革命前夜！一文看懂4D毫米波雷达
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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，高处物体如桥粱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。
最远探测距离大幅可达300多米，比激光雷达和视觉传感器都要远 4D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 300m 处的两辆近车 4D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 150m 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。
为对4D成像雷达系统有更系统的认识，这里我们列举了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、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19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1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，该方法可以极大的提升了雷达系统的角度分辨率。在图1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。
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。
图1 TI级联系统实物图
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，大大的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2中为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，可同时在水平维度和俯仰维度探测目标。图3中为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，以更好的解决成像雷达系统中数据高吞吐量的问题。
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。
图2 Arbe成像雷达系统实物图
图3 Arbe成像雷达系统专用处理器框图
Uhnder公司---PMCW雷达的领跑者
图4 Uhnder公司高集成成像雷达系统[1]
1)、成像雷达系统的阵列设计问题
(a)
(b)
(c)
图5 文献[2]中的4D成像雷达系统；(a)芯片级联硬件实物；(b)优化后的36发48收稀疏阵列示意图；(c) 优化后的36发48收稀疏阵列实物图
2)、成像雷达波形设计问题
与传统相控阵雷达相比，MIMO雷达的最大特点在于采用波形分集技术。波形相关系数是表示波形分集的重要参数，MIMO雷达的各天线发射正交信号，波形间的相关系数为0，在空间形成低增益宽波束，接收端通过DBF合成多个接收波束，实现覆盖大空域的探测。对于MIMO正交波形设计，使用者希望设计的波形尽可能地具备高分辨率、低旁瓣、良好的正交性，目前常用的四种方法为时分复用（TDMA）、频分复用（FDMA）、多普勒分集复用（DDMA）、码分复用（CDMA）等。表1中对各类正交波形做了总结，现有的雷达芯片中已经可以支持交替发射TDMA、CDMA和DDMA波形，因此如何复用波形以提升阵列使用效率成为设计者应该思考的问题。
3)、成像雷达抗干扰问题
图6 雷达与雷达之间相互干扰示意图
图7 Arbe专利中的跳频波形设计以消除雷达之间的干扰
4)、毫米波雷达专用处理器问题
图8 TI IWR6843雷达信号处理框图
图9 文献[3]中基于张量的4D雷达识别方法
[1] V. Giannini et al., "9.2 A 192-Virtual-Receiver 77/79GHz GMSK Code-Domain MIMO Radar System-on-Chip," 2019 IEEE International Solid- State Circuits Conference - (ISSCC), 2019, pp. 164-166, doi: 10.1109/ISSCC.2019.8662386.
[2] D. Schwarz, N. Riese, I. Dorsch and C. Waldschmidt, "System Performance of a 79 GHz High-Resolution 4D Imaging MIMO Radar With 1728 Virtual Channels," in IEEE Journal of Microwaves, 2022, doi: 10.1109/JMW.2022.3196454.
[3] K-Radar: 4D Radar Object Detection Dataset and Benchmark for Autonomous Driving in Various Weather Conditions.https://doi.org/10.48550/arXiv.2206.08171
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