4D成像雷达的工作原理及其在汽车行业的应用
人人都是传感器专家
4D成像雷达的工作原理及其在汽车行业的应用
在自动驾驶技术中，毫米波雷达因其在恶劣天气和复杂光照条件下的稳定性而广受认可。它不仅能在大雨或浓雾中正常工作，还能穿透前方车辆，探测更远距离的物体。然而，传统毫米波雷达存在一个显著缺陷——它缺乏对高度的感知能力，无法区分路面上的障碍物是静止的车辆还是高架桥。
这一局限性使得传统毫米波雷达在很长一段时间内只能作为辅助传感器使用。直到4D成像雷达的出现，才真正解决了这一问题。
4D成像雷达如何实现高度感知？
传统毫米波雷达之所以被称为3D雷达，是因为它能够测量目标的距离、水平角度和相对速度。然而，它无法获取高度信息，因此在面对立交桥或高架结构时，容易将这些静止物体误判为路面障碍。
以特斯拉为例，其早期搭载的ARS-4B毫米波雷达就曾因无法识别交通标志牌或高架桥的高度信息，导致车辆在高速行驶中频繁误触发紧急制动，业内称之为“幽灵刹车”。
为解决这一问题，特斯拉在2021年宣布取消后续车型的毫米波雷达配置，转而采用纯视觉方案。然而，纯视觉系统在恶劣天气和低光环境下的表现不佳，促使特斯拉在HW4.0硬件系统中重新引入了高精度4D毫米波雷达。
4D成像雷达在传统3D雷达的基础上，增加了俯仰角的测量，从而实现了对目标物体高度的感知。所谓“4D”，指的是距离、水平角度、速度和高度四个维度。这种能力使雷达能够在垂直方向上分辨物体，例如区分限高杆、交通标志牌或路面静止车辆。
这种垂直分辨率的提升，使雷达从一个简单的点探测器进化为具备成像能力的传感器，显著提升了其在复杂交通环境中的目标识别和分类能力。
如何在有限空间内实现高分辨率成像？
要实现高分辨率成像，最直接的方式是增加天线数量。然而，在车载系统中安装大量实体天线既不现实也不经济。
传统3D毫米波雷达通常仅使用一颗MMIC芯片，天线通道数量有限。而4D成像雷达则通过MIMO（多输入多输出）技术，实现多通道信号收发，从而提升分辨率。
目前，行业主要采用两种技术路径：一是多芯片级联方案，通过多个标准雷达芯片的组合来扩展天线数量，代表厂商包括大陆、博世、华为和森思泰克等；二是单芯片集成方案，将大量收发单元集成在一枚芯片上，代表厂商有Mobileye和Arbe。
通过MIMO技术，多个发射天线和接收天线协同工作，可以在算法层面虚拟出更多天线通道。例如，一个拥有12个发射天线和16个接收天线的雷达系统，通过信号编码和交织处理，可以生成192个虚拟通道。
以TI（德州仪器）的TIDA-020047参考设计为例，该方案采用两颗AWR2243射频前端芯片与一颗AM2732R处理器组成级联阵列，通过6个发射天线与8个接收天线的MIMO架构，实现了48个虚拟通道。而在高端方案中，如Arbe的Phoenix雷达，其48发48收的配置可生成2304个虚拟通道，远超早期方案。
随着虚拟天线数量的增加，雷达的角分辨率显著提升。传统雷达的水平角分辨率通常在5度到10度之间，而4D成像雷达可将分辨率提升至1度以内，使雷达波束更加集中，反馈信号由模糊的团块转变为密集的点云。
点云是如何形成的？
在MIMO技术提供足够多的虚拟通道后，雷达的处理芯片会执行大规模信号处理，包括快速傅里叶变换（FFT）。雷达发射的连续波在遇到物体后反射回来，系统通过计算反射波与发射波之间的频率差和相位差，获取目标的距离、速度和角度信息。
在4D成像雷达中，这一过程在四个维度上同时进行，从而生成包含丰富信息的数据集。每个探测点不仅包含精确的位置信息，还携带了径向速度数据。当这些点足够密集时，就形成了点云。
根据行业标准，4D雷达可分为三个层级：4D基础雷达（点云密度小于4000点/秒）、4D成像雷达（点云密度3万-10万点/秒）以及4D数字成像雷达（点云密度大于10万点/秒）。其中，Arbe在2026年CES展会上展示的超高清晰度雷达，每帧可输出超过2万个检测点。
尽管4D成像雷达的点云密度仍不及激光雷达，但其对运动目标的感知能力更强。由于每个点都携带速度信息，雷达可以利用多普勒效应将运动物体从静止背景中分离出来，即使在隧道或地下车库等复杂环境中，也能精准识别潜在危险。
4D成像雷达能否替代其他传感器？
尽管4D成像雷达在性能上接近低线数激光雷达，并具备全天候工作的优势，但它并非为了取代其他传感器而存在，而是作为自动驾驶系统的重要补充。
在高速场景下，4D成像雷达的探测距离可达300米以上，并能识别静止物体，为系统提供更长的反应时间。此外，其成本远低于激光雷达，使其成为许多量产车型的首选。
目前，4D成像雷达已广泛应用于多个价格区间的车型。高端车型如尊界S800和蔚来ET9均搭载多个4D成像雷达，而中端车型如小米YU7、乐道L90等也已开始采用。在10-20万元级别的比亚迪天神之眼C平台车型上，传统毫米波雷达已全面升级为4D成像雷达。
行业发展趋势
全球4D成像雷达市场正处于快速增长阶段。2025年市场规模约为2.75亿美元，预计到2031年将突破百亿美元，年复合增长率超过70%。在中国市场，2025年乘用车前装毫米波雷达总装车量约为3600万颗，其中4D成像雷达装车量约150万颗，渗透率约为4.2%。
从最初只能测距报警，到如今具备四维成像能力，毫米波雷达的技术形态发生了质的飞跃。它不仅“看懂了高度”，更“看懂了世界”。随着半导体工艺和算法的持续进步，这种曾经只能“听声辨位”的传感器，正在成为自动驾驶汽车最敏锐、最可靠的一双“眼睛”。
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