(封面图是现代绘画大师夏加尔的作品，夏加尔老爷子的画往往勾勒出一个神秘，而又冷峻悲凉的，极富个人色彩的超现实主义世界，这与他的个人经历有关，当然也受到了印象派（比如梵·高，高更），野兽派的影响，我有幸看过他的“马戏团”，拍的照片如图1，大家也可以品味下老爷子丰富的内心世界！）
图1 马戏团（Marc Chagall） 好久不见
，这期聊聊车载雷达领域波束赋形技术演化小史，从中反映出人们对车载雷达领域角度求解问题不断探索的过程，也是在不断追求更高的角度分辨率及角度精度的过程。重点将分享MIMO，相控阵（Phased-Array）以及相控MIMO（Phased-MIMO）这三个技术在车载领域逐步发展的过程。这期算是开胃菜，由于上述三个技术手段的重要性，下期将从理论层面进一步分析MIMO, Phased-array以及Phased-MIMO，这将扩展我们对车载雷达角度域分析的手段与认知，希望对你有所收获。 角度求解可以说是车载雷达算法最让人操心也是最有意思的环节，如今我们不假思索能够直接基于MIMO技术改善角度估计分辨率及精度，那无非是前人栽树后人乘凉的结果。前辈们对车载雷达该如何测角，获得期望的角度精度，进行了长期摸索与尝试。 早期的雷达（车载雷达一代目，1970s）几乎没有波束赋形的概念，能探测到目标就不错了，也不图个啥，如图1，实验雷达尺寸还比较大，还完全处于摸索阶段，形成不了产品。但确实是milestone，至少验证了雷达技术应用于车载的可能性。 
图2 早期车载雷达实验 车载雷达早期的商业化探索由博世公司（Bosch GmBH）及大陆集团（Continental AG）主导。大陆在1996年左右布局及研发长距离雷达，1999年正式向市场投放24GHz LRR，当时搭载这款雷达的典型车型就是Daimler Mercedes-Benz S W220,用作自适应巡航（ACC）（事实上结合当时的技术及安全考虑，也只支持ACC），该雷达据说采用了机械扫描求解角度。 基本上最早的波束赋形技术形态是机械扫描（Mechanical Scanning）,基本原理如图2，雷达通过窄波束机械扫描覆盖真个FoV，一圈扫下来也得50-200ms，波束宽度控制在2度左右，扫描步进1度左右。记录每个角度位置目标的能量值，大致可以获得角度估计值。 
图3 机械扫描原理 大陆之后将该技术逐渐发展成熟，后来用机械扫描技术的典型代表是Continental ARS 300（如图4），问世于2009年。原理不再阐述，感兴趣的参考文献[1]，需要指出的是，机械扫描带来较长的波束扫描周期，而为了保证整个处理周期不能太长，所以不能发送太多的chirp，我们知道chirp数目较少会降低速度分辨率及精度，因而机械扫描在车载雷达上应用往往速度维参数不太理想，比如ARS 300在保证了66ms处理周期条件下，仅仅获得1.53m/s（NRS）/0.77m/s(FRS)的速度分辨率。而且这还是在扫描范围不大的条件下，像ARS 300远扫保持17度，近扫只有56度，这只能说差强人意，不过在当时的技术条件下，ARS 300已经是足够优秀的雷达产品。 
图4 ARS 300 2010年之后，以DBF（digital beamforming）为代表的数字波束赋形技术在车载雷达上逐渐兴起，不过这时候还是以24GHz为主，并且单发多收的体制较为多见（单发多收问题暂不讨论），而MIMO结合接收端DBF的技术路径因其出众的效果也逐渐广泛采用，比如Continental SRR200系列，于大概2012年推出，借助于MIMO，通过收发等效产生虚拟孔径（原理如图6所示，对此感兴趣的朋友也可以看看（4D雷达之MIMO通道分离），角度分辨率达到14度。后来又出现了MIMO加稀疏阵形式，这是非常有意思的研究点，以后详细聊聊。 
图5 ARS 200 
图6 MIMO 等效阵列示意 相控阵技术往往依赖于多发送通道，而车载雷达在这方面往往达不到要求，目前主流也就是2发-4发。而2018年之后，TI公司推出的基于多芯片级联方案高分辨雷达，在TX Beamforming也就是Phased-Array方面进行有益探索。由于多芯片带来的较多发射通道，TX Beamforming也就可以做了，基于此技术，TI实现了车辆检测超过350m，行人也达到了150m，角度分辨率低于1°，可以说相当出彩了，只不过这雷达离量产估计还比较远。 
图7 TI AWR2243 cascaded Radar(TXBeamforming) 其实在军事领域，相控阵发展要远早于MIMO雷达（20实际30年代就已经出现相控阵技术，MIMO雷达要到21世纪才正儿八经研究），而车载方面受限因素比较多，TX Beamforming技术即使理论成熟也没有发展的土壤，反倒车载雷达端MIMO技术实现所需条件没那么苛刻，包括收发多通道，远场，窄带等条件都能基本满足。 我们知道，MIMO雷达是舍弃coherent gain而只保留波形的分集增益（diversity gain）,而Phased-Array 则恰恰相反只保留coherent gain而舍弃波形的分集增益。这两者在数学上是等价的，那么如果将两者融合呢，也就是即保留coherent gain又保留分集增益，这种技术就是Phased-MIMO，该技术理论部分在2010年之后快速发展，但实际上目前商用的许多毫米波雷达已经具有Phased-MIMO技术特征。 大陆ARS 410属于ARS 4B系列，发布于2016年，在Conti产品系列中定位入门款（Entry），雷达小巧，结构紧凑，招人喜欢，ARS 410在有限的硬件及天线资源下，依靠算法充分释放雷达性能，也得到了诸多主机厂的青睐，VW Tiguan, Audi Q3, Nissan Rogue，Tesla Model 3等车型都有410的身影（这里实在想吐槽Tesla做FSD就别那么抠门，用这种入门MRR了，否则感知能力过于依赖视觉了）。410采用2TX/3RX，通道数目不多，但是却拥有远近扫，高分辨，俯仰检测等能力，并且也包含了Phased-MIMO技术思想。如图8, TX1/TX2一方面具有波束赋形效果，只不过不能调相而已，另一方面，TX1/TX2与RX1-RX3配合也构建了MIMO，所以说Phased-MIMO在410上也有影子。 
图8 ARS 410阵列布局 再看一个例子，Bosch公司于2019年量产其五代LRR，其天线布局如图8所示，可以看到TX1/TX3分别具有波束赋形效果，也就是具有相干增益（只是不能调相），同时TX1/TX3与RX1-RX3构建MIMO，相当于又获得了MIMO的分集增益。 
图9 Bosch 5th LRR 天线布局 Continental将于2021年量产用于L3及以上的高性能雷达传感器ARS 540，540采用4片NXP MMIC级联构建收发面阵，如图9，其MIMO等效布局之一完全构建了一个标准面阵，不仅可以方位面做DBF，俯仰面也可以做DBF，相对于目前主流的通过单脉冲求解俯仰，这种方式精度更高，同时具备了俯仰分辨能力。是今后车载雷达重要的发展方向。 
图10 ARS 540等效阵列布局（之一） 需要说明的是，早期的雷达求解角度许多也基于单脉冲技术（Mono pulse）（比幅，比相，早期博世LRR基本也是单脉冲为主），其实，现阶段该技术也在广泛使用，但不在我们这期主题范围内，故不作讨论。 其实抛开机械扫描以及Monopulse等角度求解方式，文章论述重点都是围绕MIMO，Phased-MIMO，以及Phased-array等技术逐一展开，并简单介绍这些技术目前在车载雷达的运用，并且由于MMIC以及处理器芯片技术的迭代发展，俯仰角维度的DBF，也就是3D Beamforming 也可以做了，但本质还都是围绕上述三个技术，所以下期将进一步在理论层面讨论MIMO，Phased-MIMO以及Phased-array，并在数学上统一三者，以求对其更深层次的理解，并且在车载上更加灵活的运用，下期见。
【参考文献】
[1] Menzel W , Moebius A . Antenna Conceptsfor Millimeter-Wave Automotive Radar Sensors[J]. Proceedings of the IEEE, 2012,100(7):2372-2379.
[2] Rohling H . Milestones in radar and thesuccess story of automotive radar systems[C]// Radar Symposium (IRS), 2010 11thInternational. IEEE, 2010.
[3] Meinel H H . Evolving automotive radar — From the very beginnings into thefuture[C]// 2014 8th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP).IEEE, 2014. 【本文图片来自公开技术资料】
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