自動駕駛需要構建全頻譜感知能力

在汽車智能化發(fā)展道路中，感知系統(tǒng)是至關重要的一環(huán)，理想的自動駕駛系統(tǒng)需要全天候、全覆蓋、全目標、全工況的感知。當前的自動駕駛技術水平離理想目標還有較大差距，為了實現(xiàn)高階自駕，需要在全頻段上構建感知系統(tǒng)，有效融合各頻段傳感器的優(yōu)勢，為規(guī)劃控制提供準確有效的信息。

現(xiàn)階段自動駕駛技術中，主要用到的傳感器有攝像頭、激光雷達和毫米波雷達。攝像頭的光譜從可見光到紅外光譜，是最接近人眼的傳感器，有豐富的語義信息，在傳感器中具有不可替代的作用，比如紅綠燈識別、交通標識識別，都離不開攝像頭的信息。激光雷達器件較為成熟，905nm波段廣泛應用，能獲得豐富的場景立體空間信息。從頻譜可以看到，激光在頻譜上和可見光較為接近，因此和可見光有著相似的粒子特性，容易受到惡劣天氣的影響。而毫米波雷達波長為3.9mm附近，是這幾種傳感器中波長最長的傳感器，全天候性能最好，且具備速度探測優(yōu)勢。

攝像頭和激光雷達由于有較為豐富的信息，前期的自動駕駛感知研究主要集中這兩類傳感器，毫米波由于分辨率不足導致其在使用上存在局限性。近年來，各大毫米波廠商在4D毫米波雷達上加大投入，在超寬帶和大天線陣列兩個方向上取得了一些進展，這使得4D毫米波的研究成為了自動駕駛研究的熱點之一。

4D毫米波雷達突破了傳統(tǒng)雷達的局限性

隨著毫米波芯片技術的發(fā)展，應用于車載的毫米波雷達系統(tǒng)得到了大規(guī)模應用，然而傳統(tǒng)雷達系統(tǒng)面臨著以下缺陷：

●當有靜止車輛，目標信息容易和地雜波等摻雜在一起，識別難度較大，而移動車輛可以靠多普勒識別。

●當有橫穿車輛和行人, 多普勒為零或很低，難以檢測。

●沒有高度信息，高處物體如橋粱路牌和地面的車輛一樣區(qū)分不開，容易造成誤剎，影響安全性。

●角度分辨率低，當兩個距離很近的物體，其回波會被混在一起，很難知道有幾個目標。

●用雷達散射截面積區(qū)分物體難：可以通過不同物體的雷達散射截面積的不同和不同幀之間的反射點的不同來區(qū)分路牌、立交橋和車輛，然而準確率并不高。

●最遠探測距離不超過200 m，探測距離范圍有限。

而4D毫米波雷達技術突破了傳統(tǒng)車載雷達的局限性，可以以很高的分辨率同時探測目標的距離、速度、水平方位和俯仰方位，使得：

●最遠探測距離大幅可達300多米，比激光雷達和視覺傳感器都要遠

●4D毫米波雷達系統(tǒng)水平角度分辨率較高，通常可以達到1 的角度分辨率，可以區(qū)分 300m 處的兩輛近車

●4D毫米波雷達系統(tǒng)可以測量俯仰角度，可達到優(yōu)于2°的角度分辨率，可在 150m 處區(qū)分地物和立交橋。

●當有橫穿車輛和行人, 多普勒為零或很低時通過高精度的水平角和高精度的俯仰角可以有效識別目標。

●目標點云更密集，信息更豐富，更適合與深度學習框架結合。

 4D毫米波雷達的先驅者

為對4D成像雷達系統(tǒng)有更系統(tǒng)的認識，這里我們列舉了近年來市面上幾種常見的成像雷達系統(tǒng)方案，其中包括TI公司、Arbe公司、Uhnder公司。

1、TI級聯(lián)方案---毫米波成像雷達系統(tǒng)的開辟者

在TI公司早期推出的毫米波雷達芯片AWR1243中通過發(fā)射FMCW信號來探測目標的距離和速度，而使用時分波形的方式將三個發(fā)射和四個接收構成的12個虛擬通道來探測角度，然而受限于角度分辨率，其獲取的目標信息有效。而TI公司于19年推出了自己的毫米波雷達系統(tǒng)級聯(lián)方案，其級聯(lián)效果如圖1中所示，通過將四個三發(fā)四收的單個MIMO芯片級聯(lián)方案可以構成12發(fā)16收的MIMO雷達陣列，此時雷達系統(tǒng)的虛擬通道數(shù)可從12提升到了192，該方法可以極大的提升了雷達系統(tǒng)的角度分辨率。在圖1所使用的級聯(lián)雷達系統(tǒng)中水平角度分辨率可達到1.4°，俯仰角度分辨率可達到18°的效果。

目前國內有不少廠商依托于TI成像雷達系統(tǒng)的級聯(lián)方案進行系統(tǒng)改進，以達到更好的角度分辨率，級聯(lián)方案來搭建成像雷達系統(tǒng)已成為當下的主流技術。
 

圖1 TI級聯(lián)系統(tǒng)實物圖

2、Arbe毫米波成像雷達系統(tǒng)---超大陣列和專用處理器方案