馬斯克看上的4D成像雷達路在何方

今天小編分享的汽車經驗：馬斯克看上的4D成像雷達路在何方，歡迎閲讀。

撰文 / 錢亞光

編輯 / 周洲

設計 / 趙昊然

剛過完 " 五一 " 小長假，蔚來汽車宣布與恩智浦達成合作，将在新車上搭載恩智浦的 4D 毫米波雷達，相關車型可能會在 2024 年量產交付。

此前的 4 月，蔚來和小米剛投了賽恩領動，融資規模超過億元，主要用于 4D 成像雷達量產研發與工業化落地。幾乎同時，4D 高精度成像雷達企業牧野微電子，也宣布完成億元 Pre-A 輪融資。

今年以來，至少有 6 家 4D 毫米波雷達企業拿到融資，總額達 10 億元。

繼特斯拉 HW4.0 平台硬體上加入 4D 毫米波雷達之後，被伊隆･馬斯克看中的 4D 毫米波雷達之賽道又來了一波熱度。

據 Yole 預測，到 2027 年，全球毫米波雷達的市場規模将達到 128 億美元，其中 4D 成像毫米波雷達的市場規模為 78 億美元，占據毫米波雷達市場的 61%。

高工智能汽車研究院預計，2023 年中國乘用車市場前裝 4D 毫米波雷達将突破百萬顆，到 2025 年 4D 成像雷達占全部前向毫米波雷達的比重有望超過 40%。

預計到 2030 年，全球車載 4D 毫米波雷達市場規模将達到 161.56 億美元。

德邦電子研報顯示，毫米波雷達結構可分為射頻前端，信息處理系統以及後端算法。射頻部分占比約 40%，其中 MMIC（25%）、PCB（10%）、控制電路（5%）；信息處理系統 DSP 占比 10%，後端算法占比最高達 50%。

在產業鏈裏，上遊是提供射頻前端 MMIC 芯片、數字信号處理器、高頻 PCB、後端算法等企業；中遊是組裝生產廠商；下遊是各類主機廠。

上遊，MMIC 芯片目前主要來自恩智浦、英飛凌、德州儀器、Mobileye 等海外芯片設計公司，國内廠商有加特蘭微電子、清能華波、矽傑微電子等；PCB 方面，有 Rogers、Isola 以及國内的滬電股份、生益電子、深南電路等。

中遊，在整機 / 解決方案供應商方面，傳統 Tier1 普遍采用級聯技術在 4D 產品量產方面走在前列，比如博世、大陸、采埃孚、海拉等，國内主要供應商包括經緯恒潤、威孚高科、華為、經緯恒潤、聯合光電、華網域汽車、森思泰克、福瑞泰克、雷克防務、木牛科技、承泰科技、縱目科技、聯合光電、幾何夥伴、楚航科技、行易道、賽恩領動等。

在下遊，寶馬 iX 搭載了大陸集團的 ARS540；飛凡 R7 搭載了采埃孚 Premium 雷達；深藍 SL03、理想 L7 搭載了森思泰克的產品；問界 M5 搭載了縱目科技的 4D 毫米波成像雷達。

4D 毫米波成像雷達賽道為什麼能這麼火熱？這主要是由它的特性決定的。

3D 毫米波雷達是一種使用波長 1-10mm 電磁波的雷達傳感器，它根據多普勒效應，能獲得距離、移動速度、水平角度三個維度的信息，但分辨率差、行人反射率低，還有噪聲和多徑效應等短板，不能很好地識别靜止物體、物體高度或者區分相鄰障礙物，容易導致駕駛系統誤判。

而 4D 毫米波成像雷達，在傳統毫米波雷達基礎上，增加了高度（俯仰角）維度的感知信息，具有縱向空間的感知能力，低角度分辨率可以提升至 1 度甚至 0.5 度，能識别障礙物的輪廓、類别和行為。

Arbe Phoenix 4D 毫米波雷達點雲

因此，4D 毫米波成像雷達有更高的分辨率，能產生類似激光雷達的目标點雲，可以形成點雲成像級的輸出，并能随着時間的變化跟蹤這些數據。

禾賽 AT128 激光雷達點雲

和激光雷達相比，4D 毫米波成像雷達未來或可在分辨率上逼近 16-64 線的激光雷達，與主流車載激光雷達 128 線、256 線的探測能力存在非常大的差别。

但高頻毫米波穿透力強，能全天候運行，在惡劣天氣下也能保證檢測效果，而且其探測距離也更遠，最遠可達到 300m 以上（超過大部分激光雷達）。

能否替代激光雷達

那麼，4D 毫米波成像雷達未來有沒有可能在自動駕駛系統中替代激光雷達呢？

從業界反應來看，完全替代是不可能的，但某些領網域有可能，比如在 ADAS 輔助駕駛領網域。

恩智浦半導體執行副總裁兼射頻處理業務部總經理 Torsten Lehmann 表示：" 随着 4D 毫米波雷達的發展，不僅可實現高達 300 米到 350 米的探測距離，且可非常精準地 4D 映射環境，達到接近于激光雷達的高分辨率，同時對周邊環境也可形成清晰的點雲陣圖，提供全面的清晰感知。"

但對高級别自動駕駛來説，他不認為成像雷達可以替代激光雷達，對 L3 以上的自動駕駛車輛體系應該是有雷達、攝像頭、激光雷達三種不同的感知體系，實現互相補充、冗餘的功能從而确保最高的安全性。

他表示，4D 雷達可能會蠶食一部分激光雷達的市場，主要是針對 L1 到 L2+ 這種體量較大、相對來説自動駕駛級别比較低的市場。在這部分的市場中，恩智浦會有攝像頭加雷達的組合，但是最終的取舍還是要取決于廠商的不同理念。

作為全球最早使用 CMOS 來設計毫米波雷達芯片的公司之一，加特蘭微電子科技公司技術總監劉洪泉告訴汽車商業評論："4D 毫米波雷達和激光雷達不太适合直接比較，從探測距離來講，通常長距離激光雷達探測距離在 200 多米，但主流 4 片級聯 4D 毫米波成像雷達，都能看到 300 米以上，而且在 200 米左右的距離上，還能比較清晰地把道路邊緣描繪出來。"

激光雷達的點雲更密、更直觀，類似于攝像頭采集影像，基本上從激光雷達回波的點，就能看出檢測的物體是一輛車。如果是 4D 成像雷達，即使在點雲非常密的情況下，也只能看出是車的輪廓，還得通過特定的算法，判斷出這些點是否屬于同一個反射物，才能确定它是不是這輛車。

因此，激光雷達和毫米波雷達不是一個簡單替代的關系，但是在某些場合，比如在 L2 輔助駕駛上，就可以采用 4D 毫米雷達加攝像頭形成系統，而不用激光雷達。一方面是要考慮成本，這個系統肯定比激光雷達要經濟；另一方面要考慮使用情況，這種系統已能滿足 L2 輔助駕駛絕大多數場景的需求。

劉洪泉認為，如果是 L3 以上自動駕駛，對傳感器冗餘的要求會更高，可能激光雷達、毫米波雷達和攝像頭等所有傳感器都會參與感知，而且傳感器都要是最高端的，因為它要做融合，增加安全冗餘，這時可能就不能只考慮成本，還要考慮使用安全。

上海車展上，彼歐集團（Plastic Omnium）創新事務執行副總裁 Alexandre Corjon 在接受汽車商業評論采訪時表示：" 我們堅信市場上不會只有一種類型的車輛傳感器。我們将帶來一些非常創新的 4D 毫米波雷達產品和解決方案，它們将取代一部分傳感器，而不是所有的傳統傳感器。"

成本還能大降嗎

據中銀證券研報，4D 毫米波雷達價格在 1500-2000 元左右，短期内遠低于激光雷達。那麼 4D 毫米波成像雷達未來會不會像 3D 毫米波雷達一樣，出現數量級幅度的大降價呢？

劉洪泉認為，4D 毫米波雷達基本上很難復刻 3D 毫米波雷達的降價節奏。MMIC 芯片與天線是構成成本的重要組成部分，而芯片材料更新和工藝改進是毫米波雷達成本下降的最重要因素。

最早的毫米波雷達，射頻部分只能用砷化镓（GaAs）的工藝來制造，不管是材料成本和制造成本都比較高，對于生產線要求也很高，而且集成度很低，設計工藝比較復雜，整體良率也比較低，所以特别貴。

從 2009 年開始，鍺硅（SiGe）工藝逐漸代替砷化镓工藝，材料成本比砷化镓便宜了一大截了，同時毫米波雷達前端射頻芯片集成度也大幅提升，導致整個系統成本降低 50%。

到 2017 年以後，鍺硅工藝切換到了 CMOS 工藝，CMOS 晶圓價格便宜且集成度更高。以此工藝生產的單芯片雷達既包含收發機，也包含處理器，導致毫米波雷達成本進一步下降。現在 3D 毫米波雷達中只需要配備 1 顆射頻芯片，成本降低至 30 美元左右。

但這種降價的歷史在 4D 毫米波雷達上基本上不可能重演了，因為現在半導體工藝基本上已經固定在 CMOS 工藝上了，不太可能出現之前由于半導體工藝變化導致的突變式價格下降。

不過 4D 毫米波雷達肯定還會降，一是因為随着時間往前推移，半導體材料價格會持續下降；二是因為随着規模效益帶來的成本攤薄，整機成本也會下降。

福瑞泰克已經實現量產的 4D 成像雷達—— FVR40

對于 4D 成像雷達的價格趨勢，Torsten Lehmann 認為，成本和性能之間是有一個取舍的并且需要一個平衡，在不同的細分市場有着不同的關注點，比如對低端的市場來説可能是成本驅動的，對高端市場來説則是性能驅動，所以并沒有一刀切的答案。而降本不僅僅是在芯片本身，還在系統層面的創新。比如在天線架構的設計上有很多的巧思，在使用原材料方面控制成本，提升天線、封裝技術等等很多節約成本的創新舉措。

而彼歐集團智能外飾系統事業部高級技術總監 Mathieu Bancelin 則認為，傳統的三維雷達是成熟產品，其成本下降的曲線已經建立起來。4D 成像雷達在開始時成本會很高，但随着時間的推移，它們将迅速進入與傳統 3D 雷達相同的成本下降曲線。

他認為，4D 成像雷達的降價主要取決于兩個因素。首先，它取決于部件（雷達芯片組、微控制器等）的價格，這些部件的價格總體趨勢上是下降的；其次，涉及到規模，随着產量的增加，價格也會相應下降。

未來怎麼發展

毫米波雷達測速和測距性能進步主要取決于 MMIC 芯片和射頻天線性能的提升，而 4D 毫米波雷達未來将向着高集成化、低成本和小體積方向發展，單芯片内的部件排布更為緊密，減小毫米波雷達體積，也降低功率損耗，提高信息傳輸效率，減少開發難度和成本。

目前 4D 毫米波雷達發展的技術路線主要有級聯、級聯 + 虛拟孔徑成像技術以及集成芯片三條。

特斯拉采用 TI 芯片的雙級聯 4D 成像雷達

4D 毫米波雷達主流產品是采用級聯方案，通過級聯多個 MMIC 芯片來排布縱向天線，同時增加實體天線 MIMO（虛拟通道數），從而達到提升分辨率和獲取高度信息的目的。

級聯方案通常應用德州儀器、英飛凌、恩智浦等公司的标準雷達芯片，四片級聯，就是将 4 個芯片聯在一起，組成 12 發 16 收，形成 192 個虛拟收發通道，以此增加提升雷達系統的角度分辨率。

由于該方案基于成熟芯片打造，前期開發難度低，效果和可行性更好，有利于加快產品上市節奏。不過，由于級聯方案由多顆芯片級聯而成，產品尺寸較大、功耗較高，而且天線之間存在互相幹擾的問題。

Torsten Lehmann 表示，恩智浦針在高端成像雷達采用的是芯片組方案，在成像雷達系統中會包括處理器和 2-4 片 MMIC 芯片、電源管理芯片、CAN 總線接口和以太網接口。通常需要配備盡可能多的天線，能夠實現非常高的性能，接近于激光雷達的分辨率。

恩智浦針對 4D 成像毫米波雷達主要包括第二代 CMOS 射頻芯片 TEF82 系列和後端信号處理芯片 S32R45 系列和 S32R41 系列。

而劉洪泉介紹，加特蘭是将射頻天線和處理器集成在一個 SoC 芯片裏，而市面上現在做這種芯片的只有加特蘭和 TI，其他的公司包括恩智浦、英飛凌，產品解決方案都是把射頻天線和數字處理部分分開的。

加特蘭的 4D 成像雷達芯片叫做 Andes，是采用 22nm 制程的 4 發 4 收 SoC 芯片，包含多核 CPU、DSP 與 RSP，擁有超強的算力，靈活的架構，可滿足不同使用場景與波形需求，并能簡化開發過程，适應日益增長的安全需求。

由于加特蘭的產品不需要在收發芯片之外另加處理器，可支持多顆 SoC 芯片直接級聯，因此用的芯片更少，軟體設計與運行更為簡化，還支持分布式信号處理，所以在靈活性、計算能力上都有優勢。

級聯 + 虛拟孔徑成像（VAI）通過虛拟孔徑成像技術，借助算法進行相位調制，将原有物理天線虛拟至十倍甚至數十倍，使得每根接收天線在不同時間產生不同的相位響應，角分辨率能夠從 10 ° 提升至 1 °。

與級聯方案相比，該方案使用芯片數量更少，有利于縮小產品尺寸，降低產品功耗，而且不依賴于特定廠商的芯片方案，兼容度更高。虛拟孔徑成像技術以及獨特的天線設計，在測高能力、角分辨率、抗幹擾性等關鍵性能方面更具領先優勢。

采用這種級聯加虛拟孔徑成像技術的代表性廠商是傲酷，采用虛拟孔徑成像技術後，虛拟通道越多，接受的信号就更完整，探測結果就越清晰，在分辨率上，其單芯片就可以達到别的各公司四級聯產品的效果，雙級聯可達到别的公司六級聯的效果。

據彼歐集團智能外飾系統事業部高級技術總監 Mathieu Bancelin 介紹，彼歐和 Greenerwave 的 4D 成像雷達使用大型芯片制造商的現成雷達芯片組，結合分置于保險杠上的可擴展巨型波束成形天線，将保險杠變成一個大孔徑雷達，并通過智能算法和軟體，以減少對處理能力的需求。

這項技術在大視場（>180 °）上呈現出出色的成像性能（分辨率 <0.5 °），能用一顆 4D 成像雷達取代前保險杠上的 3 顆雷達（前向雷達 +2 顆角雷達），從而簡化了平台的電子集成度。智能算法也可以幫助整個系統用可觀的處理能力和低電力消耗實現多雷達模式。這個產品預計将于 2026 年底或 2027 年初投放市場。

集成芯片方案是将多發多收天線集成在一顆 ASIC 芯片裏，能以市場上每通道最低的成本實現了最先進的射頻性能，提高分辨率。由于集成度更高，這種方案可大幅縮小體積，降低產品功耗，數據處理更加高效，很可能是未來的主要發展方向。

不過，集成芯片方案的實現難度也要比級聯方案高出許多，比如在極小密閉空間裏布置更多天線，克服天線之間的互相幹擾問題，另外，ASIC 是不能對功能做大幅度調整的。

Torsten Lehmann 強調，通過設計和封裝技術的創新，實現單芯片方案不僅在性能上得到了增強，還可實現更小體積、更低功耗、更低成本，也将反過來促進其進一步的落地。

主要挑戰在于，如何在極小的密閉空間裏布置多天線、克服天線之間的互相幹擾問題、解決降低功耗、散熱問題和提升信噪比，而且芯片方案對技術要求更高，承載方案 ASIC 芯片流片後就不能對功能做大幅度調整。總的來説，目前集成芯片技術尚未完全成熟，成本較高。

根據 Vehicle 數據，現階段集成芯片方案的 4D 毫米波雷達單價約為 300-400 美元，級聯方案則為 150-200 美元。