近期，美国加州大学戴维斯分校（University of California, Davis）的研究人员开发了一种概念验证传感器，有望开创毫米波雷达的新时代。他们评价这种新设计为“不可能完成的任务”。

这种新型传感器采用了创新的毫米波雷达设计，能够检测到比头发丝小一千倍的振动位移，小一百倍的目标位置变化，使其探测性能比肩甚至超越当前世界上最精确的传感器。然而，与同类产品不同的是，这款产品的尺寸仅为芝麻粒大小，并且生产成本低、功耗低。

毫米波雷达面临的挑战

2021年，特斯拉正是发布了FSD Beta V9系统，虽然仍需要驾驶员手握方向盘保持高度警惕，不过这是特斯拉迈向全自动驾驶的重要一步。而同时，这也是特斯拉正式迈向真正的纯视觉自动驾驶路线的重要一步，因为特斯拉正式宣布，取消了毫米波雷达，改为单纯依靠摄像头实现辅助驾驶。

这次，特斯拉决定把纯视觉路线进行一次“提纯”，彻底舍弃掉毫米波雷达。作为汽车上最常见的感知硬件，毫米波雷达究竟是“鸡肋”还是“必备”？特斯拉有为什么要取消毫米波雷达？

其实，马斯克并没有解释详细的原因。大概很多人都会想到“控制成本”，成熟的毫米波雷达确实不是特别贵，但也在千元级别，取消毫米波雷达对于降低成本还是有显著帮助的。不过降低成本绝不是唯一的原因。其实市面上一直流传着一种说法：“毫米波雷达作为一种过时的技术，在自动驾驶中终将被淘汰”，因为毫米波雷达确实有不少明显的缺点。

在雷达中，根基发射电磁波波段的不同分为米波段（HF、VHF、UHF波段）、分米波段（L、S波段）、厘米波段（C、X、Ku、K波段）、毫米波段和激光波段等，而其中毫米波段应用领域最少，相比波长更长的电磁波，毫米波雷达有着辐射功率小、机内噪声较高、气象杂波等干扰较大、大气衰减较高等问题，仅适用于汽车防撞雷达这样探测距离较短的领域。但在汽车上应用，毫米波雷达的精度又远不如激光雷达级摄像头等，同时干扰和噪声的问题同样存在。

我们常见的ACC自适应巡航使用的毫米波雷达，会通过多个发射和接受天线，具备一定的角分辨率区分不同车道的车辆。但受制于成本，一般仅设计平面的角分辨率，垂直方向上则不做区分，因而也无法判断识别到的目标距离地面的高度。

特斯拉此前发生过两起轰动的辅助驾驶状态下撞上白色货车的事故，最终的调查结果显示，车辆将白色的货车识别为天空和云，因而未做出避让或减速反应。这两起事故显然也和毫米波雷达未能判断前方障碍物距离地面的高度有一定关系。随着特斯拉通过摄像头识别的纯视觉算法越来越成熟，毫米波雷达对于特斯拉的意义也在降低，宣布取消毫米波雷达也足以见得特斯拉对于自身纯视觉算法的自信。

新型概念验证传感器问世

毫米波是介于微波和红外线之间的电磁波，波长为1~10 mm，频率范围覆盖30~300 GHz。它可以实现5G等高速通信网络，同时，凭借其短距离传感能力而备受关注。不过，由于高功耗问题，以及在其频率下半导体的性能限制，在实际应用中面临困难。

该项目旨在寻求一种实用、低成本、紧凑且非侵入性的检测方法，来测量植物的水分状况，以优化灌溉。研究团队提出了一种雷达检测方案，利用超短距离雷达来测量叶片厚度和体积含水量的变化，进而计算叶片中的相对含水量。在研制该传感器的第一年中，研究人员面临的问题主要集中在所需要的信号源。当研究人员尝试捕捉一小片叶片变薄过程中的细微信号时，噪音太大，以至于传感器直接被淹没了。

Momeni教授表示：“当时看起来似乎真的是‘不可能完成的任务’，因为我们所观测的噪音水平要求太低，几乎没有信号源能够真正进行处理。”因此，他们一度不确定是否能克服这一挑战。Momeni教授团队指出，他们需要构建一种在功能和精度方面比目前最先进设计强10倍的雷达芯片。

有时，解决问题可以从另一个角度着手。Hao Wang是Momeni教授高速集成系统实验室的电气工程博士生，他在2021年毕业前曾投身该传感器项目。有一天，Hao Wang与Momeni教授交流时，灵光乍现想出了绕过技术限制的思路：为什么不自己消除噪音？这能从理论上解决其传感器面临的问题，当时，Hao Wang正在为完成论文进行芯片设计。

“这不是凭空想象，这是一种全新的概念。”Hao Wang解释说，“这是基于Momeni教授实验室多年来在研究中积累的经验，并在此基础上进行的创新。”Momeni教授实验室迅速构建了一个传感器原型，来测试Hao Wang的想法。令人欣喜的是，他们第一次尝试就成功了。

去除噪声量又保持了灵敏性

毫米波雷达通过向目标发送快速传播的电磁波，再由反射回来的电磁波分析目标物体的运动、位置和速度。毫米波的优势在于对微小运动的天然灵敏度，以及聚焦并感知微观物体数据的能力。

这款原型之所以能成功，是因为它能够像处理简单的算术问题一样处理传感器接收到的噪声量。它除去了不必要的噪声，同时保持了测量灵敏度和数据的完整性。凭借这项技术，毫米波雷达传感器可以检测所需要的所有信息，而不会被噪音“淹没”。这一创新为传感器提供了高准确率。其雷达传感器能够在测量中实现4 μm静态距离精度和39 nm（10 kHz）振动距离灵敏度。

Hao Wang设计的芯片生产简单，设计独特，大大提高了毫米波传感器的能效。这些额外优势可以解决毫米波传感器面临的两个重要问题：高能耗，以及半导体晶体管在噪声、增益和输出功率方面的限制。

研究团队正在进一步完善并迭代他们的设计，他们很高兴研究人员能对其进行应用实验。除了FFAR项目之外，研究人员认为这款毫米波雷达有望用于建筑结构的完整性检测，以及改善虚拟现实（VR）应用，相信其潜力远超想象。

这项研究工作由美国加州大学戴维斯分校电气和计算机工程系的Omeed Momeni教授领导完成。该研究隶属于食品与农业研究基金会（FFAR）资助的正在进行中的项目，该项目旨在开发一种能够跟踪植物水分状况的低成本传感器。Momeni教授领导开发的这款新型毫米波雷达是证明该项目可行性的基础之一。这项研究成果已发表于近期的IEEE Journal of Solid-State Circuits。

文章来源： 麦姆斯咨询，太平洋汽车，盖世汽车Gasgoo