什么是4D毫米波雷达? 4D毫米波雷达能不能替代激光雷达？

时间： 2024-06-14 来源：KEYSIGHT知乎

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什么是4D毫米波雷达?

4D毫米波雷达是传统毫米波雷达的升级版，4D指的是速度、距离、水平角度、垂直高度四个维度。相比传统3D毫米波雷达，4D毫米波雷达增加了“高度”的探测，将第四个维度整合到传统毫米波雷达中，这使得4D毫米波雷达获取信息的维度更加丰富，可以测量俯仰角度，且角度分辨率可以达到1度左右。而且毫米波雷达探测距离更长，最远探测距离可达350多米。4D毫米波雷达目标点云更密集，可以形成点云成像级的输出，进而可以使用数据驱动的方式进行图像识别。

总体而言，4D毫米波雷达具有更佳的探测能力，更高的分辨率和精度，以及传输距离远、穿透能力强等优点，在人工智能技术的加持下，能够实现更加智能化的感知和跟踪，从而为自动驾驶、智能交通等领域提供更加可靠的数据支持。

未来4D毫米波雷达有望替代低线束的激光雷达，从而降低自动驾驶成本，根据辰宇咨询数据，2023年全球4D毫米波雷达市场规模4.5亿元，预计到2030年将达到156亿元，CAGR为65.4%。

4D毫米波雷达优势

毫米波雷达是通过发射调频连续波（FMCW），利用反射波与发射波之间时间差来计算目标距离，主要由前端收发模块、数字信号处理单元和接口模块组成，波长和频率分别在1-10mm和30-300GHz之间，在自动驾驶领域主要为24GHz、77GHz和79GHz三个频段。

其中信号收发与处理是毫米波雷达工作的关键环节，射频发射器首先产生电磁波将其发射，电磁波遇到障碍物后反射或散射形成回波信号，接收器接收回波信号，经混频器和滤波器进行信号混合和滤波后，再由后端进行调制调解等算法处理得到目标数据。

应用指南

如何使用3D场景建模框架的汽车FMCW雷达系统设计？www.KEYSIGHT.com.cn/cn/zh/assets/7018-04950/application-notes/5992-1063.pdf“。本应用指南提出了先进型FMCW雷达系统的设计方法，其中需要应用多天线、数字波束赋形（DBF）、多维DSP信号处理和参数估计算法等技术。”

目前汽车上搭载的毫米波雷达主要为3D毫米波雷达，只能探测距离、速度和角度三类信息，无法探测物体高度，不能识别前方静止物体是否会对车辆通行造成影响，同时3D毫米波雷达信噪比较低，存在大量误测。从技术层面看，4D毫米波雷达拥有可以平替传统3D毫米波雷达的潜力，性能更加优异，是汽车自动驾驶感知体系的有力补充。

4D毫米波雷达有三个技术趋势

高分辨率 - 分辨率的提高，不仅需要距离和速度精度的提高，更需要角度分辨率的提高。

4D毫米波雷达增加了俯仰角测量信息，且角分辨率达到亚度（＜1°）级别，相比于普通雷达4千点/秒的点云数量，4D毫米波雷达点云数量可达到3万点/秒以上，通过输出大量三维点云清楚呈现出目标轮廓，特别是针对毫米波雷达对激光雷达的代替，如果实现1度以内的角度分辨率探测，4D毫米波雷达有很大的挑战。

为了解决更高距离分辨率和速度分辨率需要更大的带宽和信号调制质量；为了提升角度分辨率需要更多的收发通道和算法。

目前信号的带宽在2G以内；
FM slope FM error 在100KHz/chirp以内；
目前4D毫米波雷达12Tx*16Rx。

更多点云&雷达成像 - 为了更好的对目标聚类需要更多的点云，甚至是成像。

更多的FMCW调制帧（或Radar Feature)，传统的雷达基本上就是1或2个，如果是2个，一个用远距离探测，另一个用于近距离探测。目前在4D毫米波雷达有非常复杂的自适应调制，分别有调频、调相、调幅，9个不同的调制帧；
更多芯片级联，目前已经有成熟的4D毫米波雷达级联的方案，像Infineon 最新的芯片CTRX8191支持12片的级联，支持48Tx*48Rx；
为了更多点云或成像，需要采用虚拟孔径的技术实现上百个模拟通道，可以实现每秒上万个点云的输出。

更远的探测距离和抗干扰 - 传统的雷达一般能实现250m的探测距离，现在4D毫米波雷达可以实现350米远范围内检测、区分和追踪多个静止和移动目标。与激光雷达相比，4D毫米波雷达点云密度已与低线束的激光雷达相当，同时成本仅为激光雷达的10%-20%，且受天气影响较小，相较激光雷达波长更长，可穿过物体探测到激光雷达无法探测到的前方障碍物。

采用MIMO和更高功率输出实现更远距离探测。车辆在道路上面行驶，如果没有隔离带宽行驶车辆与对面而来的车辆，毫米波雷达相互之间的干扰非常严重。所以，目前有很多雷达采用跳频和相关技术，或才采用波束电扫描技术来进行抗干扰；同样天线设计也可以对前向雷达和后向雷达做45度的极化处理。

相较于传统毫米波雷达，4D毫米波雷达拥有更多的射频芯片数量，集成度和封装技术更先进，天线设计制造更复杂，现阶段单颗成本还是高于前者。

应用指南

如何减少雷达之间的干扰？www.keysight.com.cn/cn/zh/assets/3121-1138/application-notes/Mitigating-Interference-in-Automotive-Radar-Systems.pdf了解了4D毫米波雷达的优势。

4D毫米波雷达能不能替代激光雷达？

短期内传感器市场的需求将主要被摄像头和毫米波雷达所驱动。由于各传感器特性使然，在L3及以上自动驾驶，采用激光雷达、摄像头、毫米波雷达、和多传感器融合的方案将是必然。因此我們得出结论 - 3年内4D毫米波雷达和激光雷达很难做到相互替代，未来的自动驾驶传感器技术更多的是融合、冗余、相互补充共同保证自动驾驶可靠、安全运行。

4D激光雷达和毫米波雷达的区别

4D激光雷达和毫米波雷达的区别

表格中的雷达是ARS540，能够输出图像的毫米波雷达，汽车称之为Rdar Detection Image Output RDI，效果直逼8线激光雷达。从分辨率上来看，特别是垂直分辨率4D毫米波雷达已经接近激光雷达。然而，4D毫米波雷达最明显的差距就是点云的数量，导致的问题就在点云数据聚类上比激光雷达要差。所有的传感器的数据必须聚类，也就是构图（mapping)和分类（Classification)，如右边的图。在目标分类上，激光雷达探测目标的边缘锐度要远远高于4D毫米波雷达，这个主要的问题就是雷达所采用的信号波长有关。随着技术的发展，是否在未来4D毫米波雷达能否达到激光雷达的边缘锐度，我们拭目以待。

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