本文转载自雪岭飞花4D毫米波雷达的性能比一般的“3D”雷达要高体现在距离远精度高角分辨率高等方面。那么4D成像毫米波雷达是如何做到的呢本篇文章从雷达指标方程上进行简要的解释以及介绍一下主流的4D毫米波雷达系统方案。1. 雷达关键指标方程根据雷达探测原理和雷达方程毫米波雷达的6个关键指标公式如下最大距离R m a x c τ 2 c × I F m a x 2 S R_{max}\frac{c\tau}{2}\frac{c×IF_{max}}{2S}Rmax​2cτ​2Sc×IFmax​​距离分辨率d R e s c 2 B d_{Res}\frac{c}{2B}dRes​2Bc​最大速度v m a x λ 4 T c v_{max}\frac{λ}{4T_c }vmax​4Tc​λ​速度分辨率v R e s 2 v m a x N λ 2 N T c v_{Res}\frac{2v_{max}}{N} \frac{λ}{2NT_c}vRes​N2vmax​​2NTc​λ​最大角度θ m a x s i n − 1 ( λ 2 L ) \theta_{max} sin^{-1} \left(\frac{λ}{2L} \right)θmax​sin−1(2Lλ​)当阵元间距等于半波长即L λ / 2 Lλ/2Lλ/2时对应的最大不模糊测角范围为-90°~90°角度分辨率θ R e s λ m L c o s θ λ D c o s θ \theta_{Res}\frac{\lambda}{mLcos\theta} \frac{\lambda}{Dcos\theta}θRes​mLcosθλ​Dcosθλ​其中c cc光速I F m a x IF_{max}IFmax​射频芯片的最大中频带宽S SSFMCW调制斜率B BB有效带宽距离维上实际采样点数所占时间长度所对应的调制带宽往往小于扫频带宽λ \lambdaλ波长L LL阵元间距T c T_cTc​Chirp周期N NN一个Frame内的Chirp数m mm雷达采样通道数目θ \thetaθ接收阵列天线孔径D DD接收阵列天线孔径。因此提升测距和测速性能主要是提升带宽和优化调制方式。而提升角度性能主要依靠提升天线孔径。前者相对容易而后者是4D成像雷达的设计关键。2. 为什么必须要增大天线孔径如果让雷达波束尽可能窄配合扫描机构实现一定范围内的扫描就可以实现高的角分辨率。没错这就是目前自动驾驶领域的当红炸子鸡—— Lidar 当然更严谨来说是ToF扫描激光雷达不是Flash或者FMCW激光雷达然而这对于毫米波雷达是极为困难的。原因是毫米波点源天线的辐射是趋近于球面波的必须要通过对天线进行设计才能缩小其波瓣宽度同时增加天线增益提升辐射距离。雷达波束宽度的计算公式是其中θ为波束宽度λ为天线工作波长D为天线口径α为天线指向误差角度主要受天线设计和加工精度影响。因此波束宽度主要和雷达孔径D有关孔径越大雷达波束越窄指向性越强。一种方案是增大天线物理尺寸雷达尺寸越大孔径越大例如“大锅盖”机械扫描雷达汽车显然不可能顶着一个“大锅盖”行驶。当然也不是说绝对不行比如1970年代顶着大锅盖雷达的实验汽车。这种车如果放在现在回头率应该老高了。1970年回头率也高。所以车用雷达的体积需要尽量小。目前最新的雷达天线都是印刷在电路板上的微带天线不过这种雷达3dB波束宽度基本都在30-60°之间。那么如何在这么大的波束宽度情况下来实现精确测角呢这就是 MIMO技术 。3. 通过 MIMO提升角分辨率根据角分辨率公式其中波长λ越小角度分辨率越高。目前77/79GHz雷达取代24GHz雷达就有部分这个原因。采样的通道个数m越多分辨率越高。接收天线阵元之间的距离L越大分辨率越高。θ越小时例如天线正前方其分辨率越高θ越大时例如FOV边缘分辨率越低。由于λ和θ一般不会调整因此提升角分辨率主要依靠增大m和L即雷达孔径。由于增加L会使得视场角FOV的减小如前所示最大检测角度为因此增大孔径更多的是依靠增加通道个数m这就是MIMO多输入多输出Multi-input Multi output。MIMO的核心思想是采用不同位置的收发单元进行多次测量通过接收信号的差异解算角度。MIMO雷达拥有多个发射天线例如a个和多个接收天线例如b个即生成一个m a × b的虚拟天线阵列可以实现较大的虚拟孔径。a个天线发射相互正交的信号多波形信号在空间保持独立。b个接收天线采用a个匹配滤波器对回波进行匹配从而可以得到m a × b个通道的回波数据。MIMO雷达通过采用稀疏布阵实现较大的虚拟孔径从而大幅提升角分辨率。如下是TI测试的多片级联雷达MIMO的FFT输出图可以看到通道数越多峰值越尖精细程度就越高角分辨率越高。图片来源TI4. 4D毫米波雷达设计方案市面上有很多采用MIMO技术的4D成像毫米波雷达通道数从12个到最高的2304个如下图所示。其中实现方案主要有2种使用超导材料的方案也经常被认为是第3种方案不过该方案量产可行性还很低暂不作为主流方案分析方案1多 MMIC级联使用多片MMIC级联例如2级联、4级联或者8级联等通过特殊的软件算法和天线设计实现高倍数的虚拟MIMO通过增大的虚拟孔径大幅提升角分辨率。使用该方案的企业很多包括大陆、博世、采埃孚、华为、森思泰克等。该方案的优势是技术成熟度高产品稳定性好前期开发难度低上市周期短该方案的劣势是成本较高功耗较高尺寸大由于级联络线不可持续无法通过更多芯片堆叠的方式继续提升产品性能方案2 专用芯片组研发新的芯片组将多发多收MMIC和处理器集成在一套专用的芯片组中。采用该方案的代表企业Arbe、Uhnder、Vayyar、Mobileye等。该方案的优势是集成度高尺寸小可以实现更加灵活的调制方式和架构能够实现更大的雷达孔径性能更高该方案的劣势是芯片集成度高通道串扰、散热等挑战更大技术成熟度低芯片开发周期长迭代节奏慢5. 结论4D毫米波雷达主要通过增加发射接收通道的个数增加雷达虚拟口径来提升毫米波雷达的角度分辨率。由于成熟度的原因当前量产的4D成像毫米波雷达主要以多MMIC级联的架构为主。由于专用芯片方案降本潜力更大、性能更高、体积更小业内普遍认为集成化、芯片化会成为毫米波雷达发展的未来趋势专用芯片方案将会是未来4D成像毫米波雷达的主流方案。关于 SuperRadar 开源社区SuperRadar 是一个专注于毫米波雷达算法与系统开发的开源社区。我们致力于推动雷达感知技术的开放共享为自动驾驶、智能交通、机器人等领域提供高质量的雷达算法实现和开发工具。