4D 毫米波雷达

目录

概念介绍

1. FMCW 雷达的角度分辨率

2. MIMO（Multiple Input Multiple Output）技术

3. 4D 成像雷达方案一：芯片级联

4. 4D 成像雷达方案二：专用芯片

4. 4D 成像雷达方案三：标准芯片+软件提升

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概念介绍

4D 指的是距离（Range），水平角度（Azimuth），俯仰角度（Elevation）和速度（Doppler）。一般

来说，4D 毫米波雷达的角度分辨率相对较高，因此也经常被称为 4D 成像雷达。所以说 4D 毫米波雷达的

两个主要特点是：1）可以测量高度的信息；2）角度分辨率较高。为了更好的理解这两点，首先需要了解

FMCW 雷达角度分辨率的依赖因素，以及为了增加角度分辨率所采用的 MIMO 机制。

1. FMCW 雷达的角度分辨率

想要测量目标的方位角，至少需要两个接收天线（RX）。课程中也介绍了在两个接收天线的情况下如何通

过接收信号的相位差（ω）来计算目标的方位角

在有多个接收天线时，每个接收信号与前一个接收信号之间的相位差都是ω。以下图为例，假设有 4 个接

收天线，以第一个接收天线为基准，4 个接收信号的相位差分别为 0，ω，2 ω，3 ω。这个序列信号的变

化频率就是ω，因此我们通过 FFT 来提取这个分量（也就是角度 FFT）。

如果场景中存在多个目标，而且其距离和速度都相同，那么雷达能够区分这些目标的最小角度差称之为角

度分辨率。下面的公式简要推导了角度分辨率的计算。假设场景中有两个目标，方位角分别为
?
和
? + ∆?
，

其对应的相位差为
?
1
和
?
2
。由于
sin (?)
的导数是
cos (?)
，因此
?
1
和
?
2
的差值最后可以写成
2?
λ
?
( cos ? ∆?)

的形式。

根据傅里叶变换理论，
N
点的 FFT 可以区分的频率分量最小为
2?/?
，这里的
N
就是接收天线的个数。这

样我们就可以得到可以分辨的最小角度差，也就是角度分辨率。

通常来说，我们取
? =
λ/2
,
? = 0
（boresight 方向，也就是雷达的中心朝向）。这时，角度分辨率公式为

从上面的推导可以看出，角度分辨率主要依赖于两个因素：1）目标的方位角。在 boresight 方向分辨率最

高。越靠近雷达 FOV 的边缘，角度分辨率越低。2）天线的个数。角度分辨率与天线个数城正比关系。第

一个因素我们无法控制，而
提高 FMCW 雷达角度分辨率的主要手段就是增加天线个数
。

按照上述公式计算一下，2 个接收天线可以达到的角分辨率约 57 度。以此类推，4，8，16 个接收天线可

以达到约 28 度，14 度，7 度的角度分辨率

2. MIMO（Multiple Input Multiple Output）技术

从角度分辨率的计算公式中可以看到，想要提高雷达的角度分辨率，必须增加接收天线的个数。但是，增

加天线的个数，会使天线体积变得很大，此外每一个接收天线上都要附加一个单独的链路来处理信号，比

如混频器、IF 滤波器和 ADC。这样不光是硬件设计变得复杂，而且成本也会增加

我们可以采用 MIMO（多发多收）的天线设计来降低接收天线的个数。比如，如果想要得到 8 个接收天线，

我们可以采用 2 个发射天线和 4 个接收天线，这样就可以得到等效的 8 个虚拟接收天线阵列。一般来说，

不同的发射天线会间隔发射，或者发射不同波形的信号，这样接收天线就可以区分来自不同发射天线的信

号。

当发射天线有垂直方向的分布时，就可以测量目标的俯仰角度。下图就是一个典型的 3 发 4 收的天线排列

结构。等效的接收天线有 12 个，垂直方向上有两个天线可以用来测量俯仰角度。

3. 4D 成像雷达方案一：芯片级联

4D 成像雷达的核心在于较高的水平和垂直角度分辨率，这就需要增加发射和接收天线的个数。目前绝大多

数毫米波雷达都是采用单片收发器，通常只有 3 发 4 收，也就是只有 12 个虚拟天线。一个增加虚拟天线的

方案是基于现有的量产雷达，将多个雷达芯片进行级联，比如德国大陆的 ARS540 和华为的 4D 成像雷达。

ARS540 采用 4 片级联的形式，将 4 片 NXP 的 77GHz 毫米波雷达收发器（MMIC）MR3003 进行级联。

每个 MR3003 是 3 发 4 收，4 片联在一起就是 12 发 16 收，这样就可以产生 192 个虚拟天线。ARS540

是第一个具备能够真正测量目标高度的毫米波雷达，其垂直角度分辨率可以达到 2.3°，水平角度分辨率可

以达到 1.2°。

华为的
4D
成像雷达采用
12
发
24
收的方案，可以产生
288
个虚拟天线，
其垂直角度分辨率可以达

到 2°，水平角度分辨率可以达到 1°
。

4. 4D 成像雷达方案二：专用芯片

除了采用现有的量产雷达进行级联，还有的公司直接将多发多收的天线嵌入到一个雷达芯片里，比如 Arbe，

Vayyar 以及 Mobileye。Arbe 提供的 4D 成像毫米波雷达 Phoenix，采用 48 发 48 收，虚拟通道达到个

2304 个。Mobileye 同样也是 48 发 48 收的天线配置，水平和垂直角分辨率可以做到 0.5°和 2°。

4. 4D 成像雷达方案三：标准芯片+软件提升

这种方案基于标准的雷达芯片，但是采用软件和 AI 的方法来提高雷达的分辨率。这里比较有代表性的是傲

酷的虚拟孔径成像技术。传统 FMCW 雷达重复单一的发射波形，相位差来自于多根实体接收天线，而傲酷

虚拟孔径成像雷达波形可以对发射波进行调频，调相、调幅，也就是说每根接收天线在不同时间产生不同

的相位，形成“虚拟天线孔径”。而且这种调整是可以根据当前环境进行自适应的，也就是说根据上一帧

的检测结果来调整当前帧的波形。