于是，很多新興企業(yè)在探索創(chuàng)新的毫米波雷達(dá)成像技術(shù)，意圖讓雷達(dá)自己“開(kāi)眼”。要想雷達(dá)成像，最核心的方向是提高雷達(dá)的分辨率。傳統(tǒng)的提高雷達(dá)分辨率方法中，增加帶寬是一種方式，當(dāng)前77GHz（頻段76~77GHz）帶寬在1GHz，而79GHz（頻段76~81GHz）帶寬可高達(dá)5GHz，顯然79GHz在分辨率上會(huì)更勝一籌而成為未來(lái)雷達(dá)成像主要的選擇。當(dāng)然帶寬有固定限制，還有一種方法就是擴(kuò)展天線(xiàn)的尺寸或者增加天線(xiàn)的數(shù)量。在車(chē)載毫米波雷達(dá)領(lǐng)域，囿于主機(jī)廠對(duì)毫米波雷達(dá)整體尺寸的車(chē)規(guī)級(jí)限制，這里的發(fā)揮空間并不大。所以，需要突破常規(guī)另辟蹊徑，目前比較熱門(mén)的方法有：合成孔徑雷達(dá)（SAR）、多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）、超材料天線(xiàn)技術(shù)等。目前，部分技術(shù)已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展，智能雷達(dá)的圖像分辨率已經(jīng)迫近現(xiàn)有光學(xué)分辨率。下面我們概述這些雷達(dá)成像技術(shù)。

合成孔徑雷達(dá)（SAR）合成孔徑雷達(dá)（SyntheticApertureRadar，簡(jiǎn)稱(chēng)SAR），是一種利用合成孔徑技術(shù)及脈沖壓縮等信號(hào)處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高分辨率成像的雷達(dá)。SAR利用雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，把尺寸較小的真實(shí)天線(xiàn)孔徑用數(shù)據(jù)處理的方法合成一個(gè)較大的等效天線(xiàn)孔徑，故稱(chēng)“合成孔徑”雷達(dá)。SAR具有體積小、全天時(shí)、全天候、高分辨、大幅寬等多種特點(diǎn)。最初主要是機(jī)載、星載平臺(tái)，隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了彈載、地基、無(wú)人機(jī)、臨近空間平臺(tái)、手持式設(shè)備、車(chē)載等多種形式平臺(tái)搭載的SAR，廣泛用于軍事和民用領(lǐng)域。高分辨率在這里包含著兩方面的含義：即高的方位向分辨率和足夠高的距離向分辨率。它采用多普勒頻移理論和雷達(dá)相干理論為基礎(chǔ)的合成孔徑技術(shù)來(lái)提高雷達(dá)的方位向分辨率；而距離向分辨率的提高則通過(guò)脈沖壓縮技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其基本原理如下（圖1）：

圖1SAR基本原理（1）合成孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)方位向高分辨率SAR利用機(jī)載平臺(tái)帶動(dòng)天線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，如圖2，在不同位置上以脈沖重復(fù)頻率（PRF）發(fā)射和接收信號(hào)，并把一系列回波信號(hào)存儲(chǔ)記錄下來(lái)，然后作相干處理，就如同在所經(jīng)過(guò)的一系列位置上，都有一個(gè)天線(xiàn)單元在同時(shí)發(fā)射和接收信號(hào)一樣，這樣就在平臺(tái)所經(jīng)過(guò)的路程上形成一個(gè)大尺寸的陣列天線(xiàn)，從而獲得很窄的波束。如果脈沖重復(fù)頻率達(dá)到一定程度（足夠高），以致相鄰的天線(xiàn)單元間首尾相接，則可看作形成了連續(xù)孔徑天線(xiàn)。誠(chéng)然這個(gè)大孔徑天線(xiàn)要靠信號(hào)處理的方法合成。這也是“合成孔徑”名字的原由。

圖2SAR示意圖根據(jù)SAR方位向分辨率的公式（見(jiàn)圖1公式4），我們可以得知SAR的分辨率與波長(zhǎng)和目標(biāo)與天線(xiàn)的距離無(wú)關(guān)，而只與雷達(dá)的實(shí)際孔徑尺寸有關(guān)，而且天線(xiàn)尺寸越小，方位向分辨率越高，這與普通雷達(dá)的方位分辨率恰恰相反，從而大大的減小了雷達(dá)的體積，對(duì)頻率特定和空間有限的車(chē)載平臺(tái)而言是再合適不過(guò)了。（2）脈沖壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)距離向高分辨率雷達(dá)距離向分辨率由雷達(dá)的帶寬決定（見(jiàn)圖1公式3），要想提高雷達(dá)的距離分辨率，則可減小脈寬或加大寬帶，但如果脈寬太小則平均功率太小，雷達(dá)的作用距離會(huì)受到很大的限制，所以我們希望雷達(dá)波形既具有較大的帶寬，又具有較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間。如果在一個(gè)帶寬信號(hào)的各頻譜分量上附加一個(gè)隨頻率作非線(xiàn)性變化的相位值，此寬帶信號(hào)將具有很長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間，以滿(mǎn)足前述要求。這種附加的非線(xiàn)性相位的過(guò)程稱(chēng)為信號(hào)的展寬過(guò)程，將展寬后的信號(hào)通過(guò)匹配濾波器，校正非線(xiàn)性相位使之同相，在匹配濾波器輸出端將得到窄脈沖型號(hào)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為脈沖壓縮。

最早加以研究并獲得使用的脈沖壓縮信號(hào)就是線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)，線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)具有平方律的相位頻率關(guān)系，經(jīng)過(guò)匹配濾波器的壓縮，可以輸出窄脈沖?？傊?，采用脈沖壓縮波形，相對(duì)于原來(lái)的寬脈沖而言，由于通過(guò)匹配濾波器的壓縮，大大的改善了雷達(dá)的距離分辨率。多輸入多輸技術(shù)（MIMO）多輸入多輸出技術(shù)（Multiple-InputMultiple-Output，簡(jiǎn)稱(chēng)MIMO），是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)，使信號(hào)通過(guò)發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線(xiàn)傳送和接收，在不增加頻譜資源和天線(xiàn)發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量。與SAR思想不同，MIMO雷達(dá)是利用多發(fā)多收的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)等效形成虛擬的大孔徑陣列，以獲得方位向的高分辨力。而這種虛擬陣的形成是實(shí)時(shí)的，能夠避免傳統(tǒng)的SAR成像中存在的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償問(wèn)題。故MIMO雷達(dá)在成像應(yīng)用上有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

圖3MIMO示意圖

如圖3，一對(duì)發(fā)射陣元和接收陣元可以虛擬出一個(gè)收發(fā)陣元，則對(duì)于M發(fā)N收的MIMO雷達(dá)，發(fā)射陣元和接收陣元共有MxN對(duì)，即可以虛擬出MxN個(gè)收發(fā)陣元，其個(gè)數(shù)一般是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于N的，從而實(shí)現(xiàn)了陣列孔徑的擴(kuò)展。例如2發(fā)4收的MIMO雷達(dá)，可以形成8元的虛擬陣列。如此，德州儀器（TI）3發(fā)4收的AWR1243雷達(dá)，可以形成12元的虛擬陣列。

圖4德州儀器MIMO雷達(dá)的FFT輸出圖圖4為T(mén)I測(cè)試的MIMO雷達(dá)的FFT輸出圖，很明顯通道數(shù)越多，精細(xì)程度就越高。TI通過(guò)級(jí)聯(lián)4個(gè)單芯片AWR1243雷達(dá)前端器可以實(shí)現(xiàn)成像功能。AWR1243中集成的DSP能夠?qū)o(wú)線(xiàn)電波捕獲的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)譯為點(diǎn)云圖。如圖5，顯示了TI級(jí)聯(lián)雷達(dá)傳感器創(chuàng)建的圖像。該級(jí)聯(lián)雷達(dá)能探測(cè)250m以外的車(chē)輛，40米處可以做到1度的方位角分辨率，也就是4.5厘米的精度和大約9厘米的物體分離精度。MIMO具備很寬的視場(chǎng)角（FOV），TI這種4個(gè)級(jí)聯(lián)的雷達(dá)FOV高達(dá)192度。而攝像頭的話(huà)80度的FOV都算是廣角了，邊緣處可能有廣角失真。

圖5TI級(jí)聯(lián)雷達(dá)傳感器創(chuàng)建的圖像MIMO-SAR雷達(dá)傳統(tǒng)SAR是對(duì)三維（3D）場(chǎng)景的二維（2D）成像，圖像中所有的像素點(diǎn)實(shí)際是具有相同距離的所有俯仰向散射體的迭加，因而存在著圓柱對(duì)稱(chēng)模糊、疊掩現(xiàn)象等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足越來(lái)越高的成像精度和復(fù)雜環(huán)境偵查的要求。結(jié)合了MIMO和SAR兩種技術(shù)優(yōu)勢(shì)的MIMO-SAR雷達(dá)，能夠在距離向?qū)拵Х直婧头轿缓铣煽讖椒直娴幕A(chǔ)上增加俯仰向?qū)嵖讖降姆直婺芰?。通過(guò)俯仰向并行收發(fā)以及優(yōu)化布陣，可以獲取目標(biāo)的第3維信息（高度），避免3D空間到2D平面投影的信息損失。因此，MIMO-SAR雷達(dá)是實(shí)現(xiàn)3D成像的最佳解決手段之一。以色列創(chuàng)新公司ArbeRobotics最先實(shí)現(xiàn)了高分辨率的4D成像雷達(dá)（3D位置+1D速度），該雷達(dá)就是采用了結(jié)合MIMO的SAR的成像技術(shù)。根據(jù)ArbeRobotics公司發(fā)布的在線(xiàn)演示數(shù)據(jù)顯示（圖6），ArbeRobotics高分辨率雷達(dá)可提供“100度的寬視場(chǎng)（FOV）”，可探查到300米外的障礙物，其方位角分辨率及仰角分辨率分別達(dá)到1°和3°。

圖6ArbeRobotics4D高分辨率雷達(dá)在線(xiàn)演示數(shù)據(jù)超材料天線(xiàn)+SAR除了利用MIMO和SAR技術(shù)提高雷達(dá)分辨率外，還可以考慮改變天線(xiàn)自身材料結(jié)構(gòu)特性來(lái)提高雷達(dá)的分辨率，其中超材料（metamaterial）就是種不錯(cuò)的選擇。所謂超材料，是指一些具有人工設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)并呈現(xiàn)出天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的復(fù)合材料。超材料的設(shè)計(jì)思想是新穎的，這一思想的基礎(chǔ)是通過(guò)在多種物理結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)來(lái)突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超常的材料功能。典型的超材料有：左手材料、光子晶體、超磁性材料、金屬水等。

圖7具備人工特殊結(jié)構(gòu)的“超材料”2017年3月，美國(guó)杜克大學(xué)搭建了基于動(dòng)態(tài)超表面孔徑的SAR，并進(jìn)行了2D和3D成像測(cè)試。該系統(tǒng)靈活、高效、價(jià)格便宜，生成的圖像質(zhì)量不低于傳統(tǒng)合成孔徑雷達(dá)。這個(gè)雷達(dá)的天線(xiàn)由互補(bǔ)、諧振的超材料單元組合的微帶線(xiàn)構(gòu)成，每一個(gè)超材料單元包含兩個(gè)偶極子，與外部控制電路相連，超材料單元的諧振可通過(guò)偏置電壓進(jìn)行衰減控制。動(dòng)態(tài)超表面孔徑的每一個(gè)諧振電路發(fā)射并接收某一特定的頻率，工作頻率也可通過(guò)調(diào)諧電路的電子特性進(jìn)行更改，類(lèi)似于無(wú)線(xiàn)電調(diào)諧器?？讖疆a(chǎn)生的總輻射方向圖是每一單個(gè)輻射器的輻射方向圖的疊加。通過(guò)給控制電路施加不同的電壓，可接通部分輻射單元，形成不同指向、不同形狀的方向圖，并可為每一波束選擇特定的工作頻率。動(dòng)態(tài)超表面提供的靈活性能夠給SAR帶來(lái)多種能力，可形成窄波束增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，在方向圖上形成零點(diǎn)回避干擾，也可使用寬波束觀察大范圍區(qū)域，甚至可以同時(shí)形成多個(gè)波束探測(cè)多個(gè)位置，如圖8。由于動(dòng)態(tài)超表面可以大批量低成本印制，將會(huì)顯著降低雷達(dá)的成本。

圖8超材料孔徑雷達(dá)原理示意圖備受上汽、現(xiàn)代、英飛凌等青睞的硅谷創(chuàng)新公司麥得威國(guó)際（Metawave），其智能汽車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)WARLORD采用了一種自適應(yīng)超材料。該超材料由微軟件控制，具有獨(dú)特電磁特性的電路板結(jié)構(gòu)（圖9），可模擬相控陣。傳統(tǒng)的相控陣天線(xiàn)采用多個(gè)輻射元件，通過(guò)輕微改變信號(hào)發(fā)射的相位來(lái)形成波束并進(jìn)行波束轉(zhuǎn)向，但是，Metawave的系統(tǒng)僅利用一個(gè)單天線(xiàn)便能提供同等的性能。其結(jié)果便是顯著簡(jiǎn)化系統(tǒng)，使其更高效，以獲得最先進(jìn)的數(shù)字波束成形雷達(dá)。

圖9Metawave采用的自適應(yīng)超材料

人工智能和算法融合前面我們探討的幾種技術(shù)——SAR、MIMO和超材料，彼此并不沖突，可以疊加使用，獲得更高的探測(cè)物體的精度。不過(guò)這些技術(shù)都只是幫助雷達(dá)增長(zhǎng)“視力”，使其能夠“看的見(jiàn)”和“看的清”，但自動(dòng)駕駛的最終目的，是對(duì)人的解放，更重要的還要讓雷達(dá)具有“智力”，能夠識(shí)別所探測(cè)到的物體到底是什么，只有“明白是什么”才能為駕駛做出正確的判斷和決策，才能真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。所以在各類(lèi)成像雷達(dá)技術(shù)中還融合了人工智能算法。要獲得高分辨率，數(shù)據(jù)的采集量和處理量是龐大的，特別自動(dòng)駕駛對(duì)實(shí)時(shí)處理要求又特別苛刻，因此雷達(dá)成像首先對(duì)數(shù)據(jù)的存取和處理速度帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

之前，77Ghz雷達(dá)的大多是采用多芯片的方案，開(kāi)發(fā)難度、測(cè)試設(shè)備等都需要長(zhǎng)時(shí)間線(xiàn)的驗(yàn)證。不過(guò)隨著各主要半導(dǎo)體芯片供應(yīng)商德州儀器（TI）、意法半導(dǎo)體（ST）、亞德諾（ADI）、恩智浦（NXP）等相繼推出77GHzCMOS毫米波芯片，尤其是CMOS單片微波集成電路（MMIC）的量產(chǎn)正改變這種格局。MMIC一方面降低了整個(gè)77Ghz雷達(dá)的研發(fā)難度，產(chǎn)品合格率與成本都會(huì)發(fā)生很大變化；另一方面，單芯片的高度集成，甚至可以與微控制單元（MCU）和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）集成在一起，也就意味著可以在雷達(dá)芯片上集成能夠進(jìn)行模式識(shí)別和機(jī)器學(xué)習(xí)的算法，從而讓雷達(dá)能夠“識(shí)人辨物”。

另外，還可以讓這些具備機(jī)器學(xué)習(xí)能力的雷達(dá)和其它攝像頭、慣性測(cè)量單元等傳感器進(jìn)行融合，為自動(dòng)駕駛汽車(chē)增加更多的安全保障。比如，ArbeRobotics在其智能雷達(dá)中融合了同時(shí)定位與地圖構(gòu)建（SLAM）算法，能夠和4D成像系統(tǒng)協(xié)同工作，改善目標(biāo)物體分類(lèi)和識(shí)別，增強(qiáng)分辨率，去除造成系統(tǒng)故障和事故的誤報(bào)（圖10）。

圖10ArbeRobotics4D高分辨率雷達(dá)目標(biāo)物體識(shí)別和分類(lèi)又如，Metawave在其智能雷達(dá)WARLORD中嵌入了人工智能引擎（AIEngine），內(nèi)置了多種算法，包括雜波干擾抑制算法、目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤算法等等，極大的提升了毫米波雷達(dá)的整體性能，讓其具備物體識(shí)別和分類(lèi)能力（圖11）。

圖11Metawave智能雷達(dá)WARLORD目標(biāo)物體識(shí)別和分類(lèi)

隨著這些成像技術(shù)的不斷發(fā)展和人工智能算法的日新月異，毫米波雷達(dá)在成像性能上正不斷接近現(xiàn)有的激光雷達(dá)性能，這些新型雷達(dá)甚至有取代部分激光雷達(dá)的趨勢(shì)。其次，毫米波雷達(dá)在工藝成本和體積上也優(yōu)于當(dāng)前昂貴且笨重的激光雷達(dá)，再加上毫米波雷達(dá)固有的全天候全天時(shí)優(yōu)勢(shì)。我們相信假以時(shí)日，有了“視力”和“智力”的毫米波雷達(dá)，猶如打通了任督二脈，前途不可限量，有望顛覆車(chē)載傳感器市場(chǎng)，無(wú)論是現(xiàn)階段的ADAS，還是更高階的自動(dòng)駕駛，甚至是終極的無(wú)人駕駛，都將是自動(dòng)駕駛中最不可取代的核心傳感器！