理想的自动驾驶系统需要全天候、全覆盖、全目标、全工况的感知。当前的自动驾驶技术水平离理想目标还有较大差距，为了实现高阶自驾，需要在全频段上构建感知系统，有效融合各频段传感器的优势，为规划控制提供准确有效的信息。 现阶段自动驾驶技术中，主要用到的传感器有摄像头、激光雷达和毫米波雷达，

摄像头的光谱从可见光到红外光谱，是最接近人眼的传感器，有丰富的语义信息，在传感器中具有不可替代的作用，比如红绿灯识别、交通标识识别，都离不开摄像头的信息。

各传感器频段示意图 激光雷达器件较为成熟，在905 nm和1550 nm波段广泛应用，能获得丰富的场景立体空间信息。从频谱可以看到，激光在频谱上和可见光较为接近，因此和可见光有着相似的粒子特性，容易受到恶劣天气的影响。而77 GHz毫米波雷达波长为3.9 mm左右，是这几种传感器中波长最长的传感器，全天候性能最好，且具备速度探测优势。
摄像头和激光雷达由于有较为丰富的信息，前期的自动驾驶感知研究主要集中这两类传感器，毫米波由于分辨率不足导致其在使用上存在局限性。近年来，各大毫米波厂商在4D成像毫米波雷达上加大投入，在波形设计和超大天线阵列两个方向上取得了一些进展，这使得4D成像毫米波系统的研究成为了自动驾驶研究的热点之一。
4D毫米波雷达突破了传统雷达的局限性
随着毫米波芯片技术的发展，应用于车载的毫米波雷达系统得到了大规模应用，然而传统雷达系统面临着以下缺陷：当有静止车辆，目标信息容易和地杂波等掺杂在一起，识别难度较大，而移动车辆可以靠多普勒识别。当有横穿车辆和行人, 多普勒为零或很低，难以检测。

没有高度信息，高处物体如桥梁路牌和地面的车辆一样区分不开，容易造成误刹，影响安全性。角度分辨率低，当两个距离很近的物体，其回波会被混在一起，很难知道有几个目标。 用雷达散射截面积区分物体难：可以通过不同物体的雷达散射截面积的不同和不同帧之间的反射点的不同来区分路牌、立交桥和车辆，然而准确率并不高。最远探测距离不超过200 m，探测距离范围有限。
而4D成像毫米波雷达技术突破了传统车载雷达的局限性，可以以很高的分辨率同时探测目标的距离、速度、水平方位和俯仰方位，使得最远探测距离大幅可达约300 m，比激光雷达和视觉传感器都要远。4D成像毫米波雷达系统水平角度分辨率较高，通常可以达到1°的角度分辨率，可以区分300 m处的两辆近车。
4D成像毫米波雷达系统可以测量俯仰角度，可达到优于2°的角度分辨率，可在150 m处区分地物和立交桥。当有横穿车辆和行人，多普勒为零或很低时通过高精度的水平角和高精度的俯仰角可以有效识别目标。目标点云更密集，信息更丰富，更适合与深度学习框架结合。
4D毫米波雷达的哪些先驱者
为对4D成像雷达系统有更系统的认识，这里列举近年来市面上几种常见的成像雷达系统方案，其中包括TI公司、Arbe公司和Uhnder公司。TI级联方案——毫米波成像雷达系统的开辟者 在TI公司早期推出的毫米波雷达芯片AWR1243中通过发射FMCW信号来探测目标的距离和速度，而使用时分波形的方式将三个发射和四个接收构成的12个虚拟通道来探测角度，然而受限于角度分辨率，其获取的目标信息有效。 而TI公司于2019年推出了自己的毫米波雷达系统级联方案，其级联效果如图2中所示，通过将四个三发四收的单个MIMO芯片级联方案可以构成12发16收的MIMO雷达阵列，此时雷达系统的虚拟通道数可从12提升到了192，该方法可以极大地提升雷达系统的角度分辨率。在图2所使用的级联雷达系统中水平角度分辨率可达到1.4°，俯仰角度分辨率可达到18°的效果。
图2 TI级联系统实物图 目前国内有不少厂商依托于TI成像雷达系统的级联方案进行系统改进，以达到更好的角度分辨率，级联方案来搭建成像雷达系统已成为当下的主流技术。 Arbe毫米波成像雷达系统——超大阵列和专用处理器方案 除了TI公司开发的级联雷达系统方案，以色列Arbe公司开发出了目前最大的48发48收级联雷达系统方案，其虚拟通道数可以达到惊人的2304，大大提升了毫米波雷达系统的角度分辨率，与此同时随着虚拟通道数的增加，传统的处理器无法解决毫米波雷达系统信号处理和数据处理，Arbe公司也推出了自己的专用毫米波雷达处理器芯片，使得毫米波雷达系统的集成度更高，数据处理更加高效。 图3为Arbe公司成像雷达系统实物图，从图中可以看出该成像雷达系统采用口字型阵列来设计MIMO雷达阵列，可同时在水平维度和俯仰维度探测目标。图4为Arbe公司雷达专用处理器框图，从其展现的框图中可以看出，在该专用处理器中增加了其独有的雷达信号处理硬件加速模块，以更好地解决成像雷达系统中数据高吞吐量的问题。
图4 Arbe成像雷达系统专用处理器框图 从Arbe的技术方案中可以看出，超大规模的MIMO阵列将可能是一种技术趋势，而在使用超大规模MIMO阵列后需要考虑产生的海量数据如何有效处理的问题，因此专用的成像雷达系统硬件加速模块是需要的，关于这点国内还比较空白。 Uhnder公司——PMCW雷达的领跑者 不同于传统FMCW信号波形，Uhnder公司采用的PMCW波形通过多天线同时发射正交相位编码信号的方式来探测目标的距离和速度，该方案不仅可以探测更远距离，同时在有效探测目标的同时可以有效的抗除雷达与雷达之间的相互干扰。在19年的ISSCC论文中Uhnder公司已经发表了其相关研究成果，在单科芯片中集成12发16收的雷达阵列。不同于传统的FMCW雷达系统方案，该雷达方案为全数字雷达方案，其芯片ADC采样率可达2 Gs/s，因此其对芯片设计者也是一大难题。在目前的国内雷达芯片系统方案中并没有采用类似方案的报道。
4D毫米波成像雷达系统中的难点
总结以上公司的技术演进路线，我们可以发现，在4D毫米波成像雷达系统存在多个亟需解决的技术难题。 （1）成像雷达系统的阵列设计问题： 在4D毫米波雷达系统中，通过MIMO使得系统虚拟通道数得到了极大提升，因此如何设计阵列以达到高精度的角度分辨率成为其中的一个难题。在已有的学术研究中将12个3发4收的MIMO芯片进行级联，构成36发48收MIMO雷达系统，可达到1728个虚拟通道。而文中通过遗传算法来设计稀疏阵列，使得雷达孔径更大，水平角分辨率可达到0.78°，俯仰角分辨率可达到3.6°。可以发现随着天线数的增多，在未来的成像雷达系统中，其阵列排布和角度分辨率将会得到更一步的优化和提升。
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