未來車用雷達(dá)將回歸模擬？

　　現(xiàn)在正是讓雷達(dá)平臺回歸模擬的時候了!新創(chuàng)公司Matawave認(rèn)為“我們?nèi)匀淮嬖谟谀M世界，汽車也是如此”。該公司期望透過高性能的模擬雷達(dá)平臺改變傳統(tǒng)雷達(dá)的限制...

　　為了在高度自動化的車輛中增加對于現(xiàn)實世界的情境意識，許多汽車制造商開始接受在每個機(jī)箱周遭布署各種感測器類型的必要性。然而，他們并未考慮到的是這些感測器的品質(zhì)。例如，當(dāng)今的視覺、光達(dá)(LiDar)與雷達(dá)感測器的性能如何?車用感測器需要具備哪些要求?

　　Metawave是今年初才從Xerox PARC研究中心獨(dú)立而出的新創(chuàng)公司，但有信心能改變汽車產(chǎn)業(yè)所認(rèn)定的“傳統(tǒng)雷達(dá)限制”。目前，車用雷達(dá)“看”不到遙遠(yuǎn)的物體，也無法辨別所看到的東西。其處理速度還不足以因應(yīng)在高速公路行駛時運(yùn)作。

　　簡言之，攝影機(jī)或光達(dá)都能看到的物體，當(dāng)今的車用雷達(dá)不一定都能看到。它唯一可取之處在于能在全天候的情況下運(yùn)作。

　　Metawave在今年一月成立，憑藉著從PARC獲得的專有授權(quán)為超材料雷達(dá)與天線進(jìn)行商用化，目前正大力宣傳其“全雷達(dá)封裝”技術(shù)。Metawave計劃在2018年1月的國際消費(fèi)電子展(CES)上展示這款原型。

　　超材料是布署于印刷電路板(PCE) 上的小型軟體控制工程結(jié)構(gòu)。據(jù)該公司指稱能以從前僅限于軍用系統(tǒng)(較強(qiáng)大且昂貴)的方式導(dǎo)引電磁波束。

　　然而，Metawave并未把當(dāng)今車用感測器的問題歸咎于雷達(dá)晶片——主要是由恩智浦(NXP)、英飛凌(Infineon)或德州儀器(Texas Instruments;TI)等供應(yīng)商所設(shè)計。事實上，Metawave的全雷達(dá)封裝并不受特定雷達(dá)晶片限制。相反地，該新創(chuàng)公司認(rèn)為問題出在雷達(dá)感測器(包括天線)中的波束成形技術(shù)，導(dǎo)致了解析度與速度方面的問題。

　　回歸模擬

　　Matawave執(zhí)行長Maha Achour認(rèn)為，現(xiàn)在正是業(yè)界讓“雷達(dá)平臺回歸模擬”的時候了。她強(qiáng)調(diào)，“我們?nèi)匀淮嬖谟谀M世界，汽車也是如此。因此，Metawave計劃打造一個可負(fù)擔(dān)的高性能模擬雷達(dá)平臺，而不至于面對像軍事級操作時的復(fù)雜度和成本?！?/p>

　　Metawave的模擬雷達(dá)技術(shù)基于電子轉(zhuǎn)向控制天線。它采用具有雙埠的單根天線，一端連接到發(fā)射器(Tx)或接收器(Rx)鏈路，另一端連接到微控制器(MCU)。該MCU透過使用查找表(LUT)定義和控制天線波束寬度與方向，從而使Metawave的模擬雷達(dá)得以實現(xiàn)微秒級的速度掃描。(來源：Metawave)

　　Achour聲稱，Metawave利用單一天線設(shè)計出新的模擬雷達(dá)，能以水平和垂直方向引導(dǎo)和形成光束，并從更寬的視野調(diào)整光束到非常窄的圓錐角度——低至1度。Achour說：“我們能以非?？斓乃俣葘崿F(xiàn)——微秒級的速度掃描?！?/p>

　　但是，Metawave的模擬雷達(dá)如何與現(xiàn)在廣泛用于車輛中的數(shù)位雷達(dá)進(jìn)行比較?

　　基于數(shù)位波束成形(DBF)技術(shù)的雷達(dá)需要天線陣列，用于聚焦發(fā)射器以特定方向發(fā)射的電磁訊號，并將其轉(zhuǎn)向其他方向。然后，接收器再從物件擷取返回訊號，并以數(shù)位方式進(jìn)行處理，最終形成場景的影像。

　　為了實現(xiàn)這一過程，Achour解釋，數(shù)位雷達(dá)必須“為每根天線注入不同的相位延遲，使波束在同一方向聚攏，并沿著其他方向擴(kuò)展?！?/p>

　　DBF的缺陷在于相位延遲。運(yùn)算需要復(fù)雜且冗長的數(shù)位訊號處理。Achour指出：“這種密集的訊號處理導(dǎo)致極慢的反應(yīng)速度(在轉(zhuǎn)向光束時為毫秒延遲)和較差的“集體”輻射模式，因為光束被轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離天線準(zhǔn)線(零度角)。

　　目前用于車輛中的數(shù)位雷達(dá)感測器采用數(shù)位波束成形技術(shù)，并透過復(fù)雜且冗長的數(shù)位訊號處理來計算相位延遲(即圖中的權(quán)重—wi)。天線具有靜電輻射，而且有賴于于數(shù)位權(quán)重以形成和轉(zhuǎn)向控制光束(來源：Metawave)

　　因此，她說：“這些傳統(tǒng)雷達(dá)由于控制不好主瓣和旁瓣，因而無法在長距離時以廣角觀察?！?/p>

對遠(yuǎn)端物體作出決定

　　目前與Metawave共同合作的顧問兼投資人Drue Freeman表示，“針對自動駕駛車輛，我認(rèn)為架構(gòu)師必須解決的最大問題之一就是能夠?qū)h(yuǎn)離車輛的物體做出決定?！狈駝t，自動化車輛的最高速度將會受到限制，F(xiàn)reeman指出。

　　Freeman說：“今日的雷達(dá)解決方案即使采用了最佳的數(shù)位波束成形技術(shù)，或許能可靠地看到車子前方200公尺處的距離，也能偵測到有『東西』在那里，但他們沒法辨識那是什么?！?/p>

　　而現(xiàn)實情況是DBF不是支援高解析度就是高訊雜訊比(SNR)，并非二者兼具。

　　超材料

　　Metawave聲稱其目標(biāo)在于提供類似于用于追蹤導(dǎo)彈的高性能雷達(dá)，但又不至于產(chǎn)生像軍事應(yīng)用所需要的成本、復(fù)雜度和功耗。Achour說，Metawave的模擬雷達(dá)“模擬了相位陣列”，就像軍用天線一樣。但該新創(chuàng)公司能在無需仰賴軍事應(yīng)用部署的移相器下實現(xiàn)這一點，因為它利用了自家的超材料。

　　Metawave的超材料頻率自適應(yīng)轉(zhuǎn)向技術(shù)(來源：Metawave)

　　Freeman坦承：“Metawave讓人感到振奮的是其基于超材料的模擬波束成形技術(shù)，讓他們能精確地控制雷達(dá)波束，實現(xiàn)更快的操作速度以及更好的SNR，而不至于犧牲解析度?！?/p>

　　Metawave技術(shù)長Bernard Casse表示，超材料除了可為雷達(dá)和天線實現(xiàn)“視覺”和“速度”外，Metawave的模擬雷達(dá)還將帶來“智能”。Metawave已為其模擬雷達(dá)嵌入了人工智能(AI)引擎。

　　在該AI引擎內(nèi)部是一系列的演算法，Casse解釋，“除了深度學(xué)習(xí)(deep learning)和決策演算法以外，還包括測距多普勒(range-Doppler)評估演算法、雜波和干擾抑制演算法、物件偵測和追蹤演算法，以及其他專有的電磁和雷達(dá)程式碼等。”

　　雷達(dá)中的AI引擎究竟能學(xué)習(xí)什么?Casse說：“它高度取決于場景。”例如，如果一輛車行經(jīng)橋下，將會遭遇許多訊號反射。AI引擎可以在各種干擾下進(jìn)行分類與排序，并協(xié)助雷達(dá)定位必須查看的物體。

　　Freeman說：“Metawave的案例極具意義，因為在許多情況下，雷達(dá)將成為最先在道路上『看』到東西的傳感器，而且能在傳感器融合處理以前，利用AI引擎初步分類所看到的東西?！?/p>

　　The Linley Group資深分析師Mike Demler說：“每一種傳感器都有其局限性，所以不用說也知道有許多雷達(dá)失敗的例子。但是，還有更多可能的情況是軟件未能正確解讀訊號。”

　　他指出，“最糟糕的案例是特斯拉(Tesla)自動駕駛車日前在佛羅里達(dá)州發(fā)生的意外事故，原因就出在Tesla的自動駕駛系統(tǒng)未偵測到白色貨車穿越其車道而釀禍。車用雷達(dá)一直是相對較便宜的傳感器，主要用于簡單的測距功能，如自適應(yīng)巡航控制等，它并不是針對物體辨識而設(shè)計的。顯然地，Metawave正致力于開發(fā)使用合成孔徑雷達(dá)(SAR)的技術(shù)，這將為雷達(dá)提供物件辨識的能力?！?/p>

　　開啟新業(yè)務(wù)模式

　　Metawave執(zhí)行長Achour看好AI在其雷達(dá)應(yīng)用的巨大前景。一旦雷達(dá)開始用其AI“大腦”在道路上收集資料并解讀行駛的環(huán)境，Achour期望Metawave能為汽車產(chǎn)業(yè)提供可用的資料?！拔覀兡芴峁┗诔淌酱a的AI與演算法搭配雷達(dá)作業(yè)所學(xué)習(xí)的成果，并從中賺取服務(wù)費(fèi)?！?/p>

　　根據(jù)多項預(yù)測指出，在未來的第4/5級(Level 4/Level 5)自動駕駛階段，汽車產(chǎn)業(yè)將不再依賴于車子的單位銷售量，而將更著眼于每輛車的行駛里程數(shù)。在此情況下，Achour指出，硬體公司也必須改變其業(yè)務(wù)模式。提供由AI收集的情報作為服務(wù)，為Metawave帶來新的商機(jī)。

　　車用模擬雷達(dá)將取代光達(dá)?

　　Demler表示：“如果Metawave能夠降低成本，或許就可能實現(xiàn)?！钡麑τ贛etawave的雷達(dá)是否真的能超越光達(dá)的解析度仍抱持懷疑的態(tài)度。

　　Freeman則認(rèn)為現(xiàn)在預(yù)測還為時過早。他解釋說，“每一種傳感器都各有其優(yōu)點和缺點。Metawave所做的是解決雷達(dá)的一些弱點，我認(rèn)為它所用的方式確實能使其足夠強(qiáng)大、解析度夠高，可能讓汽車OEM用于設(shè)計完全不需要光達(dá)的全堆疊傳感器系統(tǒng)?！比欢?，他也補(bǔ)充道：“目前所用的光達(dá)具有高品質(zhì)且低成本，仍然更能有效地實現(xiàn)這任務(wù)?！?/p>

　　Achour的看法略有不同。她說：“一開始，所有的傳感器都會被要求實現(xiàn)完全的自主性。隨著AI引擎日趨成熟，數(shù)位地圖變得更加可靠和精確，即使是在沒有V2X通訊的情況下，雷達(dá)和攝影機(jī)就足以讓汽車實現(xiàn)零事故的自動駕駛目標(biāo)了?！?/p>

　　她指出：“有些人可能認(rèn)為，實現(xiàn)精確定位絕對少不了光達(dá)?！比欢宰陨淼慕?jīng)驗表示，Metawave的模擬雷達(dá)(稱為Warlord)支援強(qiáng)大的3D成像，并結(jié)合數(shù)位地圖，“將足以提供精確的定位。我預(yù)計這將在2020年中期到2030年初實現(xiàn)?！?/p>

　　開發(fā)挑戰(zhàn)

　　在開發(fā)全雷達(dá)封裝時，Metawave也免不了面對挑戰(zhàn)。Metawave工程副總裁Geroge Daniel指出，Metawave的雷達(dá)解決方案是專為作業(yè)于76-81GHz頻段而設(shè)計的。

　　FCC借由授權(quán)使用整個76-81GHz頻段，為遠(yuǎn)距車輛雷達(dá)提供了一個連續(xù)的頻譜區(qū)段。

　　這意味著Metawave的“超材料需要與離散元件互動”，這些元件最初是為早期的車用雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計的，采用整合的24GHz雷達(dá)傳感器技術(shù)，作業(yè)于較低頻段范圍。

　　700萬美元首輪融資

　　目前，Metawave的核心團(tuán)隊共有7名工程師，包括管理階層。今年9月還從Khosla Ventures、Motus Ventures與Thyra Global Management等投資機(jī)構(gòu)獲得了700萬美元的首輪種子融資。

　　那么，這家新創(chuàng)公司還需要多少資金呢?Achour表示：“也許再一輪籌資吧!”。她表示有信心“借由Metawave的技術(shù)能夠解決最根本的問題。”

　　除了計劃在CES展示其車用雷達(dá)原型，Metawave還打算明年2月在西班牙巴塞隆納舉行的世界行動通訊大會(MWC)展示其針對5G網(wǎng)路所設(shè)計的智能波束成形天線。Achour解釋，目前的MIMO架構(gòu)無法在即將來臨的5G時代支援較4G更高1,000倍的速度，而Metawave的智能波束成形解決方案可將能量導(dǎo)向特定的用戶裝置，提供最佳化線上體驗所需的頻寬。

　　Achour可不是超材料世界的新手。她曾經(jīng)是超材料公司Rayspan的共同創(chuàng)辦人兼技術(shù)長，這家公司大約在10年前就為手機(jī)打造了頗具發(fā)展前景的超材料天線，但最終因營運(yùn)不佳而退場。

　　這是怎么一回事呢?Achour表示，Rayspan的業(yè)務(wù)模式是以授權(quán)為基礎(chǔ)，設(shè)計天線和RF前端模組后授權(quán)給客戶。然而，授權(quán)業(yè)務(wù)從來都不是一種適合硬體解決方案新創(chuàng)公司經(jīng)營的業(yè)務(wù)模式，因為“新創(chuàng)公司獲利的速度還不足以支撐產(chǎn)品銷售幾季后必須支付的營運(yùn)費(fèi)用?！彼忉屨f：“這就是為什么Metawave與第三方制造伙伴共同打造全雷達(dá)傳感器之故?！?/p>

　　那么Rayspan和Metawave所使用的超材料有什么不同嗎?Achour說：“Rayspan的天線是被動天線，意味著其輻射場型是固定的。Metawave的天線則是主動的，由于其板載主動元件能讓天線控制其波束成形與轉(zhuǎn)向，因而更智能?！?/p>