4D成像雷达，Arbe树立自动驾驶行业新标杆

对于毫米波雷达，确切说是4D成像毫米波雷达，2021年注定是极不寻常的一年。在汽车行业“新四化”变革大潮中，各路主机厂的纷纷加持正将4D成像技术推上风口，其大规模商用已渐行渐近。

毫米波雷达人们并不陌生，4D成像则不然，在自动驾驶使用的众多传感器中，其技术有何优势？能扮演何等角色？谁在引领技术发展？又将如何商用落地？

当下，汽车雷达已应用于 ACC 和 AEB，但它们还不足以提供最佳性能，亦无法满足 L2+/L3/L4 级别自动驾驶应用所需的功能。Arbe 成像技术为自动驾驶系统提供了所需的洞察力，让 4D 成像雷达成为骨干传感器套件。Arbe 独特且具有颠覆性的雷达技术让 4D 成像功能应用于自动驾驶系统中，在极具挑战性的恶劣光线和天气条件下，弥补视觉传感器的不足。此外，4D 成像雷达可以几乎 0 延时地提供深度信息和即时径向速度数据。

1、毫米波雷达市场格局微妙

多年来，英飞凌和恩智浦几乎垄断了毫米波雷达芯片组市场，后面的意法半导体一直在追赶。2020年初，英飞凌宣布进入车用4D高清点云成像雷达市场，不过还没有相应芯片发布。

早在2016年底，德州仪器（TI）就推出了基于CMOS工艺的高集成度77GHz毫米波雷达传感器，但并没有改变毫米波雷达芯片组市场的格局。于是，德州仪器于2018年底抛出了4D成像毫米波雷达概念。

其实，成立于2015年的以色列初创公司公司Arbe一直在苦心钻研针对汽车应用的新型4D成像雷达。

2019年1月，Arbe发布采用专利芯片组技术的车规级4D成像雷达测试版产品——Phoenix，其图像清晰度比业内同类雷达清晰百倍，可提供卓越的实时动态、静态目标物分离。

2019年9月，Arbe推出首款全新高密度雷达天线，其频道数量、视野宽度和分辨率均达到市场最高数值，能够以前所未有的卓越能力检测行人，并将其与人行道分离，为ADAS和自动驾驶增加了新的安全保障。

2020年10月，Arbe又推出首个2K高分辨率成像雷达开发平台，为客户的成像雷达系统设计带来颠覆性改变。

Arbe的解决方案小巧玲珑，重量轻且节能，成本可以承受，且完全可定制，可满足所有级别的车辆自动驾驶需求。

Arbe 4D成像雷达解决方案

2、传统雷达和4D成像雷达区别何在？

雷达系统是通过发射一个信号，并对环境物体的反射信号和发射信号的特性进行比较来估计目标的距离和速度。单发射机、单接收机雷达系统称为单输入单输出（SISO）。如果要估计物体的角度（方位角、仰角或两者兼有），就必须采用机械或电子扫描，因此，快速运动物体的角度估计不准确。

雷达工作原理

多个发射和接收天线的雷达被称为多输入多输出（MIMO）系统，包括多个发射天线和多个接收天线。

从而形成一个虚拟阵列，提供更高的分辨率。雷达性能与雷达中使用的 Tx 和 Rx 信道的数量有关，而使用 2x3 阵列将获得 6 个虚拟信道，Arbe 提供 48Tx 信道和 48Rx 信道，从而获得 2304 个虚拟信道的虚拟阵列。

多发射接收天线雷达系统

3、传感器尺有所长寸有所短

随着车辆变得更加电动化和电子化，ADAS功能的增加需要使用更多传感器，在安全技术得到提高的同时，也增加了汽车的复杂性、成本和重量。每种传感器都有其优缺点，所以业界普遍采用融合的做法取长补短。

摄像头及其他光学解决方案可有效检测目标、测量距离、提供精确成像和跟踪多个目标。但其视野有限，在恶劣天气、强光和阴影区无能为力，还存在隐私权问题。

普通雷达在恶劣天气下运行良好，可检测存在、方向、距离和速度，是一种强大而可扩展的解决方案。不过，其小天线阵列导致数据输出分辨率低，无法生成丰富的图像；其窄视场主要集中在一个轴上，角度分辨率有限，无法区分相邻的目标。

传统雷达和新型雷达的比较

激光雷达（LiDAR）可以精确探测到物体的细节，但同样也不适用于恶劣天气，而且价格昂贵。

可以看出，现在的传感器还不够成熟，不足以支持未来的自动驾驶。不过，4D成像雷达的突破性技术恰恰可以取长补短，在具备现有传感器所有优势的同时弥补其缺陷，在任何环境和条件下都能以超高分辨率探测物体，实现所需的安全级别。

4、为什么4D成像雷达分辨率更高？

无法区分威胁和误报警是导致自动驾驶车辆事故的主要原因。由于低空间分辨率的限制，无法按到达方向分离目标，同时保持低虚警，使雷达在汽车传感器中被降级为支持性角色。Arbe的4D成像雷达正在改变这一尴尬局面。

真实4D雷达图像

Arbe雷达生成的是一幅真正的4D雷达图像，在距离、方位、仰角和多普勒维度上都具有超高分辨率。这是通过高度可靠的目标检测、低旁瓣电平（SLL）和低虚警率来实现的。它几乎不出现虚对象，消除了假阳性和假阴性场景。

高分辨率成像除了中心和速度的精度高很多，还提供了有关被跟踪对象的更详细信息，如对象的方向和边界，使之与其他传感器（如相机）的融合更有意义。

无与伦比的物理分辨率

Arbe的高物理分辨率是竞争方案的2-10倍，支持每帧100000次以上的检测，具有市场上最高的点云密度。这源于其数字波束形成的48个发射和48个接收天线创建的2304个虚拟通道阵列。Arbe没有使用不可靠的合成或统计分辨率增强，如超分辨率（SR），而是利用宽孔径阵列，以低SLL提供1.25°方位角和1.5°仰角的物理3dB波束宽度，以提高动态范围的可靠性和安全性。这样就使Arbe芯片组在低信噪比（SNR）和多目标场景中仍然有效。高物理分辨率和高动态范围提供了分离各种物体的能力，例如卡车旁边的摩托车、卡在桥下的汽车和站在围栏旁边的行人或更换爆胎的车辆。

高分间分辨率和多普勒分辨率提供了卡车的方向信息

该系统还可以跟踪移动物体，绘制环境和静止障碍物地图，生成自由空间地图，既可路径规划，又能提供精确定位。

专家解释说，从物理学角度看，时间是第四维度，因为时间元素是从多普勒得到的。成像雷达实际上创造了一个阵列，使测量密度急剧增加。传统2D雷达比较粗糙，每个物体只产生一个点，而成像雷达可以提供许多点，产生的是垂直分辨率，可更好地了解被跟踪的物体到底是什么。

超高元素密度4D图像

换句话说，时间因素一直是雷达功能的关键。4D成像传感器的第四个要素是“横向分辨率”。4D成像雷达不仅能识别水平平面，还能识别垂直平面，例如，汽车可以决定是在物体的“下面”还是“上面”通过。

例如，一辆汽车在高速公路上以每小时80公里速度行驶，一辆摩托车（低反射率小物体）以每小时120公里的速度从后面驶来。与摄像头和激光雷达不同，4D雷达可以发现最初相距很远的摩托车，并识别出这两个物体在以不同速度移动；还可以显示一个物体是朝着自己移动还是向远处移动。

5、4D成像如何成为自动驾驶主角？

Arbe的全球第一个2K超高分辨率4D成像雷达平台消除了之前的分辨率限制，重塑了雷达。它能够以高分辨率评估距离、高度、深度和速度，在提供广阔视野的同时实现远程低虚警率。随着这项技术的进步，有望让雷达从辅助配件升级为从L2到L5安全自动驾驶的核心。

Arbe 2K超高分辨率4D成像雷达规格

归纳起来，4D成像雷达具有以下优势：

这样，ADAS系统就可以信任雷达读数，实现快速响应，并防止不必要的停车。所以，4D成像雷达为导航、路径规划和避障提供了基础，能够支持L4和L5自动车辆安全性和准确性方面的感测要求。

6、Arbe雷达开发平台的技术突破

Arbe雷达开发平台的技术突破点包括：按方位角和仰角的高分辨率分离物体；检测对象的方向和边界；消除假警报；具有超高的物理分辨率；减少相互干扰；无多普勒模糊。这些突破具体体现在以下六个方面：

Arbe雷达开发平台框图

7、加快商用进程

如今，雷达在自适应巡航控制（ACC）、盲点检测（BSD）和自动紧急制动（AEB）等安全系统中发挥着至关重要的作用。但目前市场上的雷达技术必须在有限视场的中等分辨率和宽视场的低分辨率之间进行取舍。

要实现L4和L5车辆，主机厂必须采用下一代传感技术，通过使用高分辨率成像雷达，在约1度方位角和2度仰角下，以4D高分辨率在100度广角范围内感知环境。

另一个很重要问题是过滤假警报的能力。为了提供最佳灵敏度，雷达通常使用最低检测阈值，因此会报告一些噪声，需要用后处理和跟踪来滤除随机噪声，而校准方案只能达到极低的副瓣电平。

为此，随着高分辨率成像雷达的出现，许多雷达供应商都迫切希望将雷达提升为唯一能够在恶劣天气和光照条件下工作的高速传感器。

为加快商用进程，Arbe 2K高分辨率成像雷达开发平台为Tier 1、主机厂和新晋参与者提供了彻底改变其成像雷达系统并增强其感知算法的能力。该开发平台提供以下组件：

在自动驾驶传感器套件中当然也需要光学传感器，而4D成像雷达因为解决了以下问题，使车辆能够达到所要求的安全性能：

2019年12月，Arbe获得了来自北京汽车集团和现代集团等机构的投资；目前正在与来自美国、欧洲、中国和日本的25家Tier 1和主机厂合作，开发基于Arbe成像雷达开发平台的新一代雷达系统。预计基于Arbe技术的雷达将于2022年搭载量产车辆。

8、成为行业标准指日可待

正是因为4D成像雷达的突出优势，整个行业正在将4D成像雷达作为自动驾驶传感器套件中不可或缺的重要元素，为自动驾驶车辆配备更灵敏的耳朵和眼睛，从而形成一个更安全的汽车市场。4D成像雷达也有望成为雷达的行业标准，对自动驾驶车辆产生深远的影响。