剖析全球最先進毫米波雷達——大陸ARS540

近年來，自動駕駛成為了當下最熱門的話題。隨著自動駕駛技術的發展，作為其關鍵傳感器之一的毫米波雷達，也得到了廣泛關注。但就目前來看，海外巨頭公司主導著全球毫米波雷達產業的發展，其中，大陸ARS540更以九項世界第一或是唯一的絕對優勢領跑全球毫米波雷達技術。

圖為：大陸ARS540

首先，ARS540是解析度最高的毫米波雷達，地平經度Azimuth或者說水平解析度達1.2°，絕大多數毫米波雷達水平解析度只有5°，ARS540是普通毫米波雷達水平解析度的5倍，。

其次，ARS540是唯一具備能夠真正測量目標高度的毫米波雷達，也就是其垂直解析度Elevation較高，達到了2.3°。

圖為：ARS540的高度測量

第三，ARS540有效距離在水平視場角（FOV）在100°情況下高達300米，其他毫米波雷達有效距離可達250米，但FOV會縮到只有8-10°，遠低於ARS540的100°。

第四，ARS540是唯一能夠輸出圖像的毫米波雷達，大陸汽車稱之為Rdar Detection Image Output RDI，效果直逼8線雷射雷達。

第五，ARS540使用微都卜勒技術，是唯一可以檢測道路弱勢群體使用者VRU（如老年人和兒童）的毫米波雷達。

第六，ARS540是唯一使用SAR合成孔徑技術提高近距離解析度的毫米波雷達，在10米範圍內，ARS540可以使用SAR技術提高角解析度。

第七，ARS540是唯一不過濾靜態目標的毫米波雷達。目前，絕大多數毫米波雷達為降低誤報率，會過濾掉靜態目標，ARS540具備超高解析度，同時能檢測物體高度，誤報率大幅降低，所以保留了靜態目標。

第八，ARS540是唯一具備複雜交通場景下軌跡跟蹤與預測的毫米波雷達。

第九，ARS540可以探測到隱藏的車輛。ARS540探測到隱藏車輛的機率從上一代最先進產品ARS430的40%，提升至80%，而大部分毫米波雷達只能做到20%。

偵查隱藏車輛（車隊）

ARS540取得絕對第一性能的背後是其複雜的設計。

圖為ARS540結構示意圖

結構上，ARS540採用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採用單片收發器，通常只有3發4收，也就是只有12個虛擬通道，而ARS540高達192個虛擬通道，解析度大大提高。可以稱之為圖像雷達。

圖為圖像雷達註解；圖片來源：恩智浦

目前絕大多數毫米波雷達都是處於第一階段，即1片MMIC。目前大部分前向主毫米波雷達主要由大陸和博世壟斷，中低端車型使用大陸的ARS4B、ARS408或ARS410，其核心都是一片比較老的NXP收發器MR2001，如特斯拉Model 3為節約成本使用最便宜的ARS4B，其有效距離最多只有170米，中國本土品牌多使用ARS410，有效距離250米。國外高端車型則使用ARS510，核心為一片最新的MR3003。博世在國內主推MRR1 PLUS，使用英飛凌的分離型收發器RRN7745P/RTN7735P。長距離的LRR4使用一片MR2001。

圖為MR2001系統示意圖。MR2001是MR3003的上一代產品，也是使用最廣泛的長距離毫米波雷達收發器，博世、大陸集團、安波福、奧託立夫均有使用。

圖為MR3003內部框架圖

從上面兩張圖中，我們可以看到MR3003相比MR2001有很大變化，首先是MR3003集成了ADC即模擬數字變換，MR2001需要經過低通濾波器過濾後將模擬數據傳輸給MCU再處理，這當中信號或有損失，影響了精度，MR3003集成了ADC變換，不再將ADC放在MCU中，採用MIPI CSI2或LVDS輸出，可以輸出高帶寬，為圖像輸出打下基礎，也提高了信噪比，也就是解析度和精度。其次是增加了功能安全模塊。再次是集成了PLL鎖相環電路，而不是MR2001那樣外置VCO。成本更低，可靠性更高。最後，MR2001是4發3收天線設計，MR3003是3發4收天線設計。

MCU方面，ARS540也採用新一代的S32R274，而對應MR2001的一般是MPC5773。

圖為S32R274的內部框架圖

S32R274採用三核設計，兩個e200z7260負責計算，一個e200z420負責安全。最高可達ASIL-D級安全應用。在通訊接口方面具備最大靈活度，遠比上一代產品強，首先是增加了對乙太網的支持，擁有乙太網MAC，支持超過百兆以上乙太網RGMII，可以輸出圖像。有一對Flexray總線通道，支持128位信息緩衝。有三個柔性CAN，可以支持CAN-FD。還有最高達320Mbps的Zipwire高速串行通訊。默認輸出還是CAN，備選為乙太網輸出。

雷達信號處理示意圖；圖片來源：恩智浦

算法方面，主要是加強了CPI和DOA。Chirp是啁啾（讀音：「周糾」），是通信技術有關編碼脈衝技術中的一種術語，是指對脈衝進行編碼時，其載頻在脈衝持續時間內線性地增加，當將脈衝變到音頻地，會發出一種聲音，聽起來像鳥叫的啁啾聲，故名「啁啾」。FFT是快速傅立葉變換，CFAR是Constant False-Alarm Rate恆虛警率的縮寫。在雷達信號檢測中，當外界幹擾強度變化時，雷達能自動調整其靈敏度，使雷達的虛警概率保持不變。具有這種特性的接收機稱為恆虛警接收機。DOA(direction of arrival)估計算法是核心，這種算法通常需要比較高的算力，NXP或者說Freescale的Power架構比較合適，ARM架構則成本較高。DOA估計（或波達方向估計）：將接受信號進行空間傅立葉變換（空間傅立葉變換和離散時間傅立葉變換的區別是，空間傅立葉變換的求和是對陣元空間位置m，而時域傅立葉變換的求和變量時離散時間n），進而取模的平方得到空間譜，估計出信號的到達方向（空間譜的最大值對應的相位φ，再根據定義φ=2πdsinθ/λ，計算θ）。

ARS540採用雙MCU設計，即兩片S32R274。每一片S32R274連接兩片MR3003。某種意義上講ARS540等於4個ARS510雷達放在一個盒子裡。這個難度遠高於一個雷達，雷達是超高頻元件，互相之間很容易出現幹擾，其中很多訣竅不是靠電腦仿真就能解決的，需要長時間的經驗累積，不僅要有射射頻電子領域的經驗，還要有對材料和機械結構領域的經驗。ARS540也是第一個採用級聯設計的量產毫米波雷達。不僅設計很具有挑戰性，在生產工藝也是如此，外殼的材料厚度都會影響雷達性能，這些導致雷達一致性在生產工藝上面臨巨大挑戰，很多領域都是靠經驗積累才能解決的，中國不缺優秀的設計師，但是經驗豐富的一線員工則完全沒有。

隨著毫米波雷達性能的增長，對雷射雷達地位開始產生威脅，特別是4線雷射雷達。未來如果實現6個或8個單位級聯，那麼毫米波雷達將對16線雷射雷達產生威脅。與此同時，毫米波雷達還在性價比和車規方面擁有壓倒性優勢，這也就意味著，未來雷射雷達要著力提高解析度才能保證其地位。

*本文為蓋世汽車作者投稿，文章僅代表作者本人觀點。