車用雷達(dá)通常是最先在道路上“看”到東西的傳感器，而且能在傳感器融合處理以前，利用內(nèi)建的AI引擎初步分類所看到的東西，現(xiàn)在正是讓雷達(dá)平臺(tái)回歸模擬的時(shí)候了！一家新創(chuàng)公司認(rèn)為“我們?nèi)匀淮嬖谟谀M世界，汽車也是如此”...

為了在高度自動(dòng)化的車輛中增加對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界的情境意識(shí)，許多汽車制造商開始接受在每個(gè)機(jī)箱周遭布署各種傳感器類型的必要性。然而，他們并未考慮到的是這些傳感器的質(zhì)量。例如，當(dāng)今的視覺、光達(dá)(LiDar)與雷達(dá)傳感器的性能如何？車用傳感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(wú)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(shí)運(yùn)作。

簡(jiǎn)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，憑借著從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(jì)劃在2018年1月的國(guó)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) 上的小型軟件控制工程結(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)今車用傳感器的問(wèn)題歸咎于雷達(dá)芯片——主要是由恩智浦(NXP)、英飛凌(Infineon)或德州儀器(Texas Instruments；TI)等供貨商所設(shè)計(jì)。事實(shí)上，Metawave的全雷達(dá)封裝并不受特定雷達(dá)芯片限制。相反地，該新創(chuàng)公司認(rèn)為問(wèn)題出在雷達(dá)傳感器(包括天線)中的波束成形技術(shù)，導(dǎo)致了分辨率與速度方面的問(wèn)題。

回歸模擬

Matawave首席執(zhí)行官M(fèi)aha Achour認(rèn)為，現(xiàn)在正是業(yè)界讓“雷達(dá)平臺(tái)回歸模擬”的時(shí)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(jì)劃打造一個(gè)可負(fù)擔(dān)的高性能模擬雷達(dá)平臺(tái)，而不至于面對(duì)像軍事級(jí)操作時(shí)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。它采用具有雙端口的單根天線，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(guò)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(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的速度掃描。（來(lái)源：Metawave）

Achour聲稱，Metawave利用單一天線設(shè)計(jì)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(shuō)：“我們能以非?？斓乃俣葘?shí)現(xiàn)——微秒級(jí)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)字雷達(dá)進(jìn)行比較？

基于數(shù)字波束成形(DBF)技術(shù)的雷達(dá)需要天線數(shù)組，用于聚焦發(fā)射器以特定方向發(fā)射的電磁信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)向其他方向。然后，接收器再?gòu)膶?duì)象擷取返回信號(hào)，并以數(shù)字方式進(jìn)行處理，最終形成場(chǎng)景的影像。

為了實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，Achour解釋，數(shù)字雷達(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(zhǎng)的數(shù)字信號(hào)處理。Achour指出：“這種密集的信號(hào)處理導(dǎo)致極慢的反應(yīng)速度(在轉(zhuǎn)向光束時(shí)為毫秒延遲)和較差的‘集體’輻射模式，因?yàn)楣馐晦D(zhuǎn)向遠(yuǎn)離天線準(zhǔn)線(零度角)?！?/p>

目前用于車輛中的數(shù)字雷達(dá)傳感器采用數(shù)字波束成形技術(shù)，并透過(guò)復(fù)雜且冗長(zhǎng)的數(shù)字信號(hào)處理來(lái)計(jì)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)字權(quán)重以形成和轉(zhuǎn)向控制光束（來(lái)源：Metawave）

因此，她說(shuō)：“這些傳統(tǒng)雷達(dá)由于控制不好主瓣和旁瓣，因而無(wú)法在長(zhǎng)距離時(shí)以廣角觀察。”

對(duì)遠(yuǎn)程物體作出決定

目前與Metawave共同合作的顧問(wèn)兼投資人Drue Freeman表示，“針對(duì)自動(dòng)駕駛車輛，我認(rèn)為架構(gòu)師必須解決的最大問(wèn)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(dòng)化車輛的最高速度將會(huì)受到限制，F(xiàn)reeman指出。

Freeman說(shuō)：“今日的雷達(dá)解決方案即使采用了最佳的數(shù)字波束成形技術(shù)，或許能可靠地看到車子前方200公尺處的距離，也能偵測(cè)到有‘東西’在那里，但他們沒(méi)法辨識(shí)那是什么。”

而現(xiàn)實(shí)情況是DBF不是支持高分辨率就是高信噪聲比(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(shuō)，Metawave的模擬雷達(dá)“仿真了相位數(shù)組”，就像軍用天線一樣。但該新創(chuàng)公司能在無(wú)需仰賴軍事應(yīng)用部署的移相器下實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)樗昧俗约业某牧稀?/p>

Metawave的超材料頻率自適應(yīng)轉(zhuǎn)向技術(shù)（來(lái)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(shí)現(xiàn)更快的操作速度以及更好的SNR，而不至于犧牲分辨率?！?/p>

Metawave首席技術(shù)官Bernard Casse表示，超材料除了可為雷達(dá)和天線實(shí)現(xiàn)“視覺”和“速度”外，Metawave的模擬雷達(dá)還將帶來(lái)“智慧”。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)部是一系列的算法，Casse解釋，“除了深度學(xué)習(xí)(deep learning)和決策算法以外，還包括測(cè)距多普勒(range-Doppler)評(píng)估算法、雜波和干擾抑制算法、對(duì)象偵測(cè)和追蹤算法，以及其他專有的電磁和雷達(dá)程序代碼等?！?/p>

雷達(dá)中的AI引擎究竟能學(xué)習(xí)什么？Casse說(shuō)：“它高度取決于場(chǎng)景?！崩?，如果一輛車行經(jīng)橋下，將會(huì)遭遇許多信號(hào)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(shuō)：“Metawave的案例極具意義，因?yàn)樵谠S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(shuō)：“每一種傳感器都有其局限性，所以不用說(shuō)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信號(hào)?！?/p>

他指出，“最糟糕的案例是特斯拉(Tesla)自動(dòng)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(dòng)駕駛系統(tǒng)未偵測(cè)到白色貨車穿越其車道而釀禍。車用雷達(dá)一直是相對(duì)較便宜的傳感器，主要用于簡(jiǎn)單的測(cè)距功能，如自適應(yīng)巡航控制等，它并不是針對(duì)物體辨識(shí)而設(shè)計(jì)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)提供對(duì)象辨識(shí)的能力?！?/p>

開啟新業(yè)務(wù)模式

Metawave首席執(zhí)行官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)提供可用的數(shù)據(jù)?！拔覀兡芴峁┗诔绦虼a的AI與算法搭配雷達(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(xiàng)預(yù)測(cè)指出，在未來(lái)的第4/5級(jí)(Level 4/Level 5)自動(dòng)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，硬件公司也必須改變其業(yè)務(wù)模式。提供由AI收集的情報(bào)作為服務(wù)，為Metawave帶來(lái)新的商機(jī)。

車用模擬雷達(dá)將取代光達(dá)？

如果模擬雷達(dá)真的像Metawave所說(shuō)的這么好，能夠擴(kuò)展其測(cè)距以及區(qū)別對(duì)象，那么Metawave的模擬雷達(dá)是否能完全取代光達(dá)？

Demler表示：“如果Metawave能夠降低成本，或許就可能實(shí)現(xiàn)。”但他對(duì)于Metawave的雷達(dá)是否真的能超越光達(dá)的分辨率仍抱持懷疑的態(tài)度。

Freeman則認(rèn)為現(xiàn)在預(yù)測(cè)還為時(shí)過(guò)早。他解釋說(shuō)，“每一種傳感器都各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。Metawave所做的是解決雷達(dá)的一些弱點(diǎn)，我認(rèn)為它所用的方式確實(shí)能使其足夠強(qiáng)大、分辨率夠高，可能讓汽車OEM用于設(shè)計(jì)完全不需要光達(dá)的全堆棧傳感器系統(tǒng)?！比欢惭a(bǔ)充道：“目前所用的光達(dá)具有高質(zhì)量且低成本，仍然更能有效地實(shí)現(xiàn)這任務(wù)?！?/p>

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

她指出：“有些人可能認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)精確定位絕對(duì)少不了光達(dá)。”然而，她以自身的經(jīng)驗(yàn)表示，Metawave的模擬雷達(dá)(稱為Warlord)支持強(qiáng)大的3D成像，并結(jié)合數(shù)字地圖，“將足以提供精確的定位。我預(yù)計(jì)這將在2020年中期到2030年初實(shí)現(xiàn)?！?/p>

開發(fā)挑戰(zhàn)

在開發(fā)全雷達(dá)封裝時(shí)，Metawave也免不了面對(duì)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(jì)的。

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

這意味著Metawave的“超材料需要與離散組件互動(dòng)”，這些組件最初是為早期的車用雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(wàn)美元首輪融資

目前，Metawave的核心團(tuán)隊(duì)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(wàn)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“藉由Metawave的技術(shù)能夠解決最根本的問(wèn)題。”

除了計(jì)劃在CES展示其車用雷達(dá)原型，Metawave還打算明年2月在西班牙巴塞羅那舉行的世界行動(dòng)通信大會(huì)(MWC)展示其針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)所設(shè)計(jì)的智能波束成形天線。Achour解釋，目前的MIMO架構(gòu)無(wú)法在即將來(lái)臨的5G時(shí)代支持較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，提供優(yōu)化在線體驗(yàn)所需的帶寬。

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)辦人兼首席技術(shù)官，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(yíng)運(yùn)不佳而退場(chǎng)。

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(jì)天線和RF前端模塊后授權(quán)給客戶。然而，授權(quán)業(yè)務(wù)從來(lái)都不是一種適合硬件解決方案新創(chuàng)公司經(jīng)營(yíng)的業(yè)務(wù)模式，因?yàn)椤靶聞?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(yíng)運(yùn)費(fèi)用?！彼忉屨f(shuō)：“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(shuō)：“Rayspan的天線是被動(dòng)天線，意味著其輻射場(chǎng)型是固定的。Metawave的天線則是主動(dòng)的，由于其板載主動(dòng)組件能讓天線控制其波束成形與轉(zhuǎn)向，因而更智慧。”