行业 | 4D radar 2020-2024

Hi, 好久不见~

距离我写 如何做好一款4D高分辨毫米波雷达 已过去4年时间，在这4年间，4D雷达行业发生很多事，在我看来有惊喜也有无奈，我们聊聊。

4D radar初出茅庐，乘风而上

近年来智驾浪潮风起云涌，应该说各主机厂必须将其视为核心竞争力之一。做好智驾感知是关键所在，也就是确保对行驶过程中的动静态环境准确感知。感知的基础是传感器，而其中毫米波雷达一直是不可或缺的存在。毫米波雷达的核心优势在于全天候属性以及Doppler精度较高，但明显受困于

○ 角度分辨率及精度，尤其是俯仰角分辨率及精度；

○ 多径，杂波干扰这是由毫米波本身的电磁特性所决定的。

角度分辨率不足导致雷达输出点云稀疏，无法实现对诸如道路结构，静态目标的细致刻画；多径，杂波干扰引入了虚假目标（ghost）。

这些问题严重限制了毫米波雷达的应用范围，所以实际应用中我们主要还是利用毫米波雷达的测速（径向速度）优势，比如ACC以及BSD等ADAS功能，这些功能充分利用了雷达径向测速的优势。颓势直到4D毫米波雷达的横空出世才被抑制。

▲ 4d imaging radar perception illustration (source NXP)

2020年后逐步涌现的4D毫米波雷达(以下简称 4d radar), 很大程度上解决了上述问题，可以说是一雪前耻。不仅保留且增强过去传统毫米波雷达的优势，还弥补了诸多劣势, 诸如

角度分辨率显著提高：能够对道路结构，动静态目标轮廓进行细致刻画；

引入真实的高度信息，能够实现对目标的高度实时跟踪。

抗干扰能力提升，尤其对多径等干扰有了更加多元的处理方式，比如ML；

动态范围提高：传统雷达对一些弱反射目标的检测，会存在漏检或误检的情况，4d radar显著改善这一状况；

测距精度，测距范围，多普勒精度等方面均有大幅提升；

价格没提高太多，远低于Lidar；

如此翻天覆地的变化，让我们对4d radar 的前景有了美妙的想象空间，资本市场也为此雀跃，传统Tier1 加码，初创公司涌现，一时间风光无两，毫米波雷达迎来久违的春天。

回顾过去4年，有幸见证了4d radar的快速发展，看到了4d radar所蕴藏的巨大潜力和能量，同时呢，也注意到这条发展之路没有想象中那么平坦。过去4年，我主观列举一些标志性事件，

• Waymo 首次车端应用4d radar，2020 Continental ARS540 发布 2020.9（Continental 2016年开始研发，2021正式推向市场）Aptiv 提出SVA架构，引入卫星雷达，2020Arbe公司以SPAC方式在纳斯达克上市，2021上汽R ES33搭载 ZF 4D imaging radar,  2021HUAWEI 推出高分辨4D成像雷达 2021Mobileye 发布software-defined radar 2022CALTERAH 发布Andes Platform 2022WHST 2片级联4d radar亮相 L7 2023Xretinai发布准空气集成波导天线技术AIW 2024

在这些标志性的事件中，我们惊喜得看到4d radar有了实打实的落地，比较标志性的像上汽R ES33搭载 ZF 4D imaging radar（虽然没什么量哎），以及搭载森思泰克 2 cascaded chip 4d radar亮相理想 L7 2023。Arbe的成功上市也表明资本市场对成像雷达的认可。我们再挑其中几个事件简单聊聊。

A, Continental ARS540 发布

ARS540是真正意义上全球第一款4D成像雷达，Continental作为全球车载雷达的领导者，从它的雷达研发编年史也大致反映了车载毫米波雷达的技术发展历史。如为ACC而生的ARS100, 77GHz雷达巅峰的ARS400，首次引入单芯片集成处理方案的SRR510, 首次应用波导天线技术及FPGA处理方案的ARS540。

如今，Conti radar秉持更小的尺寸，更强的性能方向演进。2023年，ARS600/SRR600系列亮相。

全系标配波导天线。由此带来更远的探测距离，以及更宽的方位FoV。以5代采用微带天线的雷达作为对比，ARS510 210m@0°，而ARS620 280m@0°  ，而FoV方面，ARS510 ±50°，而ARS620 ±60°  ，SRR6xx/SSR6xx FoV更是达到丧心病狂的±81°。可以看到，波导天线技术性能卓越，是后续毫米波雷达的重要技能树。其实不仅是Conti，Aptiv， BOSCH等都发布了自家的带波导天线技术的雷达产品，国内领瞳科技发布准空气集成波导天线技术AIW。

波导天线势必将成为主流。

算法方面，角度维的性能塔尖一直是兵家必争之地。得益于超分辨算法的引入，ARS600 角度维性能大幅度提升，如下图所示，引入Azimuth HRT后，对并排放置的角反检测能力由原来的60m提升至120m。超分辨算法也将是后续毫米波雷达的重要技能树。

谈到ARS540的继任者，也就是下一代imaging radar, ARS640，Continental India 研发总监Canesh Rao提到,

It provides the best radar performance for critical use cases in urban and highway scenarios. It is based on the 5th generation of imaging radars, updated cyber security features, sophisticated interference robustness, and significantly reduced power consumption.

https://www.mobilityoutlook.com/conversations/4d-imagings-real-time-object-recognition-aids-automated-driving/

主要升级为网络安全，抗干扰尤其是雷达间干扰，大幅度降低功耗（ARS540功耗贼高）。

B, HUAWEI推出高分辨4D成像雷达

这里我想提下HUAWEI，2021，华为首次发布4d成像雷达，感兴趣的可以看看，行业 I 华为ADS成像雷达方案剖析，这里不再赘述，而后数年一直没啥动静，最近浅浅的发布4T4R radar新品。HUAWEI或许有意放缓4d radar研发节奏。放缓4d radar研发节奏正是4d radar的内在隐忧，后文详述。

4D radar方兴未艾，百家争鸣

过去几年，4d radar方案百家争鸣，包括级联，特殊芯片方式，软件算法等等，但这基本都基于FMCW机制，这里我想聊聊基于PMCW体制的4d radar。

PMCW，即相位调制连续波(Phase-modulated continuous wave, PMCW)，采用诸如二进制码等编码方式对载波进行相位调制后发射、接收和处理，进而获取目标距离、速度以及角度信息。PMCW雷达利用高速ADC，直接测量发射和接收信号之间的延迟，并通过相位编码调制波形显著降低副瓣，解决了FMCW雷达固有的静态目标问题。因此，与FMCW相比，PMCW雷达具有显著的优势，包括更高的精度、更低的误报和更宽的动态范围。

Uhnder, Phase-Point

phasepoint 公司采用PMCW方案构建4d radar，demo效果如下图所示，车辆旁边两个缓慢走动的小孩清晰可辨，展现出优秀的高动态范围特性。高动态范围同时能够带来更远的探测距离，这些都是4d radar非常关键的指标。同时PMCW技术具有相当优秀的抗雷达间干扰能力。这些特殊的技能点使得PMCW技术会成为今后4d radar重要的演进方向。

4D radar发展趋势及方向

Lidar,radar,camera 3种传感器本质上只是感知环境的电磁波的频段不同，其中，由于Lidar与Camera频段接近，存在冗余信息，而radar能够提供差异化信息，这使得对于高阶智驾，radar必不可少，不能被替代。

▲ Levels of ADAS and autonomous driving (source NXP)

4D radar在静止目标识别、横向目标跟踪、高度识别、高动态和探测隐藏车辆等方面优势凸显，低成本实现对静止目标、运动目标和场景结构的综合感知。但，目前4d radar市场仍在培育，技术手段也未未收敛。站在4d radar厂商角度，4D radar的技术研发和量产投入远大于传统毫米波雷达，由于技术手段未收敛，每种技术形态都有尝试的可能，这其中还需要符合严格的汽车安全标准和认证，这些成本高昂标准和认证过程周期还特长。但这些必须要做，并且做的不好也会打乱自身的市场节奏，一般公司耗不起。站在车企角度，虽然4d radar显著提升了目标的置信度，尤其是静止目标。但这种置信度是否获得车企信任还有疑问，目前车企大部分即使用了4d radar, 也只是解锁了3d radar的能力。

另外，4d radar不同于其他传感器，车企应用有难度，需要较长周期。这种情况下，车企往往依赖于外部供应商提供的算法和技术支持，以实现高级感知和自动驾驶功能集成，导致车企与厂商的配合磨合周期进一步拉长。这些都是4d radar（尤其是4芯片级联）节奏放缓的原因。HUAWEI或许意识到多芯片级联4d radar 上述制约因素，以目前的状况，投入产出不成正比，因而可能放缓其多芯片级联4d radar研发推广节奏。
说了那么多，我对未来4d radar有如下预测：

• 4片级联雷达更具有“秀肌肉”属性，远没有“飞入寻常百姓家”的状态，以目前的白热化程度，拿业务属性显然更重要；6T8R相比3T4R性能有质变，考虑到系统复杂度、成本，周期等因素，4片级联将放缓，4d radar 将以轻量化的两片级联或单芯片为主；随着中央域控带来的算力提升，雷达帧率进一步提高，以卫星架构为支撑，将于camera构建数据级乃至IQ级fusion. 实现多模态传感器融合；基于RSP的点云生成存在瓶颈，基于AI的点云增强将走向台前;ML/DL技术在ghost干扰抑制，object 跟踪，目标识别，角度超分辨等方向广泛应用；PMCW快速渗透，你车上的下一台雷达何必是FMCW；FPGA+DSP混合基带处理架构；波导天线技术将成为主流；国产芯片进一步发力，4d radar厂商，车企以及芯片厂商的沟通联系将会比以往更加紧密，只有齐心配合，4d radar才能普及得快；

凡是过往，皆为序章，工信部、发改委等11部门于2020年2月联合发布了《智能汽车创新发展战略》，其中大力支持车载雷达等传感器的发展，车载雷达正是春风得意马蹄疾的时刻。

中国有比其他任何国家更加完善的产业链，上下游资源，市场。

所以我们需要建立起对4d radar 的信心，一往无前。

*参考文献：
1.  https://www.mobilityoutlook.com/conversations/4d-imagings-real-time-object-recognition-aids-automated-driving/2. https://www.nxp.com/company/blog/the-importance-of-imaging-radar:BL-THE-IMPORTANCE-OF-IMAGING-RADAR3. https://www.thinkautonomous.ai/blog/fmcw-lidars-vs-imaging-radars/4. https://phase-point.com/home5. https://provizio.ai/technology/6. https://www.continental-automotive.com/en/components/radars/long-range-radars/advanced-radar-sensor-ars620.html7. RaTrack: Moving Object Detection and Tracking with 4D Radar Point Cloud, https://arxiv.org/abs/2309.0973