2020年中期，汽車毫米波雷達市場占有率第一名德國大陸汽車推出全球第一個4D成像毫米波雷達，即ARS540，第一個使用ARS540的車型可能是寶馬的電動車旗艦iX。這之后4D成像毫米波雷達概念風靡業界。最近上海車展上華為也發布4D成像毫米波雷達。
4D成像毫米波雷達的技術門檻極低，德州儀器在2016年底推出基于CMOS工藝的高集成度77GHz毫米波雷達芯片，其適用于中短距場景的AWR1642 系列將前端MMIC RF、DSP和MCU三個模塊集成在一個77GHz毫米波雷達SoC芯片上，顯著降低了毫米波雷達成本，大幅拉低了車載毫米波雷達的硬件開發難度。
針對近距離場景，TI打造了集成度更高的天線片上集成（AoP）芯片，將天線集成在芯片里，將難度最高的平面印刷天線集成其中，讓天線工程師無路可走，也將毫米波雷達價格拉低到百元級別。相比其他雷達芯片廠商，TI芯片開發具有傻瓜式的特點，底層軟件開發很完備，工具鏈做的很容易上手，任何一個入行兩年的射頻工程師基本都可以單獨一個人搞定一個毫米波雷達設計。這就滋生了數量眾多的初創毫米波雷達企業。
然而時間長了TI發現，NXP和英飛凌幾乎壟斷的毫米波雷達芯片組市場格局并未有改變，于是TI另辟蹊徑，力推4D成像毫米波雷達概念，基本上在2018年底就提供基于AWR2243的4片級聯4D毫米波雷達全套設計方案，包括最難搞的天線也考慮在內，內嵌4-element series-fed patch 天線。算法部分則提供MATLAB MIMO和beamforming兩種選擇，就像交鑰匙工程，讓4D成像毫米波雷達沒有技術門檻。
與此同時，作為毫米波雷達霸主的德國大陸汽車也在研發4D成像毫米波雷達，實際在2015年大陸汽車就預感到傳統3D（即速度、距離和方位角，這是傳統毫米波雷達提供的數據）毫米波雷達已經走到盡頭，ARS540的研發工作起始于2016年，最初的設計是使用NXP的S32R274兩片，但這帶來一些問題，兩片S32R274導致PCB面積太大，而汽車雷達是希望盡量小體積的，同時前端的傳感器融合需要比較高的帶寬，大陸汽車最初的設計是使用MIPI CSI3，其帶寬為14.88Gbps，比常用的MIPI CSI2更好，而S32R274是MIPI CSI2。但是支持MIPI CSI3的芯片很少。
此外大陸汽車希望ADC的精度更高，這樣高度分辨率才足以實用，并且兩片芯片的時鐘同步等工作也比較麻煩，最終大陸汽車決定使用Xilinx的Zynq UltraScale+ RFSoC 系列FPGA。Xilinx的ZynqUltraScale+ RFSoC 系列FPGA專用射頻領域設計，內部包含超高精度ADC和DAC，有12、14比特兩個檔次選擇，最多16個ADC或DAC。通常ASIC里考慮成本，ADC和DAC的配置都不會如此豪華，S32R274里只有4個12比特ADC，取樣率只有10Msps。
在被FPGA取代后，NXP也開始抓緊研發針對4D成像毫米波雷達芯片組的工作，2020年12月NXP推出S32R45 4D成像毫米波雷達信號處理器和TEF82xx收發器。為4D 成像毫米波雷達芯片組增加了一個選擇項，未來英飛凌和ADI公司也很有可能推出相關的芯片組。
ARS540采用4片級聯的形式，將4片NXP的77GHz毫米波雷達收發器（即MMIC）MR3003級聯，每個MR3003是3發4收，4片就是12發16收，目前絕大多數毫米波雷達都是采用單片收發器，通常只有3發4收，也就是只有12個虛擬通道，而ARS540是192個虛擬通道，分辨率大大提高。可以稱之為圖像雷達。
TI的方案也是如此，如出一轍，只是用AWR2243代替MR3003，用TDA2x代替FPGA。除德國大陸汽車，中國乃至全球的4D成像毫米波雷達基本都是基于TI的級聯方案，有追求低成本的2片級聯，有追求性能的4片級聯。還有家以色列的初創公司Vayyar自己開發關鍵的收發器芯片，華為的12發24收4D成像毫米波雷達似乎是采用自己做的芯片，應該是4片3發6收的收發器級聯而成，但也有可能是德州儀器的AWR1642六片級聯而成。AWR1642是2發4收。
我們先來看德州儀器的方案，德州儀器提供全套電路圖。
德州儀器4D成像毫米波雷達開發板框架圖
德州儀器4D成像毫米波雷達內嵌4-element series-fed patch天線，采用業內品質最高的RogersRO3003 PTFE載板。
可以看出，老牌的大陸汽車4D毫米波雷達性能強大無比，具備碾壓性質。德州儀器在距離和分辨率之間做了妥協。
ARS540是唯一具備能夠真正測量目標高度的毫米波雷達，也就是其垂直分辨率Elevation比較高，達到2.3°，遠高于德州儀器方案，畢竟大陸汽車是自己設計天線，擁有超過20年的經驗，且MR3003也確實比較強。從這個角度講，ARS540到目前應該還是全球唯一4D毫米波雷達。當然如果不用德州儀器的內嵌天線，自己單獨設計，可能會好一點，但也不會好太多，并且會付出很長的研發周期，購置上千萬人民幣的研發設備和設施，初創公司肯定不會這么大手筆投資固定資產。當然啦，或者用仿真軟件也湊合可以。
ARS540的高度測量
成像毫米波雷達的成像是什么樣的？
上圖是取自德州儀器的開發板說明書，這是自行車和行人離車輛1.5米距離時的毫米波雷達成像圖，如果是普通的3發4收單片3D毫米波雷達，自行車恐怕只能檢測到一個點，甚至檢測不到。即便是成像毫米波雷達，行人也只是一個小點，普通雷達則完全檢測不到，這是因為金屬反射電磁波的性能遠比人體要高。顯然成像毫米波雷達無法和激光雷達成像相提并論。
對于車的成像還是相當不錯的，這個能勉強看出有車門開著。
再來看NXP的方案。
上表為TFE82XX與AWR2243主要參數對比，NXP性能略勝一籌，德州儀器的取樣頻率更高。
NXP的S32R45內部框架圖
S32R45采用4個A53運算核和3個M7實時運行與安全核。整體達ASIL-B級，MCU部分達ASIL-D級標準。雷達數據處理方面有一個SPT 3.1 @ 600 MHz 集成 DSP 和多線程處理器，一個BBE32 DSP，環境模型方面有一個線性代數加速器，算力有300GFLOPS。接口異常豐富，包括4x MIPI CSI2，PCIe2 x Gen2/3, 2 lanes， 2 x GbE 10/100/1000 Mbit/s，8 x FlexCAN with FD。支持AUTOSAR MCAL4.4。達到最高的AEC-Q100 1級標準，即-40 ?Cto 150 °C （Tj） 。
所謂4D成像毫米波雷達的第四就是高度，眾所周知，傳統雷達輸出3個維度的信息，分別是方位角、速度和距離。后兩者通過FFT取得，前者是利用多個天線的相位差信息獲得。傳統雷達沒有俯仰角天線通道，只有方位角天線通道，自然就沒有俯仰角信息。解決辦法有幾種，通常是增加俯仰通道，但是在總通道數不變的情況下，意味著水平方位角精度的降低，畢竟水平方位角才是主要信息。要增加總通道數，成本增加還是小事，運算量會大幅度增加數倍乃至幾十倍，現在的77GHz雷達處理芯片基本被英飛凌和NXP壟斷，沒有合適的芯片可用。因此大部分廠家的俯仰通道只是勉強做到，精度很低，博世MRR采用俯仰面天線方向圖幅值比來計算俯仰角，這種方法不增加通道數，也不增加成本，只增加俯仰天線的主波束寬度。這種方法需要先驗知識，且無法區分非水平目標處于高處還是低處。
大陸汽車可能采用了Monopluse的設計，相當于一根物理天線做俯仰角測試，再通過MIMO虛擬通道增加精度。AR540采用雙波束成形，一個波束是48 （Az.） x 1 （El.） = 48 channels，轉為方位角設計，大幅度提高方位角測量精度。另一個是24 （Az.） x 6 （El.） = 144 channels，里面包含了俯仰角測量。
所謂成像意義不大，即使再強的深度學習碰上毫米波雷達那樣稀疏的圖像也基本無能為力。
能測高度的同時就可以不再過濾靜態目標，因為窖井蓋、減速帶、立交橋、天橋、路邊金屬牌會導致雷達誤動作，因此傳統雷達都將靜態目標過濾掉。如果能測量高度，就能提高目標檢測的置信度，不再過濾靜態目標。
實際毫米波雷達的難點在生產領域，射頻產品的生產，特別是一致性是需要長時間摸索的，這不是坐辦公室的博士們能完成的。實際量產毫米波雷達超過20年的博世、大陸之類的團隊中掌握核心關鍵Knowhow的專家不超過5個，都是長期在生產線摸索出來的。
來源：Yole
毫米波雷達幾乎沒有技術門檻，門檻都在生產和供應鏈領域，全球前五大占據了75%以上的市場，這中間還包括了主打24GHz的海拉，大陸是當之無愧的第一，單價也最高，國內除了吉利很少有人使用。第二是電裝加上收購的富士通天。第三才是博世，前向主雷達基本壟斷國內市場，并且還多是MRR四代，四代的LRR可能只有小鵬使用。第四是海拉萬都，第五是維寧爾。這個排名可能也有錯誤，安波福的出貨量也很大，但主要是角雷達。
4D成像毫米波雷達是故弄玄虛還是真的突破，相信大家心里都已經有了答案。