Arbe雷达的自由空间映射是何方黑科技？

如果你在百度上搜索“雷达自由空间映射”，相信你只会看到一家相关的公司名字：Arbe。是的，这家以色列雷达公司的感知成像雷达能够在所有环境条件提供有效感知，创建完整且精准的自由空间映射，进一步确保自动驾驶的安全性。

2023 CES电子消费展上，Arbe展示了感知成像雷达的自由空间映射技术，并凭借其360°环绕式雷达感知技术荣获CES2023创新奖。Arbe感知成像雷达能够实现高分辨率环境感知，在车辆周围创建精准的自由空间映射，为自动驾驶的安全性铺平道路。由此可见，这家新一代感知成像雷达芯片组解决方案领军企业正在引领一场雷达革命。

Arbe的感知成像雷达是自由空间映射的关键，那么到底什么是自由空间映射，自由空间映射能够为车辆带来什么，这篇文章将深入进行探索。

何为自由空间映射技术？

自由空间映射（FSM，Free Space Mapping）是通过对目标的位置、距离和高度等信息的综合考量构建出精确的环境地图，给出可行驶区域（Free Space）的技术。它利用数据可视化处理，将自由空间映射结果直观呈现给驾驶员或自动驾驶系统，用来实现障碍物检测、道路边缘检测、车道保持辅助等智能驾驶功能。

要支持自动驾驶的自主决策，首要条件是能够区分即时驾驶环境中的可驾驶和不可驾驶区域。而自由空间映射恰恰是将4D成像感知雷达检测到的目标信息绘制在三维空间中的过程，其实现的对车辆环境的可靠估计是导航、路径规划和避障的基础。

自由空间映射给车辆带来了什么？

自由空间映射是成像雷达的核心能力之一，它可以通过多目标检测和追踪、三维环境感知以及精确目标识别等实现对环境中物体准确、全面的感知，为自动驾驶、智能交通和其他应用领域提供重要的支撑。

当前自由空间映射的局限性

自由空间映射是一个为驾驶环境提供鸟瞰图的2D地图，也是一张距离方位图。地图上的每个像素代表着可以行驶的相应的距离和方位角。事实上，区分与驾驶无关的障碍物（如突起路标）和应该避让的障碍物（如路上的轮胎）取决于仰角分辨率，这也使成像雷达对自由空间的测绘变得至关重要。

尽管光学传感器提供了足够的方位角和仰角映射，也是自由空间映射的常用传感器，但它缺乏可靠的远距离分辨率和足够的深度感知，无法准确测量路径规划所必需的目标距离。光学传感器还会受极端天气和光线条件的影响。因此，为了保证车辆安全，需要由能够在所有天气和照明条件下正常运行的雷达来提供高度准确的目标距离映射，这使成像雷达成为光学传感器的理想（也是唯一必要的）补充。

自由空间映射是自动驾驶的关键功能之一。为了保证极高的准确性，自由空间映射不能只由光学传感器来实现，还需要具备冗余性。将雷达传感器和摄像头传感器进行融合创建自由空间映射，不仅可实现冗余，提供故障安全机制，还可以利用不同传感器的优势覆盖更大的范围。

传统汽车雷达以距离、方位角和多普勒三个维度测量物体，在实现自由空间映射方面往往力不从心。在分辨率方面，5度（或以下）的雷达无法为驾驶场景提供足够详细的占位栅格（occupancy grid），它所看到的物体似乎比实际大得多，不能感知其边界和确切位置。传统雷达除了方位角分辨率较低，还缺少仰角分辨率，会将所有静止物体都视为障碍物，仅限于紧急制动和自适应巡航控制等移动车辆的检测。尽管基于雷达的后处理算法可提高检测阈值，却使灵敏度降低，误报率很高，有可能导致危险情况甚至事故。

另外，大多数雷达系统都无法提供所需的冗余级别。特别是在L2+级和NCAP安全性方面，现有的雷达也有潜在风险，例如角度分辨率非常有限，会导致错过行人和骑行者等弱势道路使用者。此外，现有雷达依赖多普勒分辨率检测物体，可能导致无法检测静态物体。如果缺少高仰角分辨率就无法测量高度，也无法确定物体的位置，更无法实现路径规划。低仰角分辨率无法支持感知算法，也无法实现自由空间映射。此外，传统雷达的计算能力和内存大小也限制了同时跟踪多个目标的能力。

激光雷达（LiDAR）可以为中程感知提供令人满意的自由空间解决方案。它不直接测量多普勒，而是依靠跟踪来确定哪些物体是静止的。一些激光雷达具有0.1°的超高分辨率，比雷达的1°高很多；但是，这对自由空间映射并没有太大意义，因为驾驶决策需要宽安全裕度，且不能在0.1°分隔率上执行。考虑到激光雷达的成本和恶劣天气条件下的有限功能，它更适合作为成像雷达和摄像头传感器套件的备用传感器。

不言而喻，自由空间映射的关键传感器是成像雷达。Arbe的成像雷达是第一个解决了上述问题并为车辆自由空间映射和增强安全性带来高价值的成像雷达。它具有高灵敏度、高分辨率、全空间传感（包括仰角）和全天候全可视性能，是解决基于对比度的自由空间映射的光学传感器的完美补充。

Arbe的成像雷达给车辆带来了什么？

Arbe的4D成像感知雷达首次在汽车雷达中实现了基于雷达的实时自由空间映射，通过对道路上的物体进行分类，再结合时间信息以四维（三维空间+速度）点云形式展示在环境地图中，实现精确的环境感知和动态目标跟踪，有助于智能驾驶做出正确的决策。

在检测静止物体、确定道路形状和曲率方面，Arbe的4D成像感知雷达也非常有效，能够绘制出需要避开的护栏、混凝土墙、停在车道内的车辆等物体。其较多的通道数可改善成像中的空间分离，先进的后处理功能可减少虚警，消除虚警情况，误报接近于零，从而生成车辆可以依赖的自由空间映射。

Arbe成像雷达的技术优势

实现自由空间映射需要高精度雷达，这就需要使用大量天线通道阵列的助力。这看起来并不复杂，但实现起来并不容易。传统雷达由接收和发射通道有限的小通道阵列组成，市面上的雷达多由12个虚拟通道升级至192个虚拟通道。而Arbe的高分辨率成像雷达有2304个虚拟通道，由48个接收通道和48个发射通道以及雷达芯片组中包含的处理器芯片组成。通道数量的增加无疑会提高感知能力，但处理能力是一个很大的挑战。通常处理192个通道需要使用FPGA，Arbe则使用了专用处理器来加载多达2304个通道的数据。

此外，传统雷达难以检测水平运动。Arbe 4D成像感知雷达能够在远距离和宽视野下检测多普勒（移动物体的方向和速度），在高分辨率、全面感知和误报方面明显优于传统雷达，这是因为角度分辨率的提高大大扩展了汽车自由行驶区域的映射范围。

Arbe 4D成像感知雷达还能够提供高分辨率的仰角成像，其物理分辨率达到1°方位角和2°仰角，视野宽度达到100°方位角和30°仰角，可在350米范围内以每秒30帧（接近实时）的速度同时跟踪数百个目标。它能够区分行驶环境中的不同目标，判断是否需要避让。在任何天气和光照条件下，Arbe 4D成像感知雷达都可以识别关键目标或障碍物（如坑洞或桥梁），引导汽车安全行驶。

值得一提的是，Arbe先进的后处理算法结合了时域、频域和空域处理方法，完全基于成像雷达，而不需要其他传感器来测量速度、角度和其他参数。其后处理算法可以准确识别和提取出目标的位置、速度和形状等特征信息。这些信息包括：实时计算自车行驶数据；追踪和区分目标，全面了解汽车周围环境，感知车辆周围环境中的无障碍空间；对动静态目标进行映射；以所有维度分析超高分辨率数据，呈现可行驶区域。

合作开发新一代成像雷达系统

一年来，Arbe与国内外厂商的合作可谓紧锣密鼓。2022年Arbe与全球15家头部整车厂中的12家展开了合作，与此同时，Arbe深耕中国市场，拓展在华业务，得到了中国合作伙伴的高度认可。

2022年10月，Arbe携手维宁尔(已被麦格纳收购)为车规级安全和高级驾驶辅助系统开发下一代雷达。Arbe提供的芯片解决方案包括48×48信道的高分辨率远程雷达及24×12信道的360°环绕式雷达。

2022年年底，Arbe获得经纬恒润首个商业订单，为后者提供34万个雷达芯片组，供2023年和2024年参与整车厂和自动驾驶项目应用，基于Arbe感知雷达芯片组开发的雷达解决方案将在2023年实现量产。

今年上海车展期间，Arbe又与威孚高科和滴滴自动驾驶货运公司KargoBot达成战略合作。三方将共同挖掘具有战略意义的新产品、新技术，在中国建立品牌推广、产品营销、技术提升、人才培养合作平台，推进4D成像雷达在自动驾驶领域的研发及商业化应用。

今年7月份，Arbe宣布获得中国汽车市场知名一级供应商威孚高科千万美元订单。Arbe与威孚高科自2019年以来就展开合作，为汽车行业的发展做出了重要贡献。基于Arbe的雷达芯片组，威孚高科专注于开发雷达系统，为整车厂、卡车、商用车以及交通运营等提供定制化感知雷达系统。

总结

Arbe的成像雷达具有真实且准确的环境感知能力，对于自动驾驶系统的安全性和性能至关重要。它完美解决了传统雷达的痛点，此外，性能意味着大量的通道，Arbe雷达芯片组也解决了这一挑战。

Arbe的成像雷达可满足自由空间映射的关键要求，无论照明或天气条件如何，在远距离探测中都具有较高的可靠性，而且在所有维度都具有高空间分辨率。此外，其互补的高多普勒分辨率能够有效区分静态检测和动态检测。这些功能使成像雷达成为了实现实时自由空间映射必备的传感器套件，也将为自动驾驶感知和自主决策赋能。