PCB部落格 - 車載毫米波雷達的歷史

1941年6月22日，儘管損失了1977架飛機和2585名飛行員，納粹德國仍然無法獲得英吉利海峽的制空權，更不用說通過空襲擾亂英國的地面和海軍部隊了。 它不得不放弃入侵英國的“海獅計畫”。 持續一年多的英國空戰以納粹德國戰敗告終。 英國之所以能够抵禦德國戰車的攻擊並贏得英國空戰（主要是因為戰車無法渡海），除了“噴火”和“颶風”等藝員戰機發揮的巨大作用外，幕後還有一比特偉大的英雄——被稱為“鏈家”的反空雷達。

世界上第一個實用的雷達是由英國科學家、發明蒸汽機的詹姆斯·瓦特的後代羅伯特·沃森爵士研製的。 為了儘早向納粹飛機發出預警，英國空軍於1936年5月决定在中國大規模部署此類雷達，這是“本土鏈”雷達的原型。 到1939年初，共有20個雷達站投入使用。 在納粹德國的“海獅計畫”實施之前，英國已經建成了兩個雷達探測網絡，共有51個雷達站。 這些雷達為抵抗德國空軍的空襲做出了重要貢獻，從那時起，毫米波雷達在各個領域的隨後80年的廣泛應用開始了。

在車載毫米波雷達研究方面，歐美國家也一直走在世界前列。 博世、大陸、海拉等公司壟斷了全球市場。 毫米波雷達在汽車領域的應用可以追溯到20世紀80年代初。 一些歐美國家的大學和研究機構已經逐漸開始研究車載毫米波雷達科技。 20世紀80年代中期，歐洲製定了“PROME the US”，這引發了歐洲、日本和其他汽車國家對雷達科技的研發。 1995年，三菱汽車首次在Diamante上使用基於毫米波雷達的“預覽距離控制”系統。 然而，該系統只能被視為自我調整巡航的早期版本，因為它只通過控制油門和降檔來降低車速，而不會干擾制動器本身。 直到1999年，梅賽德斯-賓士首次在S級上應用了真正的自我調整巡航系統，開啟了輔助駕駛時代。 它的名字想必大家都很熟悉，叫做Distronic。 早期車載毫米波雷達晶片主要使用GaAs工藝。 毫米波雷達需要配備至少7到8個工作在24GHz頻段的射頻晶片。 雷達波長很長，導致毫米波雷達太大和笨重，大約只有筆記型電腦大小。 囙此，成本也非常昂貴。 與今天的雷射雷達類似，它只能應用於少量高端車輛。 2000年初，SiGe科技的發展大大提高了毫米波雷達晶片的集成度。 毫米波雷達只需要2至5個MMIC和1至2個BBIC。 成本已經達到了1000元的水准，但滲透率仍然很低。 現時，高端機型中常用的量產77GHz毫米波雷達使用了這一科技。 2017年，ti推出了基於CMOS科技的高度集成的77GHz毫米波雷達晶片。 其AWR1642系列適用於中短程場景，將前端MMIC RF、DSP和MCU模塊集成在77GHz毫米波雷達SOC晶片上，顯著降低了毫米波雷達的成本，大大降低了車載毫米波雷達硬體開發的難度。 更令人興奮的是，TI為近距離場景構建了一個更集成的片上天線（AoP）晶片，將天線集成到晶片中，打破了天線工程師的工作，並將毫米波雷達的價格降至100元。 眾所周知，與其他雷達晶片製造商相比，TI晶片開發具有傻瓜的特點。 底層軟體發展完成，工具鏈易於使用，大大降低了進入門檻。 基於該晶片，中國開啟了車載毫米波國產化的蓬勃征程。 短短幾年內，大約有3、40家Ago和Amare公司在中國開展了車載毫米波雷達產品的研發，這並不熱鬧，可以說並不壯觀。

國產車載毫米波雷達產品研發歷史不長，短短6-7年，處於起步階段。 截至目前，上汽集團旗下零部件公司華宇汽車真正實現了量產，年出貨量超過20萬件。 作為國內車載毫米波雷達行業的黃埔軍校，華宇汽車（以下簡稱華宇）於2014年在國內率先開展車載毫米波感測器產品研發。 但那時不像今天。 六年前，77GHz毫米波雷達晶片是一種高端新奇產品。 外國人對我們實行禁運，不帶我們去玩。 囙此，華宇只能以24GHz毫米波雷達為起點。 儘管他是當地富豪上汽集團的兒子，也是標準的“富二代”，但當時華宇車載雷達初創團隊的背景和實力並不比現在的雷達初創公司好。 起初，他是一群具有PEPS產品背景的跨界工程師，與毫米波雷達毫無關係。 除了錢和什麼都沒有，他懵懂無知，敢為人先，他投身於毫米波雷達研發的大浪潮。 對於車載毫米波雷達這種技術門檻高、市場門檻高、產品化難度大的產品來說，沒有專業的研發團隊確實是一個很大的問題。 然而，只要有錢，一切都不是問題。 據說，為了騙牛，面試地點被安排在威海路489號。 上汽的高普格加持，豪華的辦公環境，自動加熱和沖洗廁所，誘人的食堂，令人無法抗拒的薪水，感人的感情。 為了招募團隊，華宇HR使出渾身解數招募團隊，簡單粗暴，極其殘忍，到處都是四個字：“我有錢”。 當然，一些總部負責人習慣於做外國買辦，習慣於用錢買什麼，不願意努力打造自己的風格。 他們仍然對當地海龜團隊的獨立研發能力持懷疑態度。 所以一開始，為了保證研發的成功，華宇採取了雙重保險策略：國外技術引進和自主研發並行的管道。 國內團隊自主研發了該解決方案，並從著名的SMS、smartmicro購買了該方案。 據說，為了跑得更快，均質電子和德賽西威還購買了SMS home做雷達的解決方案。 當然，羅林先生在商業上非常聰明。 他只銷售解決方案，不會提供任何核心技術。 羅林先生知識淵博，在各種雷達研究方面有著深厚的造詣，但他仍然缺乏商業化。 例如，最初為華宇設計的雷達方案的成本沒有競爭力。 當然，值得欣慰的是，華宇當地團隊克服困難，克服困難，最終實現了國內首臺24GHz雷達的大規模生產。 在0比1的突破之後，隨後的77GHz角雷達和前向雷達也很快實現了量產。 除了華宇，森斯特克還擁有海康的大腿。 雷達在智慧安全和交通方面的出貨量也很好，但在車載雷達方面，我沒有聽說他們家有大量的出貨量。 大多數其他車載毫米波雷達研發公司仍處於PPT和公眾號階段。 他們聲稱已經實現了大規模生產，並且他們還抽取了小批量樣品供客戶測試。

畢竟，車載毫米波雷達的門檻還很高，核心技術現時還沒有在行業內普及。 包括博世（Bosch）、大陸集團（Continental）和海拉（Haila）在內，他們的雷達已經大規模生產了近20年，團隊中只有少數專家掌握了覈心關鍵Knohow。 此外，對於涉及制動、轉向和動力系統的前向雷達，這些覈心執行器掌握在博世、大陸和其他巨頭手中。 人們很容易用自己的毫米波雷達控制自己的致動器，並提供一整套解決方案。 國內製造商幾乎沒有自己的執行器，所以很難做前向雷達。 製作一個輸出點雲的演示對每個公司來說都相對容易，但它確實要大規模生產，BOM成本和效能可以與ABCD進行比較。 它還需要加深對雷達的理解，包括大量需要突破的系統、軟件和硬體核心技術，特別是需要克服的算灋問題。 囙此，許多國內毫米波雷達初創企業開始轉向智慧安全和智慧交通領域。 這些領域的毫米波雷達科技難度相對較低，市場門檻沒有汽車行業高，利潤也有些劇烈。 他們可以在短時間內看到回報。 對於初創企業來說，生存是第一目標，誠信和初心就像約伯斯一樣，讓人窒息。 然而，製造車載毫米波雷達是一項吃力不討好的工作。 它不僅需要大腿支撐，還需要高技術和市場壁壘、低利潤率和低銷量。 這基本上是一個虧損的行業，除非你能像Mobileye那樣挑戰“我是世界上最好的”。

除了傳統的ADAS毫米波雷達，具有高解析度點雲成像能力的4D毫米波雷達近年來已成為行業熱點，以滿足高級別自動駕駛的高精度感知需求。 國內外一些巨頭和初創企業正專注於這一新概念產品，其目標是在某些場景下替代或彌補雷射雷達。 畢竟，雷射雷達的成本和可靠性在最近階段仍然難以著陸，在雨雪等惡劣天氣下，毫米波雷達也需要執行準確和穩定的感知任務。 所謂4D是指3D輪廓高解析度點雲輪廓和高精度速度資訊。 這就像將相控陣雷達的功能集中到一個蘋果手機大小的雷達上。 與傳統的ADAS毫米波雷達相比，科技難度仍有很大提高。 現時，4D毫米波雷達主要有兩種主流路線。 一種是使用傳統MMIC射頻晶片進行多晶片級聯，形成多發送和多接收天線陣列，並通過天線陣列佈局和算灋優化獲得4D點雲成像。 例如，博世的LRR5 Premium、中國大陸的ARS540和我們的產品都使用這條路線； 另一種管道是使用自主研發的大規模多通道片上集成晶片，如以色列的Vayyar、Arbe等，將48個接收通道+48個傳輸通道和天線集成在一個晶片上。 現時，大陸ARS540已經有了初步原型，但尚未看到公開的測試結果。 據稱，它是為寶馬電動汽車iX定制的，射程可檢測到300米，水准角分辯率可達1.2°~1.68°，俯仰角分辯率可達2.3°； 博世LRR5的水准角分辯率約為2°，俯仰角分辯率約2.2°； Arbe官網聲稱，水准角分辯率可以達到1°，俯仰角分辯率可以達2°。 無論哪種技術路線，每家公司的雷達體積都差不多，約為12cm*13cm*3.5cm，表明沒有人突破天線孔徑和角度分辯率之間的理論約束。 為了實現高解析度，必須新增天線陣列的物理尺寸。 奧丘利介紹，他的虛擬成像科技可以將天線通道的數量擴大10~100倍。 我們也有這樣的科技，但在實際應用中並不是很有意義。 現時，該行業通常採用四個或兩個級聯晶片來新增接收和發送通道的數量，並結合MIMO科技形成大規模虛擬陣列，以提高水准和俯仰方向的角度分辯率。 雖然這種方法可以相對節省成本，但也會帶來相應的問題，即速度範圍大大縮小而不模糊。 如何解决這一問題也是多晶片級聯MIMO毫米波雷達的一個瓶頸，囙此我們看到，許多國內雷達製造商在多晶片級聯中僅使用兩個傳輸通道，浪費了剩餘的傳輸通道以避免速度模糊解决問題。 通過級聯四個Ti AWR2243，我們的4D毫米波雷達可以實現1°的水准分辯率、1.4°的俯仰角分辯率和-250km/h ~+250km/h的最大無模糊速度測量範圍。 我們可以實現對周圍環境和目標的高解析度成像。 相關產品已在多家汽車工廠應用於L3和L4自動駕駛。 在產品開發過程中，我們突破了以下覈心關鍵技術：

1.大規模虛擬天線設計科技，大大提高了水准和角度分辯率

2.高頻射頻板的多層層壓設計和混合壓縮科技，確保產品的低成本和良率

3.大型天線水准和俯仰校正的快速科技

4.滿足自動駕駛要求的雷達複雜波形設計科技

5.最大無模糊測速範圍擴展科技，滿足高速場景下精確測速的要求

6.擴展目標聚類和跟踪科技，以獲得目標的準確3D BoundingBox資訊

當然，上述科技只是簡單的例子。 為了實現毫米波雷達的商業化，仍有大量的工具鏈問題、工程技術問題和算灋問題需要解决。 我們之前和很多科技團隊交流過，發現雖然團隊實力很强，但實際水准參差不齊。 即使是BSD毫米波雷達也處於摸著石頭過河的階段，囙此我們嘗試談論科技難度更高的前向雷達和4D毫米波雷達。 由於車載毫米波雷達進入門檻高、科技難度大、國內相關科技基礎薄弱的現狀，行業內也缺乏系統介紹車載毫米波科技的參考書和資料。 囙此，作者結合了國內外十多年來毫米波雷達產品的研發經驗和積累，在開放業務中率先與大家分享毫米波雷達科技，並與同行分享。