4D毫米波雷達行業(yè)分析1

4D毫米波雷達行業(yè)分析1.行業(yè)催化：TeslaHW4.0或重啟毫米波雷達方案，4D毫米波雷達有望加速滲透1.1.Tesla：HW4.0預計回歸4D雷達，2023年或量產上車事件：特斯拉HW4.0或將配備Arbe的4D毫米波雷達，4D毫米波雷達關注度上升?；厮軹esla的傳感器方案使用歷史，主要有3個階段，我們認為最終或將采用4D雷達的可能原因為4D毫米波雷達擁有測量俯仰角能力，分辨率高且成本相對激光雷達低，能夠較好彌補純視覺方案的不足，而一開始采用的雷達還不具備測高能力，性能&成本綜合考量下，我們認為HW4.0使用攝像頭+4D雷達融合為更優(yōu)方案。階段一：多傳感器融合偵測路段，視覺技術逐漸豐富2014-2021年，HW1.0-HW3.0演進中，前向、側向及艙內監(jiān)控攝像頭的視覺方案不斷增加/優(yōu)化，算法邏輯以雷達監(jiān)測數據為主。2014年10月Tesla發(fā)布HW1.0系統。2016年9月，Tesla發(fā)布V8.0更新，改變了算法邏輯，由以圖像數據分析為主改為以毫米波雷達監(jiān)測的數據為核心，圖像分析為輔的計算邏輯。2019年3月HW3.0系統發(fā)布，延續(xù)HW2.5系統方案，此時形成了由1個毫米波雷達，8個環(huán)繞車攝像頭，1個座艙內監(jiān)控攝像頭和12個超聲波雷達共同組成的多類型傳感器混合偵測路況方案。階段二：傳統毫米波雷達被棄用，Tesla全面倒向純視覺方案采納純視覺方案原因：傳統毫米波雷達分辨率低，且成本相對較高，新發(fā)布FSD版本機器視覺與深度學習能力強，幾乎取代傳統雷達功能。①性能層面，Tesla認為由于當時主流車載毫米波雷達分辨率低，缺乏測高能力，且同樣面對前方障礙物時，僅能接收到有限的返回信息點，難以將障礙物的輪廓清晰的勾勒出來。②成本層面，與攝像頭對比來看，毫米波雷達數據與攝像頭信號數據類似，而攝像頭所捕捉到的信息量比毫米波雷達高幾個數量級，且成本更低，棄用存在成本考量。③軟件層面，2021年7月特斯拉發(fā)布FSDBetaV9版本，該版本是一套完全基于攝像頭的技術解決方案，它從底層開始重寫，依靠機器視覺和深度學習就可以實現自動駕駛，不再需要任何雷達的幫助。2021年5月，Tesla宣布北美地區(qū)特斯拉Model3和Y車型上率先取消毫米波雷達探測模塊，2022年10月，Tesla宣布取消超聲波雷達，采用由攝影鏡頭偵測的TeslaVision純視覺技術。階段三：純視覺方案弊端暴露，4D毫米波雷達與攝像頭融合方案顯著提升可靠性。“幽靈剎車”指的是當駕駛員開啟特斯拉Autopilot或者使用FSD等自動輔助駕駛功能后，在車輛前方沒有障礙物或者不會與前方車輛發(fā)生碰撞時，Tesla卻會進行非必要的剎車，以至于會給駕駛員帶來重大的風險。僅2021年5月到2022年2月，NHTSA就收到354起針對Tesla“幽靈剎車”現象的投訴，而截至2022年6月，投訴數量已經上升至758起，純視覺技術的作用受到了很大的質疑。Arbe的4D毫米波雷達問世為Tesla即將發(fā)布的HW4.0系統提供了一定程度上解決“幽靈剎車”現象的方案。該雷達能將探測范圍擴大至300米，實現對行人、自行車和摩托車等小型實體的準確檢測和跟蹤。相比傳統毫米波雷達只能在平面上生成少量點，4D毫米波雷達通過增加俯仰角探測功能來繪制立體空間中的點云圖，這與激光雷達效果相似。該雷達通過高動態(tài)的分辨率，能將目標解析地更加清楚以支持決策系統，同時還可以將攝像頭和激光雷達“引導”到潛在風險區(qū)域，這一能力將大大提高安全性能。HW4.0硬件系統預計相比于HW3.0系統而言將迎來全面的升級。傳感器方面或將增加4D毫米波雷達，攝像頭數量也有望得到增加。此外，HW4.0在CPU、NPU、GPS等模塊也或有明顯的升級更新。綜合以上的信息，預計HW4.0將可能有以下變化：①傳感器方面，HW4.0的攝像頭接口由HW3.0的9個接口增至12個攝像頭接口。具體變化為前擋風位置的前置三目攝像頭變?yōu)殡p目，增加1顆位于前保險杠處前向攝像頭，1顆備用攝像頭，前向感知攝像頭從120萬像素提升到了500萬像素。增加4D毫米波雷達傳感器以及配套用于防止毫米波雷達在寒冷天氣無法正常工作的雷達加熱器。②內核處理器方面，HW4.0CPU內核從12個增加到20個，最大頻率2.35GHz，默認頻率1.37Ghz，TRIP內核數量從2個增加到3個，最大頻率2.2GHz。③神經網絡處理器方面，HW4.0NPU芯片封裝面積增大，供電部分加強，HW4.0功耗大概是HW3.0的2倍。④定位方面，HW4.0的GPS模塊使用三頻GPS天線模塊，新增L5頻率，以提升定位精度。1.2.其余車廠及Tier1：已上市/2023年有交付計劃4D毫米波雷達在中高端車型及自動駕駛服務車型中快速滲透。除Tesla外，我們梳理了各車廠布局4D毫米波雷達情況，整體來看車廠布局較為激進，價格在40萬元以下的理想車型和價格在70萬以上的寶馬車型、以及通用收購的Cruise自動駕駛服務車均于近兩年完成了4D毫米波雷達布局。同時大陸、采埃孚等汽車Tier-1巨頭基本完成對該領域的布局。2.4D毫米波雷達：“3D+高度”實現四維感知，“專用集成”為量產優(yōu)解毫米波雷達目前是車用探測雷達中最為主要的探測器件，內部結構及工作原理如下：全集成毫米波雷達芯片的基本架構包括發(fā)射機、接收機、雷達信號源等射頻毫米波組件，中頻處理、A/D轉換等基帶處理模擬組件，微控制器、數字信號處理等數字組件。其工作過程主要為：雷達通過天線發(fā)射特定波形的電磁波，在有效輻射范圍內被目標截獲，目標反射電磁波到很多方向上，其中一部分能量返回至天線處被雷達接收，并通過放大，信號處理等過程最終計算出目標相對雷達的位置，移動速度，方位等信息。傳統毫米波雷達是進行二維掃描，采集距離、方位、速度信息。目前現行的毫米波雷達頻段為77Ghz-81Ghz，較高的頻率能夠使毫米波雷達獲得更高的分辨率，利用毫米波對于X向回波的信號解析，測算出準確的目標距離，精度可以在10cm以內。同時利用毫米波雷達左右兩側的雷達回波天線，形成左右側回波差，回波差經過計算得出相位差，利用相位差可以得到左右側距離差，即角分辨率。同時利用探測物運動形成的多普勒效應，可以準確計算出物體的移動速度。形成多普勒像，最終得到物體的運行速度，分布圖像。增加高度維度數據解析后，具備“高清”特質的毫米波雷達，被稱為成像雷達，或者4D毫米波雷達?！?D”是指在原有距離、方位、速度的基礎上增加了對目標的高度維數據解析，能夠實現“3D+高度”四個維度的信息感知；而“成像”概念是指其具備超高的分辨率，可以有效解析目標的輪廓、類別、行為。2.1.工藝迭代：4D毫米波雷達受益集成度提高、小型化和低成本迭代趨勢伴隨毫米波雷達的半導體工藝由GaAs向SiGe、RFCMOS集成化迭代，芯片邏輯密度逐漸提升，成本逐漸下降，利于其上車滲透。未來車載毫米波雷達芯片將更加集成化，主要體現在多芯片向多通道單芯片發(fā)展，全集成SoC，以及天線芯片的集成;相較于砷化鎵和鍺硅工藝，CMOS工藝擁有高集成度、更小體積和成本低等明顯優(yōu)勢，將成為未來毫米波雷達射頻芯片的主流工藝。進一步集成：針對近距離場景，TI采用低功耗45nmRFCMOS工藝推出了集成度更高的天線片上集成(AoP)芯片，將天線、射頻前端和信號處理模塊集成在芯片上，進一步降低了系統成本，封裝天線(AoP)技術消除了對高頻基板材料的需求，并降低了成本、制造復雜性和大概30%的布板空間。TI的AoP技術利用倒裝芯片封裝技術將天線放置在無塑封基板上，防止因天線穿過塑封材料時產生損耗而降低效率并導致雜散輻射。使用多層基板可進一步減小電路板尺寸，并使得天線和硅片更容易重疊。具有封裝尺寸小、降低工程成本并加快產品上市時間、降低功率損耗的優(yōu)勢。Arbe的4D毫米波雷達集成射頻芯片組+專用處理芯片，價格持續(xù)大幅下跌，我們認為未來4D毫米波雷達將受益工藝集成化趨勢成本進一步下降，在各類車型中持續(xù)滲透。Arbe預計2021-2025年其4D毫米波雷達芯片組產品單價將從1333美元降至111美元，年均對應2022-2025年同比降幅分別達80.5%/27.2%/31.6%/14.3%。2.2.技術趨勢：級聯技術為量產主流，專用集成、虛擬孔徑技術打開想象空間通過增多天線數以提升通道數、各維度分辨率是4D毫米波雷達主要技術趨勢，當前主要有級聯、單芯片集成和算法虛擬孔徑三種技術路線。4D毫米波雷達由于有更多的天線數，角度分辨率、速度分辨率及距離分辨率都更高。多天線一般使用多通道解決，即MIMO（多輸入多輸出）技術，通過MIMO天線陣列實現的，該陣列能夠生成大量的虛擬通道，與雷達孔徑值成比例，與角度分辨率值成反比。這種虛擬通道越多，角度分辨率越好。各方案從量產應用角度對比來看，級聯技術相對成熟，為當下主流技術。但單純的級聯技術受尺寸、成本制約無法無限制提升性能。算法虛擬孔徑及單芯片集成技術處于發(fā)展初期，還需量產驗證，Arbe公司方案作為集成芯片技術的代表，產品方案性價比高，位居當前市場前列，我們認為有望近期量產。各方案從通道數量&成本對比來看，專用芯片集成方案實現量產后在性價比方面優(yōu)勢異常顯著。Arbe和Mobileye公司方案通道數量最多，跨度廣，對應為專用芯片集成技術。博世、大陸等公司方案通道數集中在192，對應為射頻芯片級聯技術，同為使用級聯技術的華為公司通道數更多，達288。價格方面看，Arbe的產品幾乎達到了最低價格和最高通道數，量產產品價格在100美元-150美元，極具性價比。1、級聯方案：當下主流&基礎技術級聯方案將英飛凌、德州儀器、NXP等公司的77G和79G標準雷達芯片（MMIC芯片）通過二級聯/四級聯/八級聯增加實體天線MIMO（接收天線數量與發(fā)射天線數量相乘后得到的虛擬通道數）。二級聯，就是將2個3T4R的芯片聯在一起，組成6T8R；四級聯，就是將4個3T4R芯片聯在一起，組成12T16R，形成192個虛擬接收通道。優(yōu)劣勢：方案的優(yōu)勢是前期開發(fā)難度低，因而上市周期比較短，但弊端在于體積大、成本高、功耗高（多芯片同時運算會提高功耗）、信噪比不夠（多個MMIC芯片之間存在串擾）、算法適配等問題。同時，多片級聯方案PCB板的層級結構復雜，各芯片之間有大量中頻信號需要同步。代表廠商與應用趨勢：如大陸的ARS540即為四級聯，納瓦電子的18T24R產品為6級聯。博世、采埃孚、Waymo、華為，均采用的是級聯的方式。目前國內有不少廠商依托于TI4D毫米波雷達系統的級聯方案進行系統改進，以達到更好的角度分辨率，級聯方案來搭建4D毫米波雷達系統已成為當下的主流技術。2、集成芯片方案：超大陣列+專用處理器方案集成芯片方案將多發(fā)多收天線集成在一顆芯片中，通過形成ASIC芯片來實現增加天線數、提高分辨率。同時，隨著虛擬通道數的增加，傳統的處理器無法解決毫米波雷達系統信號處理和數據處理，專用毫米波雷達處理器芯片可以使毫米波雷達系統的集成度更高，數據處理更加高效。代表廠商：主要有Arbe、Uhnder、Vayaar、SteradianSemi、RFISee等。最典型的是Arbe公司開發(fā)的4D毫米波雷達RFIC芯片，集成了48個發(fā)射器和接收器，擁有超過2300個虛擬信道。優(yōu)劣勢：集成芯片優(yōu)勢是可將4D毫米波雷達的體積大大縮小，并能以市場上每通道最低的成本實現最先進的射頻性能。但集成芯片方案的實現難度也要比級聯方案高出許多，主要挑戰(zhàn)在于如何在極小的密閉空間里布置多天線、克服天線之間的互相干擾問題、解決降低功耗、散熱問題和提升信噪比，集成芯片方案是ASIC，一旦流片，算法就固化了，此后，算法只能改針對特定場景的個別參數配置，但不能對功能做大幅度的調整。應用案例：以色列Arbe公司開發(fā)出了目前最大的48發(fā)48收級聯雷達系統方案，其虛擬通道數可以達2304。3、虛擬孔徑：算法加持下角分辨率呈數量級提升虛擬孔徑成像技術，是指基于現有的芯片，在級聯的方式上再通過獨特的虛擬孔徑成像軟件算法和天線設計做成高倍數虛擬MIMO，以達到在原來物理天線數基礎上再虛擬出十倍、數十倍的天線數，成功地把角分辨率從10度直接提升到1度。傳統雷達的波形是單頻、重復、非自適應的，產生多種波形的唯一方法是增加接收天線數量；而虛擬孔徑成像波形是自適應的相位調制（調頻+調相+調幅），每根接收天線在不同時間產生不同的相位響應，然后對數據進行插值和外推，創(chuàng)造一個“虛擬孔徑”，進而使角分辨率呈數量級地提升。優(yōu)劣勢：虛擬天線技術徹底解決了困擾車載毫米波雷達界幾十年來只能用增加實體天線數量提高角分辨率的難題，可使產品在角分辨率大幅度提升的同時成本被控制在合理水平。虛擬孔徑成像技術的壁壘，主要在天線的布局、波形等方面。其中，天線布局主要影響虛擬孔徑的大小，而波形主要影響通道數的多少。此外，天線數增多，對后續(xù)的數據處理能力也提出了更高的要求。應用案例：傲酷提供的4D毫米波雷達的信號處理算法，在采用虛擬孔徑成像技術后，在分辨率上，單芯片就可以達到別的各公司四級聯產品的效果，二級聯可達到別的公司六級聯的效果。2021年10月，傲酷自主研發(fā)的4D毫米波雷達AI算法被安霸收購。2.3.下游應用：2025年自動駕駛領域空間有望超110億美元，場景多元快速滲透2.3.1.自動駕駛領域：短、中、遠程雷達全面覆蓋車內外感知應用Arbe預計2025年自動駕駛領域毫米波雷達市場規(guī)模達110億美金。在車用領域，毫米波雷能感知車外的環(huán)境，分為短程、中程、遠程雷達，提供盲點識別（BSD）、自適應巡航控制（ACC）、自動緊急制動（AEB）等輔助駕駛功能。同時毫米波雷達還可用于對車內人員狀況的感知，包括人員的有無、位置，甚至呼吸速率等生命體征。加特蘭基于AiP開發(fā)的艙內檢測雷達參考設計，能夠在車輛停穩(wěn)落鎖后對車內物體進行感知。如果有小朋友或者寵物，毫米波雷達能夠通過感知其呼吸或是肢體運動，探測到車內存在生命體，從而及時告警，避免事故發(fā)生。除自動駕駛外，毫米波雷達在工業(yè)及航空航天&國防領域亦有廣闊市場，4D毫米波雷達已向農業(yè)、運輸業(yè)等多領域滲透。根據Arbe預測，至2025年，毫米波雷達在工業(yè)和航空航天&國防領域的市場規(guī)模將達到170億美元。2021年，Arbe公司宣布與瑞典公司Qamcom合作，將自動駕駛汽車市場的4D毫米波雷達技術應用于主流新興垂直行業(yè)——卡車運輸業(yè)、農業(yè)、采礦業(yè)、建筑業(yè)以及配送業(yè)。毫米波雷達穿透性好，能夠監(jiān)測微小位移。毫米波可以穿透大部分較薄的木材、塑料、布料、紙、陶瓷、玻璃等材質，避免環(huán)境光線干擾，通過多普勒效應可以感知到任何微小的移動，去感知物體的距離、位置、速度、角度等數據信息，包括呼吸時胸腔微小的位移。由此毫米波雷達可以被應用在存在監(jiān)測、生命體征的監(jiān)測等場景，能夠穿透衣物，利用算法實現對人體呼吸、心跳、手勢、是否跌倒等的監(jiān)測。兼具有隱私保護性，毫米波雷達被用于居家監(jiān)測、健康監(jiān)測。由于毫米波雷達安裝隱蔽，功耗低，避免了傳統家用攝像頭對隱私保護性差，無法監(jiān)測衛(wèi)生間等環(huán)境的缺點，受到科技企業(yè)居家監(jiān)測和健康監(jiān)測解決方案的青睞。德州儀器、英飛凌等芯片企業(yè)都推出了用于居家監(jiān)測、健康監(jiān)測的毫米波雷達產品。德州儀器推出60GHz的毫米波雷達IWRL6432，可用于浴室、臥室、養(yǎng)老院等地，用以判斷老年人是否跌倒，還為其推出了配套的評估套件。英飛凌推出了BGT60TR13C，解析度約達到3cm，具有較高的信噪比，檢測范圍在10m以內可實現室內人員的存在感知、追蹤，心跳監(jiān)測等功能。智能家居解決方案引入毫米波雷達。華為、小米、三大運營商在內的企業(yè)，均在布局自己的智能家居生態(tài)。華為全屋智能3.0方案中推出了一款全屋智能毫米波雷達AI傳感器，具有人體總區(qū)域存在檢測、人體子區(qū)域存在檢測、人體離床回床檢測、人體穿越虛擬墻檢測等功能。2.3.3.安防領域：歐美機場安檢已普及應用，自動化生產安全保障毫米波安檢4D毫米波雷達被用于機場安檢，有平面合成孔徑成像、柱面孔徑成像和異形孔徑成像等多種工作模式。通過發(fā)射大帶寬信號并接收由人體及其表面附屬物反射的回波信號，采用復雜的全息三維信號處理獲得毫米級高分辨率人體雷達圖像，利用目標散射特性、幾何特征或極化特征等信息檢測和識別被檢查人員攜帶的隱匿物品，能有效區(qū)分紐扣、硬幣、鑰匙等。美國L3、德國R&S等國外毫米波安檢品牌已在美國、德國、英國、荷蘭、澳大利亞、日本等全世界范圍機場部署大量設備用于旅客人身安檢，特別是在歐美的主要機場毫米波雷達已作為安檢通道的普及型設備。意大利INXPECT公司還基于毫米波雷達技術生產用于先進工業(yè)自動化和機器人系統的安全系統。安全雷達系統可以在有灰塵，碎屑，煙霧和灰塵等惡劣條件下檢測到危險區(qū)域中操作員、參觀人員的進入和存在，并暫停機器工作直到沒有人處于危險區(qū)域，確保工廠運行的安全等級。2021年，寶馬集團慕尼黑工廠投入使用一條新的焊接線，配備了INXPECT的新安全雷達系統。3.4D毫米波雷達優(yōu)勢：經濟、全面、穩(wěn)定的標配傳感器方案我們從性能、價格角度對傳統毫米波雷達、4D毫米波雷達、激光雷達進行了對比，認為（1）相比于傳統毫米波雷達，4D毫米波雷達能夠帶來靜止識別、橫向移動檢測、高度識別、相鄰物區(qū)分和隱藏車輛探測等性能突破。（2）4D毫米波雷達能更好彌補激光雷達速度、距離測量能力和受惡劣天氣和環(huán)境影響的不足。（3）4D毫米波雷達在使用性能上和低線激光雷達接近，成本是其1/10左右。（4）市場規(guī)模方面，毫米波雷達有望成為規(guī)模最大、且增速最高的傳感器市場。3.1.VS傳統毫米波雷達：高度識別和探測性能全面突破天線配置“升級”帶來靜止識別、橫向移動檢測、高度識別、相鄰物區(qū)分和隱藏車輛探測等性能突破。4D毫米波雷達配有縱向天線，且天線數量更多，除能測量俯仰角度外，角度分辨率、速度分辨率及距離分辨率都更高。與傳統的雷達傳感器相比，4D毫米波雷達能夠測量空間距離，還能夠計算水平和俯仰方向的到達角。此外，它的角度分辨率達到亞度（<1度）級別，而使用傳統汽車雷達只能達到5至8度的分辨率。4D毫米波雷達還增加了多模工作的獨特功能，也就是在從近處到最遠300米處的所有距離上同時檢測目標。從與攝像頭融合角度來看，4D毫米波雷達可以為攝像頭提供更多冗余。在長距探測、多普勒測距、高分辨率等攝像頭方案缺陷方面具有更強優(yōu)勢。4D毫米波雷達是驅動毫米波雷達市場快速增長的重要產品。伴隨自動駕駛等級提升，傳統毫米波雷達應用增長放緩/停滯，L2+和L4-5級別均為0-4顆，4D毫米波雷達需求高增，從2-7顆增長到6-10顆。攝像頭需求量保持較高幅度的應用增長，激光雷達自L4-5級別才開始放量。3.2.VS激光雷達：性能與成本權衡下的更優(yōu)選擇性能上看：毫米波雷達獨有優(yōu)勢彌補激光雷達不足，4D毫米波雷達優(yōu)勢更加顯著激光雷達具有超精確角度分辨率適用3D測繪，但速度估算和遠程檢測能力有限。激光雷達的主要差異化特性是低至0.1度級別的超精確角度分辨率，包括在水平和垂直方向上，另外還有距離測量的高分辨率，這要歸功于它使用極短的波長和脈沖。這些優(yōu)勢使得激光雷達非常適合高分辨率的3D環(huán)境測繪，能夠精確地檢測空間、邊界和汽車自身定位。但是，激光雷達與攝像頭傳感器具有一些相同的缺點。與雷達傳感器相比，激光雷達估算速度和遠程檢測物體的能力非常有限。此外，激光雷達易受惡劣天氣和路況條件的影響，為了應對穩(wěn)定性和維護挑戰(zhàn)，將會產生更高的成本。毫米波雷達的獨特優(yōu)勢是具備精確的速度和距離測量能力且不受惡劣天氣和環(huán)境影響。激光雷達使用稀疏激光束來探測目標場景，而雷達能夠無縫探測場景。在較遠的距離上，如果目標位于邊界清晰的激光束之間，激光雷達可能漏過小目標。這些因素使得雷達成為適合長距離工作的更可靠傳感器。雷達的檢測范圍已經擴展，今后可能達到300米以上，遠高于攝像頭和大多數激光雷達傳感器能夠提供的距離。此外，與攝像頭和激光雷達不同，雷達可在所有天氣和光照條件下可靠工作。惡劣天氣條件帶來的環(huán)境污垢或水滴折射不會影響雷達工作。雷達在毫米波頻率下工作，也可以穿過介電材料（例如汽車保險杠）發(fā)射信號，因此它不需要開放的窗口來收發(fā)信號，從穩(wěn)定性和美觀的角度來看，它都是更好的選擇。在汽車上配備4D毫米波雷達，可以進行傳統毫米波雷達無法實現的決策，相對激光雷達優(yōu)勢更加凸顯，例如確定駕駛通過某個隧道是否安全，或者是否可以安全地繞過車道上的障礙物。憑借這些先進功能，在惡劣天氣和路況條件下，4D毫米波雷達能夠為攝像頭和激光雷達傳感器提供冗余或備份。使用4D毫米波雷達，我們可在最大300米的距離外檢測、區(qū)分、追蹤多個靜止或移動的目標，即便目標相互間距離很近也能做到。這遠遠超出攝像頭和激光雷達傳感器的檢測范圍。從安裝成本上看，4D毫米波雷達全面升級，部分指標近似達到16線激光雷達性能，但成本僅為激光雷達十分之一，更易被整車廠和消費者接受。4D高清雷達有靜態(tài)障礙物目標分類以及探測距離長等優(yōu)勢，可在惡劣天氣情形下作為“主雷達”，成本大約在150-200美元之間，遠低于激光雷達的價格區(qū)間。根據恩智浦對OEM的評估，2021年，小規(guī)模應用的激光雷達的成本是帶有四個級聯雷達收發(fā)器的12-TX和16-RX成像雷達的十倍左右。雖然激光雷達和雷達的成本都將隨著時間推移而下降，但預期到2030年，即便激光雷達將在高級自動化應用場景中得到一定規(guī)模應用，其成本仍然是雷達的兩倍。因此我們認為4D毫米波雷達是較為經濟、穩(wěn)定的車載雷達“標配方案”，從成本和性能角度看，有望對低線激光雷達形成替代，與高線激光雷達形成互補，后續(xù)或將在各類車型中逐步滲透放量。3.3.軟件定義汽車：為軟件定義汽車提供更豐富數據和更可靠方案軟件定義更高級的智能電動汽車架構是大勢所趨，傳感器軟件算法是“軟件定義汽車”的重要組成部分。伴隨電動車、智能車逐漸取代燃油車，各類傳感器不可或缺，汽車將有強大的算法和完善的周邊感知能力，并且沒有傳統機械傳動的負擔，是一個由電池和管理系統組成的“巨形智能手機”，需由軟件定義。4D毫米波雷達相比于傳統毫米波雷達而言，更加需要軟件算法提供支撐。4D毫米波雷達的天線數量增加，分辨率上升，能更有效地解析出的目標的輪廓、類別、行為，因此4D毫米波雷達的點云數量大幅增加，更加需要強大的軟件算法對點云中的大量信息進行分析，過濾干擾，甄別出有價值的信息。此外，傳統毫米波雷達對目標的定義是“點目標”，而4D毫米波對目標的定義是“擴展目標”，需要軟件算法對信號處理后的信息進行數據處理，分類，整理出最終可以讓自動輔助駕駛系統進行判斷的數據，這使得兩者的信號處理、點云處理架構都不盡相同，4D毫米波雷達的軟件算法的復雜程度也較高。攝像頭與4D毫米波雷達具有很強性能互補性，軟件算法可完美融合兩者優(yōu)點。攝像頭傳感器可以提供百萬像素的分辨率，大幅提升目標識別和分類的精確度，但在不同光照條件、天氣條件和路況條件下，攝像頭的辨識度與可靠性會受到嚴重影響，此外，攝像頭能夠測量的距離和速度的精度也有限，因此需要4D毫米波雷達對此進行彌補。而多傳感器融合技術則可實現這一功能，通過這一技術中的軟件算法，可以更好的將兩者收集到的數據進行融合解析，得到更加豐富的信息，提高自動駕駛的可靠性。當前軟件算法主流技術包括前融合和后融合。前融合技術指的是一類對融合后的多維綜合數據進行感知的算法，即先在原始層把數據都融合在一起，融合好的數據類似一個Super傳感器，不僅有能力可以看到紅外線，還有能力可以看到攝像頭或者RGB，也有能力看到LiDAR的三維信息。在這基礎上，開發(fā)自己的感知算法，最后會輸出一個結果層的物體。后融合技術的實現方式是先通過每個傳感器各自獨立處理生成的目標數據，當所有傳感器完成目標數據生成后，再由主處理器進行數據融合。從4D毫米波雷達與攝像頭的融合方案來看，后融合技術可基本滿足需求，未來軟件算法還會更多使用和發(fā)展可靠性更高的前融合技術。信號級的融合是對視覺和雷達傳感器ECU傳出的數據源進行融合。信號級別的融合數據損失最小，可靠性最高，但需要大量的運算。圖像級融合是以視覺為主體，將雷達輸出的整體信息進行圖像特征轉化，然后與視覺系統的圖像輸出進行融合，目標級融合對視覺和雷達輸出進行綜合可信度加權，配合精度標定信息進行自適應的搜索匹配后融合輸出?，F階段后融合技術已經基本滿足需求，且前融合實現難度大，存在理論體系、聯合標定方法不成熟等問題，因此當前使用前融合技術的必要性不強，未來多傳感器“前融合”或為趨勢，能夠降低整個感知架構的復雜度和系統延遲性，并且大大提高感知系統的穩(wěn)健性。當前，大多數車企并不具備毫米波雷達算法能力，主要由雷達廠商提供。長期以來，傳統毫米波雷達廠商們提供的是軟硬一體化的方案，即算法已被集成到硬件中。對于車企而言，他們只需將傳統毫米波雷達直接輸出感知的結果與其他傳感器的識別結果做融合即可。但是，相比于傳統毫米波雷達僅需要算法做簡單的數據聚類處理而言，4D毫米波雷達對算法要求更高，需要算法做目標分類，因此實現難度更大，相應的技術壁壘也更高，通常是由算法公司或算法很強的硬件科技公司來做，車企難以進行自主研發(fā)。以Arbe解決方案為例，軟件算法方面，其推出了首個2K高分辨率4D毫米波雷達開發(fā)平臺，Tier1和OEM廠商可以利用該平臺，進行自動駕駛感知能力軟件算法的迭代，可提供實時聚類、追蹤、自定位、過濾錯誤警報、實時推斷車速和定位、追蹤/分類視野內的物體并識別其速度、提供自由空間地圖等功能。處理器方面，其在射程和多普勒分辨率方面也具有一定的優(yōu)勢，可使4D毫米波雷達系統提供詳細的圖像，并且能以超高的水平和垂直分辨率，對較寬視場范圍內的數百個物體進行分離、識別和追蹤。還能夠以低虛警的方式繪制靜止物體地圖，使Tier-1和OEM能夠確保下一代汽車的真正安全。4.產業(yè)鏈和市場空間：產業(yè)鏈價值或全面提升，或為規(guī)模最大&增速最快的車用賽道4.1.產業(yè)鏈：上游PCB&芯片升級共同為T1及主機廠貢獻價值增量4D毫米波雷達產業(yè)鏈主要分為三部分：上游包括射頻MMIC芯片(硬件核心)、高頻PCB、處理芯片以及后端算法等相關企業(yè)，中游包括成品4D毫米波雷達的生產企業(yè)，下游則為主機廠。上游芯片：上游芯片主要包括射頻芯片和處理器，也可能是將二者集成的專用芯片，主要企業(yè)包括德州儀器、賽靈思、恩智浦等。國內方面，加特蘭是CMOS工藝毫米波雷達芯片開發(fā)與設計的領導者。上游PCB環(huán)節(jié)：PCB材料是雷達傳感器設計的關鍵器件，對于毫米波雷達傳感器的不同PCB設計都需要使用超低損耗的PCB材料，從而降低電路損耗，增大天線的輻射。主要企業(yè)包括Rogers、Isola、松下以及國內的滬電股份、生益電子等。中游4D毫米波雷達供應商環(huán)節(jié)：國外主要為大陸、采埃孚、安波福等傳統Tier1，Waymo、Mobileye等科技巨頭，和Arbe、傲酷等初創(chuàng)公司。國內方面包括華為公司、森思泰克、華域汽車、納瓦電子、幾何伙伴等。4.2.價值量拆解：射頻前端MMIC為核心組成，價值量全面提升從毫米波雷達價值量占比來看，從高到低依次為軟件算法、射頻前端MMIC、信號處理芯片和PCB。算法：50%國內雷達算法測量精度和范圍具有一定局限性，而國外算法受專利保護，價格非常昂貴，成本占比約50%。射頻前端MMIC：25%包括發(fā)射機、接收機及信號處理器，發(fā)射機用于生成射頻信號，接收機將射頻信號轉換為低頻信號，信號處理器從低頻信號中提取距離、速度、方位等信息，成本占比約25%。高頻PCB：10%包括接收天線和發(fā)射天線，負責電信號與毫米波信號之間的轉換，成本占比約10%。毫米波雷達天線的主流方案是微帶陣列，簡單說將高頻PCB板集成在普通的PCB基板上實現天線的功能，需要在較小的集成空間中保持天線足夠的信號強度。77Ghz雷達更高規(guī)格的高頻PCB板，77GHz雷達的大范圍運用將帶來相應高頻PCB板的需求。信號處理芯片：10%包含DPS、FPGA等MCU，主要是用于集成不同算法，成本占比約10%當前4D毫米波雷達單顆價值量預計由70-80美元提升至150-250美元。相對傳統毫米波雷達，4D毫米波雷達的主流技術方案收發(fā)器增多、天線MIMO增加、算力要求高，77Ghz雷達催化更高規(guī)格的高頻PCB板需求，帶來了各核心組成部分價值量的提升。4.3.空間測算：預計2030年全球市場規(guī)模超160億美元全球市場來看，毫米波雷達或為規(guī)模最大，增速最快的車用傳感器市場。根據Arbe，到2025年，自動駕駛的毫米波雷達市場規(guī)模預計將達到110億美元，2020-2025CAGR達21%，攝像頭的CAGR為8%，對應市場規(guī)模為60億美元。中國市場來看，蓋世汽車研究院預測，伴隨著自動駕駛的逐步滲透，預計到2025年車載毫米波雷達市場規(guī)模將達到263億元，4D毫米波雷達是重要增長驅動力。根據YoleDéveloppement預測，4D毫米波雷達將首先出現在豪華轎車和自動駕駛出租車上，這會帶來5.5億美元以上的投資，并在2020年至2025年間以124%的復合年增長率(CAGR)增長。據賽博汽車公眾號報道，2022年是毫米波雷達國產化替代窗口期的第一年，楚詠焱預測，“2023年將是爆發(fā)式增長的一年”。全球4D毫米波雷達市場測算關鍵假設：1）汽車銷量：根據中國汽車流通協會預測2020-2025中國乘用車銷量CAGR為4.13%，2025-2035CAGR為2.92%，我們預計2025/2030年乘用車銷量分別為2323/2683萬臺。根據蓋世汽車社區(qū)，2021年度中國乘用車銷量達2148.2萬臺，根據車家號，2021年度全球乘用車銷量達8105萬臺，大約為國內4倍水平，故我們預計2025/2030年全球乘用車銷量分別為8759/10115萬臺。2）智能汽車滲透率：根據IHSMarkit，中國2025年L0、L1、L2、L3、L4/L5自動駕駛滲透率分別達31.4%、23.5%、35.1%、8.5%、1.5%，中國2030年L0、L1、L2、L3、L4/L5自動駕駛滲透率分別達7%、11%、51%、20%、11%。我們認為中國自動駕駛發(fā)展速度大致與全球水平一致，故預計全球2025年L0、L1、L2、L3、L4/L5自動駕駛滲透率分別達31.4%、23.5%、35.1%、8.5%、1.5%。2030年L0、L1、L2、L3、L4/L5自動駕駛滲透率分別達7%、11%、51%、20%、11%。3）4D毫米波雷達滲透率：我們認為4D毫米波雷達將按照從高端/商用車型向中低端車型、先前向后角向的順序滲透，預測2023/2025/20304D前向毫米波雷達滲透率分別達到4%/20%/80%，角向毫米波雷達滲透率分別達到1%/5%/50%。4）價格走勢：①我們認為伴隨以Arbe、Mobileye廠商為代表的芯片集成方案供應商產品量產上車，4D毫米波雷達成本將大幅下探。根據Arbe官網，其預計2024/2025年產品銷量將達129.6萬個/280.9萬個，Mobileye預計其產品2025年預計能夠量產。②復盤傳統毫米波雷達價格走勢，伴隨工藝迭代產品價格下降顯著，預計伴隨4D毫米波雷達遵循同樣邏輯價格下降。結合上述原因以及Arbe公司對4D毫米波雷達產品降價趨勢的預測，我們預測2023/2025/2030年價格將分別下降20%、12%、2%。5）毫米波雷達BOM拆分：根據蓋世汽車，毫米波雷達射頻部分占比約45%，其中MMIC（25%）、PCB（10%）、信號處理芯片（10%），后端算法占比達50%。結論：根據我們測算，2023/2025/2030年全球車載4D毫米波雷達市場規(guī)模分別達31762/159300/1615627萬美元，即3.18/15.93/161.56億美元。對應射頻芯片市場規(guī)模分別達14293/71685/727032萬美元，對應后端算法市場規(guī)模分別達15881/79650/807814萬美元。5.競爭格局：4D技術推動下市場競爭格局或迎來重塑5.1.國際廠商：4D技術推動下國際競爭格局或迎來重塑5.1.1.整機/整機方案供應商：新進入廠商或將換道超車傳統毫米波雷達市場集中度較高，傳統Tier1廠商幾乎壟斷市場，在4D產品方面布局較快。從傳統毫米波雷達的競爭格局來看，截至2022年底，TOP3分別是博世、大陸、安波福，CR3達67.1%，CR6達94.9%。大陸、采埃孚、安波福三家均有產品在2021和2022這兩年實現量產。技術革新下的產品能力或成為核心競爭力，4D毫米波雷達的市場競爭者主要有三大類。有大陸、采埃孚、安波福等傳統Tier1，有Waymo、Mobileye及華為等科技巨頭，還有Arbe、傲酷、森思泰克、納瓦電子、幾何伙伴等諸多初創(chuàng)公司。從產品角度看，高分辨率雷達的2025年自動駕駛車用市場規(guī)模為20億美元，市場競爭要相對4D毫米波雷達更激烈（參與者更多、市場空間更?。瑫r，高清成像提升了對視覺處理器的要求，英偉達、Mobileye和Ambarella為三個主要頭部競爭者。Arbe超大陣列+專用處理器方案在通道性能和量產成本方面領先，贏得換道超車機遇。從產品通道數來看，Arbe和Mobileye產品有最大通道數，進而展現出更好的4D產品性能。處理器方面，Arbe和UHNDER均為專用處理器方案，故整車廠對其價格有較高的接受程度。綜合來看，Arbe48*48超大陣列方案在大幅提升了產品性價比，同時開發(fā)的專用處理器具有較強的數據處理能力。Arbe公司總結：專注于超高性價比4D毫米波雷達產品的初創(chuàng)公司我們對Arbe公司的高管背景、發(fā)展歷程、經營預期進行了復盤。公司具有行業(yè)領先的產品競爭優(yōu)勢，和較強的業(yè)績表現。認為主要因其（1）管理團隊背景豐富，為其專用射頻芯片和處理器芯片研發(fā)、產品銷售提供較強支持。公司多個管理層來自DSP、微軟、TI等，具備全面豐富的產業(yè)經驗。（2）持續(xù)長期的研發(fā)投入和市場開拓，打造產品競爭力并迅速向各國Tier1廠商布局推廣。（3）積極進行下游拓展非自動駕駛領域業(yè)務并取得訂單。管理團隊經驗豐富，聯合創(chuàng)始人為公司CEO。公司多個管理層來自DSP、微軟、TI等，具備全面豐富的產業(yè)經驗。為其專用射頻芯片和處理器芯片研發(fā)、產品銷售提供較強支持。從公司發(fā)展歷程來看，公司成立以來技術路線明確、注重產業(yè)鏈上下游的開拓。2015年成立以來，分別順利經歷了產品送樣、訂單接受和訂單交付（合作整車廠開始生產）。期間不斷擴展與各國T1供應商的合作，上游globalfoundries保證穩(wěn)定供應。下游向農業(yè)、卡車、港口運輸等領域拓展。下游應用蓬勃發(fā)展+持續(xù)高研發(fā)投入支持公司業(yè)績高增和遠期業(yè)績放量。Arbe2021年實現營業(yè)收入2.249百萬美元，同比+577%。2020及2021年公司研發(fā)投入分別為12.794百萬美元和28.564百萬美元，遠超其營收水平。其預計至2025年，公司將實現營收321百萬美元，其中汽車和機器人/地面自動車輛/工業(yè)和非汽車業(yè)分別占比63%/31%/6%。5.1.2.射頻&處理器芯片：芯片設計方案因算法訴求走向分化雷達芯片作為毫米波雷達核心器件，一般主要分為射頻的發(fā)射、接收芯片和基帶處理芯片。雷達芯片在雷達中屬于上游技術，行業(yè)集中度較高，有英飛凌、恩智浦、飛思卡爾、意法半導體、德州儀器等芯片巨頭參與市場競爭。目前汽車毫米波雷達行業(yè)按芯片種類可分為DSP路線和FPGA路線兩種，FPGA方案衍生于高算力驗證訴求。DSP路線的代表廠商是TI、恩智浦，FPGA路線代表廠商是賽靈思。當毫米波雷達從3D轉為4D后，射頻前段后的數字信號處理部分算力需求大大增加，導致原本用DSP方案算力不夠。這種情況下，雷達廠商為了快速進行算法驗證，就會選擇在FPGA芯片來進行開發(fā)，而FPGA的算力可以支持4D毫米波雷達的量產。例如德國大陸最早選用NXP芯片，算力不夠轉為賽靈思的FPGA。由于ASIC的算法是固化的，且需要經過漫長研究，FGPA的窗口期和生命周期會變得更長。短時間內ASIC可能無法滿足客戶的差異化需求。德州儀器：提供軟硬件一站式解決方案便利后續(xù)開發(fā)，產品集成度持續(xù)提升。公司芯片設計從提高角分辨率，增加天線數量的核心要求出發(fā)，于2018年推出基于AWR2243FMCW（調頻連續(xù)波）單芯片收發(fā)器的4片級聯4D毫米波雷達全套設計方案。采用45nmRFCMOS工藝，能夠在76至81GHz頻段內工作，該器件以極小的尺寸實現高度集成，探測距離＞220米，可區(qū)分附近的大小目標。德州儀器提供收一站式發(fā)器平臺解決方案包，如參考硬件設計、軟件驅動程序、示例配置、API指南和用戶文檔等，同時提供片級聯方案，能大大降低開發(fā)成本，同時因打造了集成度更高的天線片上集成（AoP）芯片，極大降低了用戶的開發(fā)成本。華為、蘇州豪米波等國內外多個毫米波雷達企業(yè)均基于該芯片開發(fā)各自的4D毫米波雷達。恩智浦：公司有豐富的芯片處理器芯片矩陣，保證雷達近、中、遠距離探測以支持ADAS系統。2022年初發(fā)布的處理器S32R45可以一直擴展到第五級的自動駕駛技術，2021年末推出的S32R41也能夠支持L2+先進的傳感器4D毫米波雷達。有了這些芯片組，還有毫米波S32R45和S32R41的處理器，保證了恩智浦雷達的性能。目前恩智浦的雷達產品，既可以做近距離的環(huán)境測繪，又可以做中距離的檢測。不僅可以感知環(huán)境當中的汽車，也可以感知150米以外的自行車或摩托車，甚至300米以外出現了別的車輛落下的貨物也能夠及時感知。英飛凌：車用77GHz雷達芯片市占率2/3，4D毫米波雷達進展略為緩慢。英飛凌2020年初，英飛凌宣布與美國傲酷合作，進入車規(guī)級4D毫米波雷達市場；同年7月，在英飛凌汽車電子開發(fā)者大會上，英飛凌繼續(xù)表示，下一步會推出點云成像毫米波雷達芯片。其推出的RXS816xPL系列芯片可滿足4D毫米波雷達需求，支持在單個設備中執(zhí)行雷達前端的所有功能，從FMCW信號調理到生成數字接收數據輸出；滿足了從AEB到自動駕駛中的高分辨率雷達等關鍵型應用的77-79GHz雷達的需求；能夠探測和識別300米范圍內的物體。賽靈思：ARMCortex-A53處理子系統和UltraScale+可編程邏輯，是業(yè)界唯一單芯片自適應射頻平臺。公司2019年初推出ZynqUltraScale+RFSoC系列FPGA。后續(xù)第二、三代ZynqUltraScale+RFSoC具有更高的射頻性能及更強的可擴展能力，分別最高支持到5GHz和6GHz，從而滿足新—代5G部署的關鍵需求。同時，還可支持針對采樣率高達5GS/S的14位模數轉換器（ADC）和10GS/S的14位數模轉換器（DAC）進行直接RF采樣，二者的模擬帶寬均高達6GHz，具有低時延優(yōu)勢。此外，Arbe的專用芯片通過將多發(fā)多收天線集成在一顆芯片中，形成ASIC芯片來實現增加天線數、提高分辨率。為匹配2300通道信號處理需求，處理器芯片也專用處理器方案。大大提升了算力和算法支撐。5.1.3.PCB材料：廣泛布局支持車規(guī)應用Rogers（羅杰斯）：羅杰斯是世界領先的材料供應商，高頻PCB業(yè)務涉及全球毫米波廠商。在汽車應用領域，其提供了高性能電路層壓板材料，包括各種電力電子的電路材料、射頻（RF）與毫米波電路材料，幫助汽車電子系統的設計者進入高級駕駛輔助系統（ADAS）安全和車對車（V2X）通信系統的快車道。此外，根據美國Prismark2021年全球覆銅板相關統計，高頻CCL領域，羅杰斯以55%的占比位列全球排名第一，且其高頻PCB業(yè)務涉及全球毫米波雷達廠商，其中代表性產品有RO3003G2高頻陶瓷填充PTFE層壓板、RO4830熱固性層壓板等。Isola（伊索拉）：Isola為汽車和運輸行業(yè)PCB設計提供了可靠且高性價比的材料。Isola開發(fā)了工程師所需的具有卓越熱耐久性的材料，通過專利填料技術，在工作溫度和熱循環(huán)性能方面滿足或超過最苛刻的客戶要求。同時Isola成功開發(fā)出極具成本效益的PTFE和其他商用微波層壓材料的替代品，應用于先進的汽車和運輸安全和駕駛員輔助系統。松下：松下在高速覆銅板領域具有領先地位，客戶群體龐大。根據美國Prismark2021年全球覆銅板相關統計，在高速CCL領域，松下電工以35%的占比位列全球排名第一。其推出的“無鹵素超低傳輸損耗多層基板材料”，適用于毫米波段天線，面向車載毫米波雷達和5G無線通信基站，已于2021年量產，同時作為芯板的覆銅層壓板（R-5515）也已列為系列產品，可根據設計需求分別使用?？蛻舴矫?，公司合作對象包括森思泰克、天馬、華聯電子、鳳凰光學、京東方等。5.2.國內廠商：預計新產品供應/研發(fā)進展順利，深度受益國際合作5.2.1.整機/整機方案供應商：多家已發(fā)布機型/取得訂單我們看好國內毫米雷達波廠商依托原有技術積累、產業(yè)合作，有望深度受益產品迭代下成本降低和量產趨勢。從國內公司行業(yè)進展來看，其多已發(fā)布4D毫米波雷達樣機并與國內車企達成合作。主要整機廠商包括經緯恒潤（Arbe合作協議），威孚高科（Arbe合作協議），楚航科技（國產初創(chuàng)公司），聯合光電（4D毫米波雷達研發(fā)中）。經緯恒潤：是中國領先的高級駕駛輔助系統一級供應商。2022年其被山東日照港選中，將向其提供基于Arbe芯片組的感知雷達。該雷達已經部署在中國一汽的卡車以及無人搬運車上，為車輛提供了自動駕駛能力、高級感知和真正的安全性。首批搭載Arbe芯片組的