4D毫米波雷达行业分析1

4D毫米波雷达行业分析1.行业催化：TeslaHW4.0或重启毫米波雷达方案，4D毫米波雷达有望加速渗透1.1.Tesla：HW4.0预计回归4D雷达，2023年或量产上车事件：特斯拉HW4.0或将配备Arbe的4D毫米波雷达，4D毫米波雷达关注度上升。回溯Tesla的传感器方案使用历史，主要有3个阶段，我们认为最终或将采用4D雷达的可能原因为4D毫米波雷达拥有测量俯仰角能力，分辨率高且成本相对激光雷达低，能够较好弥补纯视觉方案的不足，而一开始采用的雷达还不具备测高能力，性能&成本综合考量下，我们认为HW4.0使用摄像头+4D雷达融合为更优方案。阶段一：多传感器融合侦测路段，视觉技术逐渐丰富2014-2021年，HW1.0-HW3.0演进中，前向、侧向及舱内监控摄像头的视觉方案不断增加/优化，算法逻辑以雷达监测数据为主。2014年10月Tesla发布HW1.0系统。2016年9月，Tesla发布V8.0更新，改变了算法逻辑，由以图像数据分析为主改为以毫米波雷达监测的数据为核心，图像分析为辅的计算逻辑。2019年3月HW3.0系统发布，延续HW2.5系统方案，此时形成了由1个毫米波雷达，8个环绕车摄像头，1个座舱内监控摄像头和12个超声波雷达共同组成的多类型传感器混合侦测路况方案。阶段二：传统毫米波雷达被弃用，Tesla全面倒向纯视觉方案采纳纯视觉方案原因：传统毫米波雷达分辨率低，且成本相对较高，新发布FSD版本机器视觉与深度学习能力强，几乎取代传统雷达功能。①性能层面，Tesla认为由于当时主流车载毫米波雷达分辨率低，缺乏测高能力，且同样面对前方障碍物时，仅能接收到有限的返回信息点，难以将障碍物的轮廓清晰的勾勒出来。②成本层面，与摄像头对比来看，毫米波雷达数据与摄像头信号数据类似，而摄像头所捕捉到的信息量比毫米波雷达高几个数量级，且成本更低，弃用存在成本考量。③软件层面，2021年7月特斯拉发布FSDBetaV9版本，该版本是一套完全基于摄像头的技术解决方案，它从底层开始重写，依靠机器视觉和深度学习就可以实现自动驾驶，不再需要任何雷达的帮助。2021年5月，Tesla宣布北美地区特斯拉Model3和Y车型上率先取消毫米波雷达探测模块，2022年10月，Tesla宣布取消超声波雷达，采用由摄影镜头侦测的TeslaVision纯视觉技术。阶段三：纯视觉方案弊端暴露，4D毫米波雷达与摄像头融合方案显著提升可靠性。“幽灵刹车”指的是当驾驶员开启特斯拉Autopilot或者使用FSD等自动辅助驾驶功能后，在车辆前方没有障碍物或者不会与前方车辆发生碰撞时，Tesla却会进行非必要的刹车，以至于会给驾驶员带来重大的风险。仅2021年5月到2022年2月，NHTSA就收到354起针对Tesla“幽灵刹车”现象的投诉，而截至2022年6月，投诉数量已经上升至758起，纯视觉技术的作用受到了很大的质疑。Arbe的4D毫米波雷达问世为Tesla即将发布的HW4.0系统提供了一定程度上解决“幽灵刹车”现象的方案。该雷达能将探测范围扩大至300米，实现对行人、自行车和摩托车等小型实体的准确检测和跟踪。相比传统毫米波雷达只能在平面上生成少量点，4D毫米波雷达通过增加俯仰角探测功能来绘制立体空间中的点云图，这与激光雷达效果相似。该雷达通过高动态的分辨率，能将目标解析地更加清楚以支持决策系统，同时还可以将摄像头和激光雷达“引导”到潜在风险区域，这一能力将大大提高安全性能。HW4.0硬件系统预计相比于HW3.0系统而言将迎来全面的升级。传感器方面或将增加4D毫米波雷达，摄像头数量也有望得到增加。此外，HW4.0在CPU、NPU、GPS等模块也或有明显的升级更新。综合以上的信息，预计HW4.0将可能有以下变化：①传感器方面，HW4.0的摄像头接口由HW3.0的9个接口增至12个摄像头接口。具体变化为前挡风位置的前置三目摄像头变为双目，增加1颗位于前保险杠处前向摄像头，1颗备用摄像头，前向感知摄像头从120万像素提升到了500万像素。增加4D毫米波雷达传感器以及配套用于防止毫米波雷达在寒冷天气无法正常工作的雷达加热器。②内核处理器方面，HW4.0CPU内核从12个增加到20个，最大频率2.35GHz，默认频率1.37Ghz，TRIP内核数量从2个增加到3个，最大频率2.2GHz。③神经网络处理器方面，HW4.0NPU芯片封装面积增大，供电部分加强，HW4.0功耗大概是HW3.0的2倍。④定位方面，HW4.0的GPS模块使用三频GPS天线模块，新增L5频率，以提升定位精度。1.2.其余车厂及Tier1：已上市/2023年有交付计划4D毫米波雷达在中高端车型及自动驾驶服务车型中快速渗透。除Tesla外，我们梳理了各车厂布局4D毫米波雷达情况，整体来看车厂布局较为激进，价格在40万元以下的理想车型和价格在70万以上的宝马车型、以及通用收购的Cruise自动驾驶服务车均于近两年完成了4D毫米波雷达布局。同时大陆、采埃孚等汽车Tier-1巨头基本完成对该领域的布局。2.4D毫米波雷达：“3D+高度”实现四维感知，“专用集成”为量产优解毫米波雷达目前是车用探测雷达中最为主要的探测器件，内部结构及工作原理如下：全集成毫米波雷达芯片的基本架构包括发射机、接收机、雷达信号源等射频毫米波组件，中频处理、A/D转换等基带处理模拟组件，微控制器、数字信号处理等数字组件。其工作过程主要为：雷达通过天线发射特定波形的电磁波，在有效辐射范围内被目标截获，目标反射电磁波到很多方向上，其中一部分能量返回至天线处被雷达接收，并通过放大，信号处理等过程最终计算出目标相对雷达的位置，移动速度，方位等信息。传统毫米波雷达是进行二维扫描，采集距离、方位、速度信息。目前现行的毫米波雷达频段为77Ghz-81Ghz，较高的频率能够使毫米波雷达获得更高的分辨率，利用毫米波对于X向回波的信号解析，测算出准确的目标距离，精度可以在10cm以内。同时利用毫米波雷达左右两侧的雷达回波天线，形成左右侧回波差，回波差经过计算得出相位差，利用相位差可以得到左右侧距离差，即角分辨率。同时利用探测物运动形成的多普勒效应，可以准确计算出物体的移动速度。形成多普勒像，最终得到物体的运行速度，分布图像。增加高度维度数据解析后，具备“高清”特质的毫米波雷达，被称为成像雷达，或者4D毫米波雷达。“4D”是指在原有距离、方位、速度的基础上增加了对目标的高度维数据解析，能够实现“3D+高度”四个维度的信息感知；而“成像”概念是指其具备超高的分辨率，可以有效解析目标的轮廓、类别、行为。2.1.工艺迭代：4D毫米波雷达受益集成度提高、小型化和低成本迭代趋势伴随毫米波雷达的半导体工艺由GaAs向SiGe、RFCMOS集成化迭代，芯片逻辑密度逐渐提升，成本逐渐下降，利于其上车渗透。未来车载毫米波雷达芯片将更加集成化，主要体现在多芯片向多通道单芯片发展，全集成SoC，以及天线芯片的集成;相较于砷化镓和锗硅工艺，CMOS工艺拥有高集成度、更小体积和成本低等明显优势，将成为未来毫米波雷达射频芯片的主流工艺。进一步集成：针对近距离场景，TI采用低功耗45nmRFCMOS工艺推出了集成度更高的天线片上集成(AoP)芯片，将天线、射频前端和信号处理模块集成在芯片上，进一步降低了系统成本，封装天线(AoP)技术消除了对高频基板材料的需求，并降低了成本、制造复杂性和大概30%的布板空间。TI的AoP技术利用倒装芯片封装技术将天线放置在无塑封基板上，防止因天线穿过塑封材料时产生损耗而降低效率并导致杂散辐射。使用多层基板可进一步减小电路板尺寸，并使得天线和硅片更容易重叠。具有封装尺寸小、降低工程成本并加快产品上市时间、降低功率损耗的优势。Arbe的4D毫米波雷达集成射频芯片组+专用处理芯片，价格持续大幅下跌，我们认为未来4D毫米波雷达将受益工艺集成化趋势成本进一步下降，在各类车型中持续渗透。Arbe预计2021-2025年其4D毫米波雷达芯片组产品单价将从1333美元降至111美元，年均对应2022-2025年同比降幅分别达80.5%/27.2%/31.6%/14.3%。2.2.技术趋势：级联技术为量产主流，专用集成、虚拟孔径技术打开想象空间通过增多天线数以提升通道数、各维度分辨率是4D毫米波雷达主要技术趋势，当前主要有级联、单芯片集成和算法虚拟孔径三种技术路线。4D毫米波雷达由于有更多的天线数，角度分辨率、速度分辨率及距离分辨率都更高。多天线一般使用多通道解决，即MIMO（多输入多输出）技术，通过MIMO天线阵列实现的，该阵列能够生成大量的虚拟通道，与雷达孔径值成比例，与角度分辨率值成反比。这种虚拟通道越多，角度分辨率越好。各方案从量产应用角度对比来看，级联技术相对成熟，为当下主流技术。但单纯的级联技术受尺寸、成本制约无法无限制提升性能。算法虚拟孔径及单芯片集成技术处于发展初期，还需量产验证，Arbe公司方案作为集成芯片技术的代表，产品方案性价比高，位居当前市场前列，我们认为有望近期量产。各方案从通道数量&成本对比来看，专用芯片集成方案实现量产后在性价比方面优势异常显著。Arbe和Mobileye公司方案通道数量最多，跨度广，对应为专用芯片集成技术。博世、大陆等公司方案通道数集中在192，对应为射频芯片级联技术，同为使用级联技术的华为公司通道数更多，达288。价格方面看，Arbe的产品几乎达到了最低价格和最高通道数，量产产品价格在100美元-150美元，极具性价比。1、级联方案：当下主流&基础技术级联方案将英飞凌、德州仪器、NXP等公司的77G和79G标准雷达芯片（MMIC芯片）通过二级联/四级联/八级联增加实体天线MIMO（接收天线数量与发射天线数量相乘后得到的虚拟通道数）。二级联，就是将2个3T4R的芯片联在一起，组成6T8R；四级联，就是将4个3T4R芯片联在一起，组成12T16R，形成192个虚拟接收通道。优劣势：方案的优势是前期开发难度低，因而上市周期比较短，但弊端在于体积大、成本高、功耗高（多芯片同时运算会提高功耗）、信噪比不够（多个MMIC芯片之间存在串扰）、算法适配等问题。同时，多片级联方案PCB板的层级结构复杂，各芯片之间有大量中频信号需要同步。代表厂商与应用趋势：如大陆的ARS540即为四级联，纳瓦电子的18T24R产品为6级联。博世、采埃孚、Waymo、华为，均采用的是级联的方式。目前国内有不少厂商依托于TI4D毫米波雷达系统的级联方案进行系统改进，以达到更好的角度分辨率，级联方案来搭建4D毫米波雷达系统已成为当下的主流技术。2、集成芯片方案：超大阵列+专用处理器方案集成芯片方案将多发多收天线集成在一颗芯片中，通过形成ASIC芯片来实现增加天线数、提高分辨率。同时，随着虚拟通道数的增加，传统的处理器无法解决毫米波雷达系统信号处理和数据处理，专用毫米波雷达处理器芯片可以使毫米波雷达系统的集成度更高，数据处理更加高效。代表厂商：主要有Arbe、Uhnder、Vayaar、SteradianSemi、RFISee等。最典型的是Arbe公司开发的4D毫米波雷达RFIC芯片，集成了48个发射器和接收器，拥有超过2300个虚拟信道。优劣势：集成芯片优势是可将4D毫米波雷达的体积大大缩小，并能以市场上每通道最低的成本实现最先进的射频性能。但集成芯片方案的实现难度也要比级联方案高出许多，主要挑战在于如何在极小的密闭空间里布置多天线、克服天线之间的互相干扰问题、解决降低功耗、散热问题和提升信噪比，集成芯片方案是ASIC，一旦流片，算法就固化了，此后，算法只能改针对特定场景的个别参数配置，但不能对功能做大幅度的调整。应用案例：以色列Arbe公司开发出了目前最大的48发48收级联雷达系统方案，其虚拟通道数可以达2304。3、虚拟孔径：算法加持下角分辨率呈数量级提升虚拟孔径成像技术，是指基于现有的芯片，在级联的方式上再通过独特的虚拟孔径成像软件算法和天线设计做成高倍数虚拟MIMO，以达到在原来物理天线数基础上再虚拟出十倍、数十倍的天线数，成功地把角分辨率从10度直接提升到1度。传统雷达的波形是单频、重复、非自适应的，产生多种波形的唯一方法是增加接收天线数量；而虚拟孔径成像波形是自适应的相位调制（调频+调相+调幅），每根接收天线在不同时间产生不同的相位响应，然后对数据进行插值和外推，创造一个“虚拟孔径”，进而使角分辨率呈数量级地提升。优劣势：虚拟天线技术彻底解决了困扰车载毫米波雷达界几十年来只能用增加实体天线数量提高角分辨率的难题，可使产品在角分辨率大幅度提升的同时成本被控制在合理水平。虚拟孔径成像技术的壁垒，主要在天线的布局、波形等方面。其中，天线布局主要影响虚拟孔径的大小，而波形主要影响通道数的多少。此外，天线数增多，对后续的数据处理能力也提出了更高的要求。应用案例：傲酷提供的4D毫米波雷达的信号处理算法，在采用虚拟孔径成像技术后，在分辨率上，单芯片就可以达到别的各公司四级联产品的效果，二级联可达到别的公司六级联的效果。2021年10月，傲酷自主研发的4D毫米波雷达AI算法被安霸收购。2.3.下游应用：2025年自动驾驶领域空间有望超110亿美元，场景多元快速渗透2.3.1.自动驾驶领域：短、中、远程雷达全面覆盖车内外感知应用Arbe预计2025年自动驾驶领域毫米波雷达市场规模达110亿美金。在车用领域，毫米波雷能感知车外的环境，分为短程、中程、远程雷达，提供盲点识别（BSD）、自适应巡航控制（ACC）、自动紧急制动（AEB）等辅助驾驶功能。同时毫米波雷达还可用于对车内人员状况的感知，包括人员的有无、位置，甚至呼吸速率等生命体征。加特兰基于AiP开发的舱内检测雷达参考设计，能够在车辆停稳落锁后对车内物体进行感知。如果有小朋友或者宠物，毫米波雷达能够通过感知其呼吸或是肢体运动，探测到车内存在生命体，从而及时告警，避免事故发生。除自动驾驶外，毫米波雷达在工业及航空航天&国防领域亦有广阔市场，4D毫米波雷达已向农业、运输业等多领域渗透。根据Arbe预测，至2025年，毫米波雷达在工业和航空航天&国防领域的市场规模将达到170亿美元。2021年，Arbe公司宣布与瑞典公司Qamcom合作，将自动驾驶汽车市场的4D毫米波雷达技术应用于主流新兴垂直行业——卡车运输业、农业、采矿业、建筑业以及配送业。毫米波雷达穿透性好，能够监测微小位移。毫米波可以穿透大部分较薄的木材、塑料、布料、纸、陶瓷、玻璃等材质，避免环境光线干扰，通过多普勒效应可以感知到任何微小的移动，去感知物体的距离、位置、速度、角度等数据信息，包括呼吸时胸腔微小的位移。由此毫米波雷达可以被应用在存在监测、生命体征的监测等场景，能够穿透衣物，利用算法实现对人体呼吸、心跳、手势、是否跌倒等的监测。兼具有隐私保护性，毫米波雷达被用于居家监测、健康监测。由于毫米波雷达安装隐蔽，功耗低，避免了传统家用摄像头对隐私保护性差，无法监测卫生间等环境的缺点，受到科技企业居家监测和健康监测解决方案的青睐。德州仪器、英飞凌等芯片企业都推出了用于居家监测、健康监测的毫米波雷达产品。德州仪器推出60GHz的毫米波雷达IWRL6432，可用于浴室、卧室、养老院等地，用以判断老年人是否跌倒，还为其推出了配套的评估套件。英飞凌推出了BGT60TR13C，解析度约达到3cm，具有较高的信噪比，检测范围在10m以内可实现室内人员的存在感知、追踪，心跳监测等功能。智能家居解决方案引入毫米波雷达。华为、小米、三大运营商在内的企业，均在布局自己的智能家居生态。华为全屋智能3.0方案中推出了一款全屋智能毫米波雷达AI传感器，具有人体总区域存在检测、人体子区域存在检测、人体离床回床检测、人体穿越虚拟墙检测等功能。2.3.3.安防领域：欧美机场安检已普及应用，自动化生产安全保障毫米波安检4D毫米波雷达被用于机场安检，有平面合成孔径成像、柱面孔径成像和异形孔径成像等多种工作模式。通过发射大带宽信号并接收由人体及其表面附属物反射的回波信号，采用复杂的全息三维信号处理获得毫米级高分辨率人体雷达图像，利用目标散射特性、几何特征或极化特征等信息检测和识别被检查人员携带的隐匿物品，能有效区分纽扣、硬币、钥匙等。美国L3、德国R&S等国外毫米波安检品牌已在美国、德国、英国、荷兰、澳大利亚、日本等全世界范围机场部署大量设备用于旅客人身安检，特别是在欧美的主要机场毫米波雷达已作为安检通道的普及型设备。意大利INXPECT公司还基于毫米波雷达技术生产用于先进工业自动化和机器人系统的安全系统。安全雷达系统可以在有灰尘，碎屑，烟雾和灰尘等恶劣条件下检测到危险区域中操作员、参观人员的进入和存在，并暂停机器工作直到没有人处于危险区域，确保工厂运行的安全等级。2021年，宝马集团慕尼黑工厂投入使用一条新的焊接线，配备了INXPECT的新安全雷达系统。3.4D毫米波雷达优势：经济、全面、稳定的标配传感器方案我们从性能、价格角度对传统毫米波雷达、4D毫米波雷达、激光雷达进行了对比，认为（1）相比于传统毫米波雷达，4D毫米波雷达能够带来静止识别、横向移动检测、高度识别、相邻物区分和隐藏车辆探测等性能突破。（2）4D毫米波雷达能更好弥补激光雷达速度、距离测量能力和受恶劣天气和环境影响的不足。（3）4D毫米波雷达在使用性能上和低线激光雷达接近，成本是其1/10左右。（4）市场规模方面，毫米波雷达有望成为规模最大、且增速最高的传感器市场。3.1.VS传统毫米波雷达：高度识别和探测性能全面突破天线配置“升级”带来静止识别、横向移动检测、高度识别、相邻物区分和隐藏车辆探测等性能突破。4D毫米波雷达配有纵向天线，且天线数量更多，除能测量俯仰角度外，角度分辨率、速度分辨率及距离分辨率都更高。与传统的雷达传感器相比，4D毫米波雷达能够测量空间距离，还能够计算水平和俯仰方向的到达角。此外，它的角度分辨率达到亚度（<1度）级别，而使用传统汽车雷达只能达到5至8度的分辨率。4D毫米波雷达还增加了多模工作的独特功能，也就是在从近处到最远300米处的所有距离上同时检测目标。从与摄像头融合角度来看，4D毫米波雷达可以为摄像头提供更多冗余。在长距探测、多普勒测距、高分辨率等摄像头方案缺陷方面具有更强优势。4D毫米波雷达是驱动毫米波雷达市场快速增长的重要产品。伴随自动驾驶等级提升，传统毫米波雷达应用增长放缓/停滞，L2+和L4-5级别均为0-4颗，4D毫米波雷达需求高增，从2-7颗增长到6-10颗。摄像头需求量保持较高幅度的应用增长，激光雷达自L4-5级别才开始放量。3.2.VS激光雷达：性能与成本权衡下的更优选择性能上看：毫米波雷达独有优势弥补激光雷达不足，4D毫米波雷达优势更加显著激光雷达具有超精确角度分辨率适用3D测绘，但速度估算和远程检测能力有限。激光雷达的主要差异化特性是低至0.1度级别的超精确角度分辨率，包括在水平和垂直方向上，另外还有距离测量的高分辨率，这要归功于它使用极短的波长和脉冲。这些优势使得激光雷达非常适合高分辨率的3D环境测绘，能够精确地检测空间、边界和汽车自身定位。但是，激光雷达与摄像头传感器具有一些相同的缺点。与雷达传感器相比，激光雷达估算速度和远程检测物体的能力非常有限。此外，激光雷达易受恶劣天气和路况条件的影响，为了应对稳定性和维护挑战，将会产生更高的成本。毫米波雷达的独特优势是具备精确的速度和距离测量能力且不受恶劣天气和环境影响。激光雷达使用稀疏激光束来探测目标场景，而雷达能够无缝探测场景。在较远的距离上，如果目标位于边界清晰的激光束之间，激光雷达可能漏过小目标。这些因素使得雷达成为适合长距离工作的更可靠传感器。雷达的检测范围已经扩展，今后可能达到300米以上，远高于摄像头和大多数激光雷达传感器能够提供的距离。此外，与摄像头和激光雷达不同，雷达可在所有天气和光照条件下可靠工作。恶劣天气条件带来的环境污垢或水滴折射不会影响雷达工作。雷达在毫米波频率下工作，也可以穿过介电材料（例如汽车保险杠）发射信号，因此它不需要开放的窗口来收发信号，从稳定性和美观的角度来看，它都是更好的选择。在汽车上配备4D毫米波雷达，可以进行传统毫米波雷达无法实现的决策，相对激光雷达优势更加凸显，例如确定驾驶通过某个隧道是否安全，或者是否可以安全地绕过车道上的障碍物。凭借这些先进功能，在恶劣天气和路况条件下，4D毫米波雷达能够为摄像头和激光雷达传感器提供冗余或备份。使用4D毫米波雷达，我们可在最大300米的距离外检测、区分、追踪多个静止或移动的目标，即便目标相互间距离很近也能做到。这远远超出摄像头和激光雷达传感器的检测范围。从安装成本上看，4D毫米波雷达全面升级，部分指标近似达到16线激光雷达性能，但成本仅为激光雷达十分之一，更易被整车厂和消费者接受。4D高清雷达有静态障碍物目标分类以及探测距离长等优势，可在恶劣天气情形下作为“主雷达”，成本大约在150-200美元之间，远低于激光雷达的价格区间。根据恩智浦对OEM的评估，2021年，小规模应用的激光雷达的成本是带有四个级联雷达收发器的12-TX和16-RX成像雷达的十倍左右。虽然激光雷达和雷达的成本都将随着时间推移而下降，但预期到2030年，即便激光雷达将在高级自动化应用场景中得到一定规模应用，其成本仍然是雷达的两倍。因此我们认为4D毫米波雷达是较为经济、稳定的车载雷达“标配方案”，从成本和性能角度看，有望对低线激光雷达形成替代，与高线激光雷达形成互补，后续或将在各类车型中逐步渗透放量。3.3.软件定义汽车：为软件定义汽车提供更丰富数据和更可靠方案软件定义更高级的智能电动汽车架构是大势所趋，传感器软件算法是“软件定义汽车”的重要组成部分。伴随电动车、智能车逐渐取代燃油车，各类传感器不可或缺，汽车将有强大的算法和完善的周边感知能力，并且没有传统机械传动的负担，是一个由电池和管理系统组成的“巨形智能手机”，需由软件定义。4D毫米波雷达相比于传统毫米波雷达而言，更加需要软件算法提供支撑。4D毫米波雷达的天线数量增加，分辨率上升，能更有效地解析出的目标的轮廓、类别、行为，因此4D毫米波雷达的点云数量大幅增加，更加需要强大的软件算法对点云中的大量信息进行分析，过滤干扰，甄别出有价值的信息。此外，传统毫米波雷达对目标的定义是“点目标”，而4D毫米波对目标的定义是“扩展目标”，需要软件算法对信号处理后的信息进行数据处理，分类，整理出最终可以让自动辅助驾驶系统进行判断的数据，这使得两者的信号处理、点云处理架构都不尽相同，4D毫米波雷达的软件算法的复杂程度也较高。摄像头与4D毫米波雷达具有很强性能互补性，软件算法可完美融合两者优点。摄像头传感器可以提供百万像素的分辨率，大幅提升目标识别和分类的精确度，但在不同光照条件、天气条件和路况条件下，摄像头的辨识度与可靠性会受到严重影响，此外，摄像头能够测量的距离和速度的精度也有限，因此需要4D毫米波雷达对此进行弥补。而多传感器融合技术则可实现这一功能，通过这一技术中的软件算法，可以更好的将两者收集到的数据进行融合解析，得到更加丰富的信息，提高自动驾驶的可靠性。当前软件算法主流技术包括前融合和后融合。前融合技术指的是一类对融合后的多维综合数据进行感知的算法，即先在原始层把数据都融合在一起，融合好的数据类似一个Super传感器，不仅有能力可以看到红外线，还有能力可以看到摄像头或者RGB，也有能力看到LiDAR的三维信息。在这基础上，开发自己的感知算法，最后会输出一个结果层的物体。后融合技术的实现方式是先通过每个传感器各自独立处理生成的目标数据，当所有传感器完成目标数据生成后，再由主处理器进行数据融合。从4D毫米波雷达与摄像头的融合方案来看，后融合技术可基本满足需求，未来软件算法还会更多使用和发展可靠性更高的前融合技术。信号级的融合是对视觉和雷达传感器ECU传出的数据源进行融合。信号级别的融合数据损失最小，可靠性最高，但需要大量的运算。图像级融合是以视觉为主体，将雷达输出的整体信息进行图像特征转化，然后与视觉系统的图像输出进行融合，目标级融合对视觉和雷达输出进行综合可信度加权，配合精度标定信息进行自适应的搜索匹配后融合输出。现阶段后融合技术已经基本满足需求，且前融合实现难度大，存在理论体系、联合标定方法不成熟等问题，因此当前使用前融合技术的必要性不强，未来多传感器“前融合”或为趋势，能够降低整个感知架构的复杂度和系统延迟性，并且大大提高感知系统的稳健性。当前，大多数车企并不具备毫米波雷达算法能力，主要由雷达厂商提供。长期以来，传统毫米波雷达厂商们提供的是软硬一体化的方案，即算法已被集成到硬件中。对于车企而言，他们只需将传统毫米波雷达直接输出感知的结果与其他传感器的识别结果做融合即可。但是，相比于传统毫米波雷达仅需要算法做简单的数据聚类处理而言，4D毫米波雷达对算法要求更高，需要算法做目标分类，因此实现难度更大，相应的技术壁垒也更高，通常是由算法公司或算法很强的硬件科技公司来做，车企难以进行自主研发。以Arbe解决方案为例，软件算法方面，其推出了首个2K高分辨率4D毫米波雷达开发平台，Tier1和OEM厂商可以利用该平台，进行自动驾驶感知能力软件算法的迭代，可提供实时聚类、追踪、自定位、过滤错误警报、实时推断车速和定位、追踪/分类视野内的物体并识别其速度、提供自由空间地图等功能。处理器方面，其在射程和多普勒分辨率方面也具有一定的优势，可使4D毫米波雷达系统提供详细的图像，并且能以超高的水平和垂直分辨率，对较宽视场范围内的数百个物体进行分离、识别和追踪。还能够以低虚警的方式绘制静止物体地图，使Tier-1和OEM能够确保下一代汽车的真正安全。4.产业链和市场空间：产业链价值或全面提升，或为规模最大&增速最快的车用赛道4.1.产业链：上游PCB&芯片升级共同为T1及主机厂贡献价值增量4D毫米波雷达产业链主要分为三部分：上游包括射频MMIC芯片(硬件核心)、高频PCB、处理芯片以及后端算法等相关企业，中游包括成品4D毫米波雷达的生产企业，下游则为主机厂。上游芯片：上游芯片主要包括射频芯片和处理器，也可能是将二者集成的专用芯片，主要企业包括德州仪器、赛灵思、恩智浦等。国内方面，加特兰是CMOS工艺毫米波雷达芯片开发与设计的领导者。上游PCB环节：PCB材料是雷达传感器设计的关键器件，对于毫米波雷达传感器的不同PCB设计都需要使用超低损耗的PCB材料，从而降低电路损耗，增大天线的辐射。主要企业包括Rogers、Isola、松下以及国内的沪电股份、生益电子等。中游4D毫米波雷达供应商环节：国外主要为大陆、采埃孚、安波福等传统Tier1，Waymo、Mobileye等科技巨头，和Arbe、傲酷等初创公司。国内方面包括华为公司、森思泰克、华域汽车、纳瓦电子、几何伙伴等。4.2.价值量拆解：射频前端MMIC为核心组成，价值量全面提升从毫米波雷达价值量占比来看，从高到低依次为软件算法、射频前端MMIC、信号处理芯片和PCB。算法：50%国内雷达算法测量精度和范围具有一定局限性，而国外算法受专利保护，价格非常昂贵，成本占比约50%。射频前端MMIC：25%包括发射机、接收机及信号处理器，发射机用于生成射频信号，接收机将射频信号转换为低频信号，信号处理器从低频信号中提取距离、速度、方位等信息，成本占比约25%。高频PCB：10%包括接收天线和发射天线，负责电信号与毫米波信号之间的转换，成本占比约10%。毫米波雷达天线的主流方案是微带阵列，简单说将高频PCB板集成在普通的PCB基板上实现天线的功能，需要在较小的集成空间中保持天线足够的信号强度。77Ghz雷达更高规格的高频PCB板，77GHz雷达的大范围运用将带来相应高频PCB板的需求。信号处理芯片：10%包含DPS、FPGA等MCU，主要是用于集成不同算法，成本占比约10%当前4D毫米波雷达单颗价值量预计由70-80美元提升至150-250美元。相对传统毫米波雷达，4D毫米波雷达的主流技术方案收发器增多、天线MIMO增加、算力要求高，77Ghz雷达催化更高规格的高频PCB板需求，带来了各核心组成部分价值量的提升。4.3.空间测算：预计2030年全球市场规模超160亿美元全球市场来看，毫米波雷达或为规模最大，增速最快的车用传感器市场。根据Arbe，到2025年，自动驾驶的毫米波雷达市场规模预计将达到110亿美元，2020-2025CAGR达21%，摄像头的CAGR为8%，对应市场规模为60亿美元。中国市场来看，盖世汽车研究院预测，伴随着自动驾驶的逐步渗透，预计到2025年车载毫米波雷达市场规模将达到263亿元，4D毫米波雷达是重要增长驱动力。根据YoleDéveloppement预测，4D毫米波雷达将首先出现在豪华轿车和自动驾驶出租车上，这会带来5.5亿美元以上的投资，并在2020年至2025年间以124%的复合年增长率(CAGR)增长。据赛博汽车公众号报道，2022年是毫米波雷达国产化替代窗口期的第一年，楚詠焱预测，“2023年将是爆发式增长的一年”。全球4D毫米波雷达市场测算关键假设：1）汽车销量：根据中国汽车流通协会预测2020-2025中国乘用车销量CAGR为4.13%，2025-2035CAGR为2.92%，我们预计2025/2030年乘用车销量分别为2323/2683万台。根据盖世汽车社区，2021年度中国乘用车销量达2148.2万台，根据车家号，2021年度全球乘用车销量达8105万台，大约为国内4倍水平，故我们预计2025/2030年全球乘用车销量分别为8759/10115万台。2）智能汽车渗透率：根据IHSMarkit，中国2025年L0、L1、L2、L3、L4/L5自动驾驶渗透率分别达31.4%、23.5%、35.1%、8.5%、1.5%，中国2030年L0、L1、L2、L3、L4/L5自动驾驶渗透率分别达7%、11%、51%、20%、11%。我们认为中国自动驾驶发展速度大致与全球水平一致，故预计全球2025年L0、L1、L2、L3、L4/L5自动驾驶渗透率分别达31.4%、23.5%、35.1%、8.5%、1.5%。2030年L0、L1、L2、L3、L4/L5自动驾驶渗透率分别达7%、11%、51%、20%、11%。3）4D毫米波雷达渗透率：我们认为4D毫米波雷达将按照从高端/商用车型向中低端车型、先前向后角向的顺序渗透，预测2023/2025/20304D前向毫米波雷达渗透率分别达到4%/20%/80%，角向毫米波雷达渗透率分别达到1%/5%/50%。4）价格走势：①我们认为伴随以Arbe、Mobileye厂商为代表的芯片集成方案供应商产品量产上车，4D毫米波雷达成本将大幅下探。根据Arbe官网，其预计2024/2025年产品销量将达129.6万个/280.9万个，Mobileye预计其产品2025年预计能够量产。②复盘传统毫米波雷达价格走势，伴随工艺迭代产品价格下降显著，预计伴随4D毫米波雷达遵循同样逻辑价格下降。结合上述原因以及Arbe公司对4D毫米波雷达产品降价趋势的预测，我们预测2023/2025/2030年价格将分别下降20%、12%、2%。5）毫米波雷达BOM拆分：根据盖世汽车，毫米波雷达射频部分占比约45%，其中MMIC（25%）、PCB（10%）、信号处理芯片（10%），后端算法占比达50%。结论：根据我们测算，2023/2025/2030年全球车载4D毫米波雷达市场规模分别达31762/159300/1615627万美元，即3.18/15.93/161.56亿美元。对应射频芯片市场规模分别达14293/71685/727032万美元，对应后端算法市场规模分别达15881/79650/807814万美元。5.竞争格局：4D技术推动下市场竞争格局或迎来重塑5.1.国际厂商：4D技术推动下国际竞争格局或迎来重塑5.1.1.整机/整机方案供应商：新进入厂商或将换道超车传统毫米波雷达市场集中度较高，传统Tier1厂商几乎垄断市场，在4D产品方面布局较快。从传统毫米波雷达的竞争格局来看，截至2022年底，TOP3分别是博世、大陆、安波福，CR3达67.1%，CR6达94.9%。大陆、采埃孚、安波福三家均有产品在2021和2022这两年实现量产。技术革新下的产品能力或成为核心竞争力，4D毫米波雷达的市场竞争者主要有三大类。有大陆、采埃孚、安波福等传统Tier1，有Waymo、Mobileye及华为等科技巨头，还有Arbe、傲酷、森思泰克、纳瓦电子、几何伙伴等诸多初创公司。从产品角度看，高分辨率雷达的2025年自动驾驶车用市场规模为20亿美元，市场竞争要相对4D毫米波雷达更激烈（参与者更多、市场空间更小），同时，高清成像提升了对视觉处理器的要求，英伟达、Mobileye和Ambarella为三个主要头部竞争者。Arbe超大阵列+专用处理器方案在通道性能和量产成本方面领先，赢得换道超车机遇。从产品通道数来看，Arbe和Mobileye产品有最大通道数，进而展现出更好的4D产品性能。处理器方面，Arbe和UHNDER均为专用处理器方案，故整车厂对其价格有较高的接受程度。综合来看，Arbe48*48超大阵列方案在大幅提升了产品性价比，同时开发的专用处理器具有较强的数据处理能力。Arbe公司总结：专注于超高性价比4D毫米波雷达产品的初创公司我们对Arbe公司的高管背景、发展历程、经营预期进行了复盘。公司具有行业领先的产品竞争优势，和较强的业绩表现。认为主要因其（1）管理团队背景丰富，为其专用射频芯片和处理器芯片研发、产品销售提供较强支持。公司多个管理层来自DSP、微软、TI等，具备全面丰富的产业经验。（2）持续长期的研发投入和市场开拓，打造产品竞争力并迅速向各国Tier1厂商布局推广。（3）积极进行下游拓展非自动驾驶领域业务并取得订单。管理团队经验丰富，联合创始人为公司CEO。公司多个管理层来自DSP、微软、TI等，具备全面丰富的产业经验。为其专用射频芯片和处理器芯片研发、产品销售提供较强支持。从公司发展历程来看，公司成立以来技术路线明确、注重产业链上下游的开拓。2015年成立以来，分别顺利经历了产品送样、订单接受和订单交付（合作整车厂开始生产）。期间不断扩展与各国T1供应商的合作，上游globalfoundries保证稳定供应。下游向农业、卡车、港口运输等领域拓展。下游应用蓬勃发展+持续高研发投入支持公司业绩高增和远期业绩放量。Arbe2021年实现营业收入2.249百万美元，同比+577%。2020及2021年公司研发投入分别为12.794百万美元和28.564百万美元，远超其营收水平。其预计至2025年，公司将实现营收321百万美元，其中汽车和机器人/地面自动车辆/工业和非汽车业分别占比63%/31%/6%。5.1.2.射频&处理器芯片：芯片设计方案因算法诉求走向分化雷达芯片作为毫米波雷达核心器件，一般主要分为射频的发射、接收芯片和基带处理芯片。雷达芯片在雷达中属于上游技术，行业集中度较高，有英飞凌、恩智浦、飞思卡尔、意法半导体、德州仪器等芯片巨头参与市场竞争。目前汽车毫米波雷达行业按芯片种类可分为DSP路线和FPGA路线两种，FPGA方案衍生于高算力验证诉求。DSP路线的代表厂商是TI、恩智浦，FPGA路线代表厂商是赛灵思。当毫米波雷达从3D转为4D后，射频前段后的数字信号处理部分算力需求大大增加，导致原本用DSP方案算力不够。这种情况下，雷达厂商为了快速进行算法验证，就会选择在FPGA芯片来进行开发，而FPGA的算力可以支持4D毫米波雷达的量产。例如德国大陆最早选用NXP芯片，算力不够转为赛灵思的FPGA。由于ASIC的算法是固化的，且需要经过漫长研究，FGPA的窗口期和生命周期会变得更长。短时间内ASIC可能无法满足客户的差异化需求。德州仪器：提供软硬件一站式解决方案便利后续开发，产品集成度持续提升。公司芯片设计从提高角分辨率，增加天线数量的核心要求出发，于2018年推出基于AWR2243FMCW（调频连续波）单芯片收发器的4片级联4D毫米波雷达全套设计方案。采用45nmRFCMOS工艺，能够在76至81GHz频段内工作，该器件以极小的尺寸实现高度集成，探测距离＞220米，可区分附近的大小目标。德州仪器提供收一站式发器平台解决方案包，如参考硬件设计、软件驱动程序、示例配置、API指南和用户文档等，同时提供片级联方案，能大大降低开发成本，同时因打造了集成度更高的天线片上集成（AoP）芯片，极大降低了用户的开发成本。华为、苏州豪米波等国内外多个毫米波雷达企业均基于该芯片开发各自的4D毫米波雷达。恩智浦：公司有丰富的芯片处理器芯片矩阵，保证雷达近、中、远距离探测以支持ADAS系统。2022年初发布的处理器S32R45可以一直扩展到第五级的自动驾驶技术，2021年末推出的S32R41也能够支持L2+先进的传感器4D毫米波雷达。有了这些芯片组，还有毫米波S32R45和S32R41的处理器，保证了恩智浦雷达的性能。目前恩智浦的雷达产品，既可以做近距离的环境测绘，又可以做中距离的检测。不仅可以感知环境当中的汽车，也可以感知150米以外的自行车或摩托车，甚至300米以外出现了别的车辆落下的货物也能够及时感知。英飞凌：车用77GHz雷达芯片市占率2/3，4D毫米波雷达进展略为缓慢。英飞凌2020年初，英飞凌宣布与美国傲酷合作，进入车规级4D毫米波雷达市场；同年7月，在英飞凌汽车电子开发者大会上，英飞凌继续表示，下一步会推出点云成像毫米波雷达芯片。其推出的RXS816xPL系列芯片可满足4D毫米波雷达需求，支持在单个设备中执行雷达前端的所有功能，从FMCW信号调理到生成数字接收数据输出；满足了从AEB到自动驾驶中的高分辨率雷达等关键型应用的77-79GHz雷达的需求；能够探测和识别300米范围内的物体。赛灵思：ARMCortex-A53处理子系统和UltraScale+可编程逻辑，是业界唯一单芯片自适应射频平台。公司2019年初推出ZynqUltraScale+RFSoC系列FPGA。后续第二、三代ZynqUltraScale+RFSoC具有更高的射频性能及更强的可扩展能力，分别最高支持到5GHz和6GHz，从而满足新—代5G部署的关键需求。同时，还可支持针对采样率高达5GS/S的14位模数转换器（ADC）和10GS/S的14位数模转换器（DAC）进行直接RF采样，二者的模拟带宽均高达6GHz，具有低时延优势。此外，Arbe的专用芯片通过将多发多收天线集成在一颗芯片中，形成ASIC芯片来实现增加天线数、提高分辨率。为匹配2300通道信号处理需求，处理器芯片也专用处理器方案。大大提升了算力和算法支撑。5.1.3.PCB材料：广泛布局支持车规应用Rogers（罗杰斯）：罗杰斯是世界领先的材料供应商，高频PCB业务涉及全球毫米波厂商。在汽车应用领域，其提供了高性能电路层压板材料，包括各种电力电子的电路材料、射频（RF）与毫米波电路材料，帮助汽车电子系统的设计者进入高级驾驶辅助系统（ADAS）安全和车对车（V2X）通信系统的快车道。此外，根据美国Prismark2021年全球覆铜板相关统计，高频CCL领域，罗杰斯以55%的占比位列全球排名第一，且其高频PCB业务涉及全球毫米波雷达厂商，其中代表性产品有RO3003G2高频陶瓷填充PTFE层压板、RO4830热固性层压板等。Isola（伊索拉）：Isola为汽车和运输行业PCB设计提供了可靠且高性价比的材料。Isola开发了工程师所需的具有卓越热耐久性的材料，通过专利填料技术，在工作温度和热循环性能方面满足或超过最苛刻的客户要求。同时Isola成功开发出极具成本效益的PTFE和其他商用微波层压材料的替代品，应用于先进的汽车和运输安全和驾驶员辅助系统。松下：松下在高速覆铜板领域具有领先地位，客户群体庞大。根据美国Prismark2021年全球覆铜板相关统计，在高速CCL领域，松下电工以35%的占比位列全球排名第一。其推出的“无卤素超低传输损耗多层基板材料”，适用于毫米波段天线，面向车载毫米波雷达和5G无线通信基站，已于2021年量产，同时作为芯板的覆铜层压板（R-5515）也已列为系列产品，可根据设计需求分别使用。客户方面，公司合作对象包括森思泰克、天马、华联电子、凤凰光学、京东方等。5.2.国内厂商：预计新产品供应/研发进展顺利，深度受益国际合作5.2.1.整机/整机方案供应商：多家已发布机型/取得订单我们看好国内毫米雷达波厂商依托原有技术积累、产业合作，有望深度受益产品迭代下成本降低和量产趋势。从国内公司行业进展来看，其多已发布4D毫米波雷达样机并与国内车企达成合作。主要整机厂商包括经纬恒润（Arbe合作协议），威孚高科（Arbe合作协议），楚航科技（国产初创公司），联合光电（4D毫米波雷达研发中）。经纬恒润：是中国领先的高级驾驶辅助系统一级供应商。2022年其被山东日照港选中，将向其提供基于Arbe芯片组的感知雷达。该雷达已经部署在中国一汽的卡车以及无人搬运车上，为车辆提供了自动驾驶能力、高级感知和真正的安全性。首批搭载Arbe芯片组的