拟通道，角分辨率可达0.5?，可识别10cm大小的障碍物；华为ADS 2.0中使用的4D毫米波雷达，通过12T24R MIMO架构，实现了192通道，垂直分辨率2?，接近16线激光雷达的效果。
另一种是波形与算法的协同优化。因为毫米波雷达的高分辨率不仅依赖硬件堆叠，更需要软件算法的突破。比如调频连续波（FMCW）波形扩展，带宽从4GHz提升到了8GHz（例如TI的AWR2944）,距离分辨率从3.75cm优化至1.8cm；另外，通过微多普勒效应识别目标微观运动（例如行人摆手、轮胎旋转等），提升分类准确性；当然，逆合成孔径雷达（ISAR）技术也有助于分辨率的提升，不久前，南开大学团队将光子雷达与ISAR结合，实现了1.5cm级分辨率，为6G通信感知一体化奠定基础。
二是与AI的融合。AI大模型的出现给各行各业都带来了革新，毫米波雷达领域也不例外。AI技术的引入，使毫米波雷达从几何探测器升级成为了认知决策器。（1）在雷达端集成嵌入式AI加速器，实时执行车辆、行人、动物等目标分类及轨迹预测，这是硬件架构的革新。比如华为在其4D毫米波雷达中集成了昇腾310NPU，算力达8TOPS，支持实时目标意图预测；TI的AWR 2944内置了C7xDSP%2BMMA加速器，可并行处理4D点云与AI推理任务；此外，Arbe、博世、复睿智行、木牛科技等也都将AI技术融合进了毫米波雷达产品当中。
三是小型化与低成本。小型化与低成本一直是业界努力的方向，目前主要依赖先进封装与集成工艺，以及制造工艺等技术。在先进封装方面，TI通过封装上装载（Launch On Package，简称LoP）技术，可通过PCB内部的波导设计，实现MMIC与3D天线之间的直接信号传输，极大提升了电磁信号的传输效率；岸达科技60GHz AiP（天线封装）芯片将天线尺寸缩小到了5mm*5mm，功耗降低了40%；恩智浦通过LiP技术，封装内集成波导，减少了PCB层数，成本下降了30%；加特兰通过ROP封装技术，不仅解决了传统标准封装技术中的天线馈线损耗较大的问题，而且相较AiP技术，还拥有更高的通道隔离度，可让雷达实现更远的探测距离和更宽的FOV。集成工艺方面，ST的FD-SOI工艺将射频前端、基带处理器集成于单芯片，面积缩小了50%；台积电的InFO封装技术可实现多芯片3D堆叠，提升集成度。此外，CMOS工艺的普及也有利于毫米波雷达芯片成本的进一步降低。
四是多场景扩展。从车载独大到全域渗透。其实4D毫米波雷达正在突破汽车边界，向工业自动化、智慧城市、消费电子、医疗等领域延伸。

智能汽车可以提供更加安全、节能、高效，以及舒适的出行体验，是公认的未来发展方向。它不仅会带来汽车行业的技术升级，还会带来quan球化供应链和产业生态的革新，而毫米波雷达是这个环节中不可或缺的一环。当然，毫米波雷达也不仅仅应用于汽车与交通，它还会在更多领域开花结果。