主流雷达供应商的4D成像雷达方案梳理

本文作者：黄李波 陈欢磊

摘要

毫米波雷达以其卓越的技术性能和高性价比，在智能驾驶感知系统中占据重要地位。随着车载射频芯片市场迅速崛起，《汽车电子》杂志报道，在这一 year里车载毫米波雷达逐步迈向4D成像雷达阶段，在提供更全面信息的同时也实现了更高的精度与可靠性。这一领域的国产化进程加速推进，《汽车技术》期刊指出《从芯片等关键部件开始延伸至一级供应商》，通过自主研发和技术创新不断突破重重技术关卡，在推动中国汽车产业智能化进程中发挥着越来越重要的作用

前言

随着毫米波雷达凭借其全方位工作状态的优势性能和较低的成本，在自动驾驶环境感知系统中占据了核心地位。

以苏州豪米波技术有限公司为代表的国内一级供应商逐步在国内市场获得了稳固的发展，在实现对国内整车厂的前装生产能力的同时不断拓展其技术与市场优势。在此背景下，在全球供应链中出现的芯片短缺问题也得到了一定程度上的缓解。本文将从技术演进路线及行业发展趋势两个维度回顾2021年中国车载豪米波雷达的技术发展进程，并展望未来行业动态供学术研究参考

1. 4D 成像毫米波雷达的兴起

1.1 4D 成像毫米波雷达技术

4D毫米波雷达基于此能够生成目标4D信息集合。其中4D指标包括目标距离、目标速度、目标水平角度及目标高度数据。相较于当前市面上量产的车载毫米波雷达产品（统称为豪米波雷达），4D毫米波雷达的主要优势在于能够提供目标物体高度数据这一关键参数。该高度数据对于识别悬挑物如人行道天桥、井盖等物体具有显著作用，并且在探测大型车辆如卡车方面同样发挥着重要作用。此外该新型雷达系统将最大探测距离提升至300米并使角分辨率得到明显提升。图1展示了该雷达系统输出的毫米波点云图其呈现出与传统豪米波雷达不同的形态即不再是单一的目标点而是更接近激光雷达效果的空间分布点云通过对其特征参数进行分析最终实现相应目标的有效分类包括具备高度数据的电线杆与交通灯等物体

图1 4D雷达点云输出

如图2所示，在探测范围与分辨率等多个方面对4D雷达与传统车载雷达进行对比分析后发现：4D雷达在多种工况下展现出良好的稳定性，并显著提高了其探测半径与分辨率。得益于其更高的分辨率水平，在目标识别与跟踪方面也取得了明显的提升效果

图2 4D成像雷达与传统车载雷达对比

1.2 4D 雷达实现的技术路线

无论探测半径的扩大还是角分辨力的提高都受制于雷达天线孔径设计因素的影响。通过采用MIMO技术构建多输入多输出天线阵列系统能够构造出大量虚拟信道路径从而实现更大的天线孔径设计目标以提高雷达系统的角分辨力水平。然而伴随虚信道数量的增长可能会导致虚影信号数量增加从而引发误报事件的发生为此雷达厂商通常会通过优化雷达波形设计来减少虚影干扰并区分路侧静态障碍物等[2, 3]。此外在垂直方向布置多组独立的发射通道能够在垂直维度上获得更高的分辨率效果。图3详细展示了基于毫米波芯片级联技术开发出的一种新型4D雷达方案该方案总计拥有192个独立信道其中部分发射通道采用了垂直方向分布设计以实现垂直维度上的高分辨率定位能力

图像展示了TI芯片级联的4D雷达系统设计。不仅在水平方向上布置了射频射电阵列，在垂直方向上也同样进行了布局。

增加多路天线通道将带来海量数据传输与多样化信号处理需求；从而对车载雷达处理器的运算能力提出了更高的技术标准；而基于车载雷达系统的实际应用需求则要求该处理器必须满足严格的汽车级设计规范以及经济性考量；本节将详细探讨各主要4D雷达技术方案及其在智能汽车中的具体应用场景。

方案和芯片方案两方面来详细阐述。

2. 4D 雷达实现方案

自2021年以来, 各雷达供应商陆续开发并推出了各自品牌的4D雷达系统, 愿望在新兴的多维度数据采集领域争夺先机. 以下将从多个方面介绍几个已经公开的4D雷达方案的具体技术参数与应用案例.

2.1 德国大陆（Continental AG）的ARS540

德国大陆集团（以下简称"大陆"）长期致力于车载毫米波雷达领域的技术研发与应用，在过去几十年中积累了深厚的技术积累。自2016年首次推出具有里程碑意义的ARS4XX 77GHz毫米波前向雷达及BSD3XX 24GHz毫米波盲区检测雷达后，在前向雷达与角雷达领域已成功实现从第四代到第五代的技术升级，并获得了包括戴姆勒、宝马、大众以及丰田等众多知名主机厂的信任与合作。为了进一步提升产品性能，在2020年推出了具有四项创新功能的4D成像雷达ARS540系统：通过采用四颗射频芯片级联的方式实现了12个发射通道与16个接收通道的独特组合设计，并基于赛灵思Xilinx公司的Zynq UltraScale+ MPSoC解决方案对复杂信号进行了高效处理，在保证探测距离达300米的同时实现了超广角成像效果（见表1）。图4详细展示了该产品内部电路架构图：它由四个独立的3发/4收射频芯片组构成

图4 ARS540内部电路图

2.2 德国博世（Bosch）的第5代雷达

德国博世作为全球主要的车辆零部件供应商，在线控、传感器等技术领域提供多种零部件产品。

2.3 傲酷（Oculii）公司的4D 雷达

在2021年推出两款新型4D雷达系统后

3. 4D 雷达芯片方案

车载毫米波雷达芯片支撑起车载雷达的基础架构，并被视为各项雷达性能指标实现的关键性组件。近年来的发展表明，在材料工艺方面取得了重大突破——从锗硅（SiGe）向CMOS工艺跨越，在射频前端、模数转换等混合信号领域实现了模块化的融合。系统架构通常由两部分构成：毫米波射频芯片与雷达信号处理芯片。伴随着4D技术的兴起，多家知名芯片厂商纷纷推出多频段协同工作的解决方案，以应对更大容量的数据处理需求。与此同时，在算法层面也面临着更高算力的要求——信号处理芯片逐渐向多核、高算力方向演进。以下将重点介绍各主要厂商在4D技术领域的解决方案

3.1 德州仪器（Texas Instrument, TI）芯片

3.1.1 射频芯片

德州仪器（简称TI）于2017年首次推出基于45nm CMOS技术的毫米波雷达射频芯片产品。该芯片成功整合了77 GHz射频前端电路、雷达信号处理器加速器模块、数字信号处理器以及微控制器模块等关键功能组件。近年来逐步扩大了产品线范围，并针对不同应用场景推出了多种型号的产品需求解决方案。图6展示了TI在77 GHz频率下的芯片产品架构图。其中可以看到AWR1243型号支持最多4个接收天线模块，并提供最高频率的模数采样能力；而配备有硬件加速器模块的AWR144型号则更适合用于车内人员检测应用；此外AWR1642型次则集成了专用数字信号处理单元（DSP）和微控制器（MCU），具备较强的计算能力以实现外部盲区监测所需的功能需求；去年发布的AWR1843AOP版本特别引入了集成式天线结构设计，在减少占用空间的同时提升了整体性能表现；而今年TI又推出了专为复杂四维雷达系统设计的AWR2243型次，在此基础上增加了发射机相位调制功能以支持更为复杂的波形处理需求；通过将多块AWR2243型次级联也可以实现大规模多输入多输出（MIMO）阵列系统的关键技术支撑功能

图6 TI毫米波雷达系列芯片

3.1.2 雷达信号处理器芯片

为了满足4D 雷达系统的波形调制与回波信号处理需求,TI 开发了 TDA2x 系列高性能多核处理器。图7展示了针对多射频芯片级联架构设计的雷达信号处理数字平台,其中采用了 TDA2x 处理器集成了 TMS320C66X 数字信号处理器、图像加速器以及 Arm Cortex-A15 MPCore 和双 CPU-M4 处理器。

图7 TI雷达信号处理板

3.2 恩智浦（NXP）芯片

3.2.1 射频芯片

恩智浦（以下简称NXP）是车载毫米波雷达的主要长期供应商自与德国大陆集团建立合作关系以来就一直为大陆ARS系列雷达提供射频芯片（如3003型）以及微控制器芯片然而这些产品在国内市场并未上市基于锗硅工艺设计的雷达射频芯片也未集成ADC模块及相环从而导致集成度较低进入21世纪末期NXP推出了基于40nm RF-CMOS工艺开发出Dolphin雷达系列该系列由主控型雷达射频芯片TEF810X及信号处理型雷达芯片S32R274组成其中主控型雷达射频芯片TEF810X提供了从单发射/三接收至三发射/四接收等多种型号可满足不同需求该主控型雷达射频芯片内置模数转换器并支持高达40 MSPS的最大采样频率在频率范围达到2 GHz时仍能维持良好的调制性能图8展示了基于TEF810X型基板构建的车载雷达电路板在最新研发中NXP于2020年推出了新一代主控型雷达射频芯片TEF82XX集成了四组接收天线与三组发射天线支持BPSK与QPSK调制方式进一步提升了系统的性能于同年年末NXP又发布了面向未来第四维雷达技术的研发成果通过级联四块TEF82XX型主控型雷达射频芯片实现了十六组接收天线与十二组发射天线组成的成像系统配置

图8 NXP基于TEF810X的雷达方案

3.2.2 雷达信号处理芯片

针对4D雷达领域,NXP发布了新一代雷达信号处理芯片S32R45,该芯片是一枚集Arm Cortex-A53与Cortex-M7核心于一体的多核处理器.如图9所示,该芯片采用了先进的架构设计,展现了卓越的性能.

图9 S32R45系统框图

3.3 英飞凌（Infineon）

英飞凌是一家专业级毫米波雷达芯片制造商，在与博世等多家知名企业的合作中持续深化合作伙伴关系，并提供定制化的芯片解决方案。通常不会在公开场合详细展示其产品信息。2017年,英飞凌发布了RTN7735PL这款车用雷达射频芯片,配备有3发4收的天线通道,能够与英飞凌旗下的多核MCU Aurix TC297协同工作,从而构成完整的车载雷达系统。在2020年,公司推出了面向4D雷达的技术突破性产品RASICTM RXS816xPL,该产品通过与AURIXTM TC3x多核芯片协同工作,实现了对复杂环境的有效成像功能。图10展示了英飞凌针对77GHz频段设计的车载雷达方案

图10 英飞凌77GHz车载雷达方案

摘要

毫米波雷达凭借其全工况下的卓越性能以及相对较低的成本优势，在智能驾驶感知系统中占据核心地位。2021年随着车载射频芯片快速发展的势头日益强劲，在这一领域内逐渐实现了技术跃迁，在汽车上安装了4D成像雷达设备。这些设备不仅能够捕捉传统二维图像信息还能提供更加丰富多样的关键数据（如目标高度、速度等）。与此同时中国制造业正迎来新一轮的技术革新浪潮从芯片研发到主要零部件供应商层面中国本土企业正在加速崛起展现出强大的研发实力与卓越的产品性能这无疑为中国的汽车产业智能化进程注入了强劲动力。

前言

随着毫米波雷达凭借其卓越性能和较低的成本，在自动驾驶环境感知系统中占据核心地位。

以苏州豪米波技术有限公司为代表的行业领先企业逐步在国内市场确立了稳固地位，并实现了对国内整车厂前装产品的量产能力。随着加特兰和矽杰微电子等本土车载芯片厂商的相继推出国产豪米波芯片产品，在为豪米波雷达供应商提供多元化芯片解决方案的同时，一定程度上缓解了当前芯片供应紧张的局面。本文将从技术演进脉络与行业发展动向两个维度回顾2021年车载豪米波雷达的技术发展轨迹，并展望未来行业发展趋向，以期为学术界提供有益参考

1. 4D 成像毫米波雷达的兴起

1.1 4D 成像毫米波雷达技术

具有第四维空间信息的毫米波雷达即为4D成像雷达系统，在此定义下4D指的是目标距离目标速度目标水平角度以及目标高度数据四个维度的信息综合。相较于当前市面上量产的车载毫米波雷达系统而言本系统最重要的特点就是能够提供物体高度数据这一显著特性有助于识别悬挑设施如人行天桥和窨井盖等在实际应用中尤其在识别大型车辆如载重车等方面表现更为突出此外该系统还显著提升了最大探测距离并使角分辨率得到明显提高图1详细呈现了其三维空间特征通过对所得点云数据进行特征提取和聚类分析最终能够分辨出具有高度特性的物体例如电线杆交通灯等

图1 4D雷达点云输出

图2展示了4D雷达与传统车载雷达在探测范围及分辨率等方面的表现对比。可以看出，在不同工作条件下仍能维持高稳定性的能力，并带来了进一步提升。得益于更高的辨识精度，在目标识别与追踪方面也取得了明显进步。

图2 4D成像雷达与传统车载雷达对比

1.2 4D 雷达实现的技术路线

无论是探测距离的提升还是分辨力的增强，都与雷达天线孔径的扩大紧密相关。通过采用MIMO多输入多输出天线阵列技术，在确保通信不干扰的前提下显著提升了空间维度上的信息传递能力，并实现了更大的天线孔径覆盖范围以及更高的角分辨力[2, 3]。然而虚拟通道数量的增长也会导致虚影数量上升，进而引发误报问题。为此雷达厂商通常会通过优化雷达波形设计和调整信号处理算法等手段来抑制虚影出现，并有效区分路侧静态障碍物等复杂环境中的目标[2, 3]。同时，在垂直方向布置多天线通道以实现更高的垂直方向角分辨率[1]。图3展示了由Texas Instruments公司推出的基于4颗3发4收毫米波芯片级联形成的4D雷达方案，该方案能够形成192个传输信道，并且其中部分发射天线采用了垂直方向上的布置以实现更高的垂直方向角分辨率

图3.0采用四颗芯片级联设计的四维雷达系统。该系统不仅在水平方向布置了射频发射天线阵列，在垂直方向也进行了布置

增加了天线通道的数量带来了更高的数据传输容量以及更为复杂的信号处理模式。这也对雷达信号处理芯片提出了更高的计算能力需求。车载雷达的应用环境决定了该芯片必须满足严格的汽车级设计标准以及进行成本优化。我们将详细分析各主要雷达供应商的4D技术方案及其具体实现方式。

方案和芯片方案两方面来详细阐述。

2. 4D 雷达实现方案

各雷达供应商争相于2021年发布各自的4D雷达方案,意图争夺该领域的主导地位.现将几个已公开的4D雷达方案进行详细阐述.

2.1 德国大陆（Continental AG）的ARS540

德国大陆集团（简称"大陆"）长期致力于车载毫米波雷达领域的技术研发与应用。自2016 年以来，公司开发出了具有划时代意义的ARS4XX 77GHz 毫米波前向雷达以及BSD3XX 24GHz 毫米波盲区检测雷达。目前其产品线已发展至第五代，在汽车制造行业中享有重要地位，并为戴姆勒、宝马、大众等多家知名主机厂提供了技术支持。2020 年期间，公司推出了具有里程碑意义的4D 成像雷达ARS540系统。该系统采用四颗射频芯片级联技术实现12 发射通道与16 接收通道配置，在保证高分辨率的同时实现了精确的雷达探测能力。该系统还配备了基于赛灵思Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC 的信号处理模块，并支持高达300 米的最大探测距离及广开视野的视场角（Field of View）。表1详细列出了ARS540 系统的各项技术参数信息。图4展示了该系统内部电路的核心架构图，在设计中采用了四个3发射/4接收射频芯片组布局方案以优化整体性能表现。

图4 ARS540内部电路图

2.2 德国博世（Bosch）的第5代雷达

德国博世在全球范围内是最大的车辆零部件供应商之一，在这一领域内涵盖了从线控系统到传感器模块等各类核心组件。于2020年发布的新一代雷达技术代表了博世的技术突破，在这一新技术下相关参数可在表2中详述。值得注意的是这一新型雷达系统不仅实现了在水平与垂直两个维度上的分辨能力提升，在图5详细展示了该雷达系统的内部电路组成及其工作原理的同时还展示了天线在水平与垂直方向上的精确分布情况这一特性为其带来了显著的方向区分度优势。目前关于最新的第五代4D radar system的具体组件设计与性能指标信息尚未对外公布

2.3 傲酷（Oculii）公司的4D 雷达

在2021年，傲酷公司成功推出了两款新型4D雷达系统：前向雷达Eagle和角雷达Falcon。详细的技术参数信息则列于表3中。对比来看，傲酷公司的这两款雷达在体积、重量和功耗方面均显著优于大陆和博世的产品。这一优势主要源于其采用了双芯片方案而非使用四块芯片级联的方式。值得注意的是，在天线数量上并非一味追求更大孔径方面，而是采用了基于AI软件的时变相位调制技术，并对接收数据进行了插值与外推处理以模拟更大的虚拟孔径效果。在信号处理模块上，则选择了低功耗的DSP芯片而非FPGA架构以优化整体能耗表现。然而，在当前状态下这些产品尚未进入量产前装应用阶段

3. 4D 雷达芯片方案

车载毫米波雷达芯片是车载雷达的核心部分，并承担着实现各项雷达性能指标的关键技术任务。近年来来，在微波射频领域中，基于CMOS工艺的车用微波 Radar 芯片逐步取代了传统的 Ge-Si 工艺方案，在设计架构上实现了射频前端、模数转换等混合信号组件的集成化设计，在一个统一的射频前端模块中完成功能整合与优化配置。现代车用微波 Radar 系统一般由微波射频芯片与信号处理处理器两大部分构成。伴随四维雷达技术的成功应用与普及，在芯片设计领域逐渐出现了多频段芯片组网模式的新技术路线以满足复杂场景下的性能需求；与此同时面对数据量的增长速度也在加快相应的信号处理处理器也逐渐向多核高算力方向发展；下面将重点介绍各大主流厂商在四维雷达领域的技术解决方案。

3.1 德州仪器（Texas Instrument, TI）芯片

3.1.1 射频芯片

德州仪器（简称TI）自2017年首次推出基于45nm CMOS技术开发的毫米波雷达射频芯片产品。该系列芯片整合了77GHz射频前端电路、雷达信号处理器加速器、数字信号处理器以及微控制器等关键组件于单片式集成电路中，并逐步扩大了产品组合线谱范围。目前的产品能够满足从短距离到长距离等多种雷达探测需求，并支持前向雷达与角向雷达等多种类型的应用场景。图6展示了TI在77 GHz频段的产品 lineup. 该图显示：搭配多核处理器使用的AWR1243型号能够与TI设备协同工作以实现车外前向雷达应用；集成硬件加速器的AWR144型号适用于车内人员检测；而AWR1642型号则集成了DSP运算单元与MCU控制器模块；该款芯片具备一定的计算能力以实现车外盲区监测所需的功能。此外，在2019年 TI 推出了具有创新意义的AWR1843AOP版本，在设计中实现了天线集成功能；这一创新突破使得雷达技术实现微型化部署成为可能方案之一。随后于2021年 TI 推出了面向未来四维空间雷达系统的AWR2243系列芯片；该款产品引入了相位调制发射机模块并支持更为复杂的波形设计能力；通过串联多块AWR2243型芯片则可构建出大型多输入多输出（MIMO）阵列系统

图6 TI毫米波雷达系列芯片

3.1.2 雷达信号处理器芯片

为了实现四维雷达系统的波形编码与回波信号处理功能,TI推出了TDA2x系列高性能多核处理器.图7展示了基于多射频芯片级联架构的雷达信号处理数字开发平台.该平台整合了TDA2x处理器,其包含了TMS320C66x数字信号处理器,图像加速器,以及采用ARM Cortex-A15 MPCore和双Cortex-M4架构的专用处理器.

图7 TI雷达信号处理板

3.2 恩智浦（NXP）芯片

3.2.1 射频芯片

恩智浦（以下简称NXP）作为车载毫米波雷达的主要芯片供应商之一，在与德国大陆集团建立长期合作关系以来一直为大陆ARS300 系列雷达提供射频微芯片（型号3003）以及微控制器芯片等技术支撑。值得注意的是这些芯片并未面向国内市场销售且基于锗硅工艺设计的雷达射频微芯片未集成ADC模块以及波形发生器（锁相环）因此集成度相对较低程度上限制了其应用范围进入2018 年NXP 推出了基于40nm RF-CMOS 工艺开发的Dolphin 雷达芯片组该组由一颗雷达射频微芯片TEF810X 和一颗雷达信号处理芯片S32R274 组成其中TEF810X系列涵盖不同发射接收通道配置：最低端型号具备一发射通道三接收通道中端型号则为两发射通道四接收通道而高端型号则采用三发射四接收的设计方案该片内置模数转换器采样频率最高可达40MSPS同时调制带宽可实现高达2GHz的最大值图8 展示了基于TEF8102 芯片设计的车载雷达电路板在2020 年NXP 又推出了新一代射频微芯片TEF82XX 这款芯片集成了三发射四接收天线通道并支持BPSK 和QPSK调制技术以提升通信效率随后于2021 年NXP 又面向4D 雷达领域推出了采用级联TEF82XX 芯片设计的方案实现了十二发射十六接收的成像通道配置

图8 NXP基于TEF810X的雷达方案

3.2.2 雷达信号处理芯片

针对四维雷达系统，NXP成功推出了新型雷达信号处理芯片S32R45。该处理器采用Arm Cortex-A53和Cortex-M7架构设计。图9完整地呈现了其内部架构框图。

图9 S32R45系统框图

3.3 英飞凌（Infineon）

英飞凌是一家专注于毫米波雷达芯片设计的企业，在与德国博世公司建立起了长期合作关系后,向客户提供定制化解决方案,鲜少在公开场合详细展示其产品信息。于2017年,英飞凌推出了其首款77GHz车载雷达射频芯片RTN7735PL,该产品采用了3发4收的天线设计,并成功集成英飞凌旗下多核高性能MCU Aurix TC297芯片,形成了完整的车载雷达系统架构。随后于2020年,英飞凌又推出了面向4D雷达技术的新一代可级联式芯片RASICTM RXS816xPL,该产品通过搭配英飞凌最新的二代多核芯片AURIXTM TC3x,实现了对复杂环境进行高精度成像的能力。图10展示了基于英飞凌技术开发的完整77GHz雷达方案

注

图10 英飞凌77GHz车载雷达方案

3.4 国产毫米波雷达芯片

基于毫米波雷达技术的大潮引领下，在国内同样出现了多支专注于毫米波雷达芯片研发的公司，并开发出专门针对4D雷达系统的芯片产品。

3.4.1 加特兰微电子（Calterah）

自

图11 加特兰Alps芯片

4 结论

毫米波雷达作为一种在智能汽车环境感知中发挥关键作用的传感器，在2021年逐步转向采用4D成像技术。该技术通过提供目标物体高度信息，并生成具有更高角分辨率的雷达点云数据。文章详细探讨了当前主要的4D成像雷达方案，并系统分析了相关技术发展情况。

3.4 国产毫米波雷达芯片

在毫米波雷达技术的大潮中展开，在国内已派出一批专注于毫米波雷达技术的企业。

3.4.1 加特兰微电子（Calterah）

车载毫米波芯片研发商加特兰微电子于2014年成立

图11 加特兰Alps芯片

4 结论

毫米波雷达在智能汽车环境感知领域发挥着重要作用，在2021年开始逐步向4D成像雷达技术升级。该技术通过提供目标的高度信息，在输出具有更高角分辨率的雷达点云的同时实现了精准的空间定位。本文详细梳理了当前市场上的主要4D成像雷达解决方案，并深入探讨了其核心组件——射频技术和信号处理芯片的发展动态