探索未來自動駕駛技術：4D毫米波雷達

目前自动驾驶汽车感知的实现离不开安装在车辆上的激光雷达、车载摄像头、毫米波雷达等感知设备，通过采集车辆周边交通环境的数据，让自动驾驶汽车能够拥有甚至超越人类的眼睛，来感知周围的世界为决策规划模块提供更加准确、丰富的环境信息，从而让自动驾驶汽车可以安全驾驶。

传感器硬件的堆叠，一方面可以让自动驾驶汽车可以更安全地在道路上行驶，但另一方面由于单个硬件设备并不能获得所有需求数据，且在很多极端环境下，硬件设备也会出现问题，如激光雷达在大雾、大雨等极端天气下，测得数据会出现较大偏差；毫米波雷达不具备测高能力，难以判断前方静止物体是在地面还是在空中；车载摄像头只能拍摄到2D平面图像，即便通过深度学习的辅助，依旧无法精准测得周围物体与自动驾驶汽车之间的距离，因此自动驾驶汽车需要不同的硬件设备同时工作，从而让自动驾驶汽车能够在任何情况下，获得不亚于人类的感知精度及能力。而4D毫米波雷达的出现，将为自动驾驶带来革命性的改变。

什么是4D毫米波雷达

在自动驾驶感知中，毫米波雷达作为自动驾驶中最重要的传感器之一，是至关重要的一环。但由于不具备测高的能力，很难判断前方静止物体是在地面还是在空中，在遇到井盖、减速带、立交桥、交通标识牌等地面、空中物体时，无法准确测得物体的高度数据。而4D毫米波雷达的出现，将弥补这一问题，4D毫米波雷达又称为成像雷达，在原有的距离、速度、方向的数据基础上，加上了对目标的高度分析，将第4个维度整合到传统毫米波雷达中，以更好地了解和绘制环境地图，让测到的交通数据更为精准。

早在2020年，特斯拉就曾宣布要在特斯拉汽车上增加一款4D传感器技术，通过4D传感器技术，将现有的工作范围增加两倍，以获取更多的交通信息。4D毫米波雷达可以有效解析测得目标的轮廓、行为和类别，可以适应更加复杂的道路，识别更多小物体，被遮挡部分的物体及静止或横向物体的监测，从而可以精准的了解车辆需要在什么情况下刹车，相对于3D毫米波雷达仅可以测量方位角、仰角和速度这3个数据，4D毫米波雷达可以获得的数据则更多，从而提供给决策规划更多可依赖的信息。

4D毫米波雷达的解决方案

4D毫米波雷达最早是在2019年由以色列公司提出，2020年初，Waymo宣布在第五代自动驾驶感知套件中推出4D毫米波雷达。同年，大陆集团推出了首个4D毫米波雷达量产解决方案，并表示宝马将成为首家搭载的车企。在2021CES上，4D毫米波雷达也声势不小，诸多厂商纷纷携产品亮相，德州仪器、Mobileye等企业陆续推出或更新4D毫米波雷达方案。

去年，安波福亮相了下一代L1～L3级自动驾驶平台，声称其传感器套件就包含了4D毫米波雷达；采埃孚表示，从上汽集团获得4D毫米波雷达的生产订单，2022年正式供货；博世在中国市场首次对外推介第5代雷达至尊版，即4D毫米波雷达。

4D毫米波雷达和传统雷达一样，在极端天气条件下工作时不会出现极大的偏差，且增加了仰俯角之后，能够形成点云图像，这就意味着4D毫米波雷达不仅可以检测到物体的距离、相对速度和方位角，还可以检测到前方物体的垂直高度以及前方静止和横向移动物体，这将补足传统雷达对静态目标的检测短板。目前4D毫米波雷达主要有2种技术方案：

• 一種是4D毫米波雷達企業自主研發多通道陣列射頻晶片組、雷達處理器晶片和基於人工智慧的後處理軟體演算法。
• 另一種是基於傳統雷達晶片供應商的解決方案，透過多晶片極聯，或軟體演算法來實現密集點雲輸出及識別。

4D毫米波雷達的主要特點在於角解析度非常高，前置4D毫米波雷達角解析度可達1度方位角和2度俯仰角，當加裝4D毫米波雷達的自動駕駛汽車在偵測道路資訊時，可以直接偵測到車輛週邊物體的輪廓。像是在道路資訊比較豐富，如行人與車輛夾雜在一起時，4D毫米波雷達就可以直接對行人和車輛進行識別，並可以判斷對應物體的運動情況（是否運動、運動方向）。

4D毫米波雷達也可以偵測到幾何形狀，例如在隧道場景中時，可以偵測到隧道的長度和寬度。 4D毫米波雷達的出現，有針對性地彌補了傳統毫米波雷達的性能短板，不僅是3D的升維，也帶來了探測精度、靈敏度、分辨率和性能的全面升級，給予自動駕駛更高的安全性，有望使毫米波雷達成為自動駕駛系統中的核心感測器之一。

4D毫米波雷達的未來發展趨勢

根據業內人士分析，4D毫米波雷達的規模化落地馬上就要來了。在市場化方面，目前技術趨於成熟，有許多種創新的演算法都在產品化過程中。不少車廠的新款車輛已有配裝的需求，其中自動泊車、L3及以上級別自動駕駛更是把4D成像作為剛需、事實上從去年開始，4D毫米波雷達已有很多產品裝車路測並準備量產。

例如恩智浦宣布，業界首款專用16nm毫米波雷達處理器S32R45將於上半年開始首次用於客戶量產。英特爾旗下的Mobileye也積極推動4D毫米波雷達的開發應用。 Mobileye執行長Amnon Shashua在今年CES演講中強調了4D成像毫米波雷達在汽車中的應用場景。

他表示：「到2025年，除了在汽車正面，其他地方我們只想要毫米波雷達，不想要光達。」 在Mobileye的計畫中，到2025年將推出基於毫米波雷達/光達的消費級​​自動駕駛車輛方案，汽車搭載雷達-LiDAR子系統，屆時車輛僅需安裝一個前向光達，同時外加360 全包覆車身的毫米波雷達，即可實現自動駕駛任務。

自動駕駛技術無法依靠單一的傳感器一統天下以成為業內共識。根據目前市場對自動駕駛的理解，沒有一刀切的傳感器，因為市場有很多細分領域，而且自動駕駛級別也不同，最終極大可能攝影機和雷達會共存，因為它們的優缺點互補性非常強。比較特殊的是光達，筆者認為有很大的可能性，4D毫米波雷達的解決方案可以降低或取代光達的使用。 4D毫米波雷達現在還處於發展的早期，但筆者相信未來它的性能將大大提升，並在理想情況下最終能夠取代光達。 ”

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