自動(dòng)駕駛需要構(gòu)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(guān)重要的一環(huán)，理想的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)需要全天候、全覆蓋、全目標(biāo)、全工況的感知。當(dāng)前的自動(dòng)駕駛技術(shù)水平離理想目標(biāo)還有較大差距，為了實(shí)現(xiàn)高階自駕，需要在全頻段上構(gòu)建感知系統(tǒng)，有效融合各頻段傳感器的優(yōu)勢(shì)，為規(guī)劃控制提供準(zhǔn)確有效的信息。

現(xiàn)階段自動(dòng)駕駛技術(shù)中，主要用到的傳感器有攝像頭、激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)。攝像頭的光譜從可見(jiàn)光到紅外光譜，是最接近人眼的傳感器，有豐富的語(yǔ)義信息，在傳感器中具有不可替代的作用，比如紅綠燈識(shí)別、交通標(biāo)識(shí)識(shí)別，都離不開(kāi)攝像頭的信息。激光雷達(dá)器件較為成熟，905nm波段廣泛應(yīng)用，能獲得豐富的場(chǎng)景立體空間信息。從頻譜可以看到，激光在頻譜上和可見(jiàn)光較為接近，因此和可見(jiàn)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(dá)波長(zhǎng)為3.9mm附近，是這幾種傳感器中波長(zhǎng)最長(zhǎng)的傳感器，全天候性能最好，且具備速度探測(cè)優(yōu)勢(shì)。

攝像頭和激光雷達(dá)由于有較為豐富的信息，前期的自動(dòng)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(dǎo)致其在使用上存在局限性。近年來(lái)，各大毫米波廠商在4D毫米波雷達(dá)上加大投入，在超寬帶和大天線陣列兩個(gè)方向上取得了一些進(jìn)展，這使得4D毫米波的研究成為了自動(dòng)駕駛研究的熱點(diǎn)之一。

4D毫米波雷達(dá)突破了傳統(tǒng)雷達(dá)的局限性

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

●當(dāng)有靜止車輛，目標(biāo)信息容易和地雜波等摻雜在一起，識(shí)別難度較大，而移動(dòng)車輛可以靠多普勒識(shí)別。

●當(dāng)有橫穿車輛和行人, 多普勒為零或很低，難以檢測(cè)。

●沒(méi)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(kāi)，容易造成誤剎，影響安全性。

●角度分辨率低，當(dāng)兩個(gè)距離很近的物體，其回波會(huì)被混在一起，很難知道有幾個(gè)目標(biāo)。

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

●最遠(yuǎn)探測(cè)距離不超過(guò)200 m，探測(cè)距離范圍有限。

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

●最遠(yuǎn)探測(cè)距離大幅可達(dá)300多米，比激光雷達(dá)和視覺(jué)傳感器都要遠(yuǎn)

●4D毫米波雷達(dá)系統(tǒng)水平角度分辨率較高，通?？梢赃_(dá)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(dá)系統(tǒng)可以測(cè)量俯仰角度，可達(dá)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(dāng)有橫穿車輛和行人, 多普勒為零或很低時(shí)通過(guò)高精度的水平角和高精度的俯仰角可以有效識(shí)別目標(biāo)。

●目標(biāo)點(diǎn)云更密集，信息更豐富，更適合與深度學(xué)習(xí)框架結(jié)合。

 4D毫米波雷達(dá)的先驅(qū)者

為對(duì)4D成像雷達(dá)系統(tǒng)有更系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，這里我們列舉了近年來(lái)市面上幾種常見(jiàn)的成像雷達(dá)系統(tǒng)方案，其中包括TI公司、Arbe公司、Uhnder公司。

1、TI級(jí)聯(lián)方案---毫米波成像雷達(dá)系統(tǒng)的開(kāi)辟者

在TI公司早期推出的毫米波雷達(dá)芯片AWR1243中通過(guò)發(fā)射FMCW信號(hào)來(lái)探測(cè)目標(biāo)的距離和速度，而使用時(shí)分波形的方式將三個(gè)發(fā)射和四個(gè)接收構(gòu)成的12個(gè)虛擬通道來(lái)探測(cè)角度，然而受限于角度分辨率，其獲取的目標(biāo)信息有效。而TI公司于19年推出了自己的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)級(jí)聯(lián)方案，其級(jí)聯(lián)效果如圖1中所示，通過(guò)將四個(gè)三發(fā)四收的單個(gè)MIMO芯片級(jí)聯(lián)方案可以構(gòu)成12發(fā)16收的MIMO雷達(dá)陣列，此時(shí)雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)的角度分辨率。在圖1所使用的級(jí)聯(lián)雷達(dá)系統(tǒng)中水平角度分辨率可達(dá)到1.4°，俯仰角度分辨率可達(dá)到18°的效果。

目前國(guó)內(nèi)有不少?gòu)S商依托于TI成像雷達(dá)系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)方案進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)，以達(dá)到更好的角度分辨率，級(jí)聯(lián)方案來(lái)搭建成像雷達(dá)系統(tǒng)已成為當(dāng)下的主流技術(shù)。
 

圖1 TI級(jí)聯(lián)系統(tǒng)實(shí)物圖

2、Arbe毫米波成像雷達(dá)系統(tǒng)---超大陣列和專用處理器方案