祖母時(shí)代的技術(shù)已成往事

 

1904年，雷達首次被Christian Huelsmeyer用于探測船只，已有一個(gè)多世紀的歷史。常見(jiàn)的應用是軍事雷達、民用航空交通管制，當然，還有針對私家車(chē)輛的測速點(diǎn)。但是現在存在一種誤解，認為這項技術(shù)已經(jīng)成熟，該領(lǐng)域幾乎沒(méi)有什么發(fā)展。成像雷達和協(xié)同雷達都在進(jìn)行著(zhù)顛覆性的新創(chuàng )新。ADI公司(ADI)如何在汽車(chē)領(lǐng)域應用中實(shí)現雷達并引入獨特的軟件和算法正是其特殊之處。

 

過(guò)去25年里，ADI一直活躍在汽車(chē)行業(yè)，其產(chǎn)品既可用于被動(dòng)安全應用，也可用于主動(dòng)安全應用。過(guò)去15年里，ADI以DSP和數據轉換器在汽車(chē)雷達供應鏈中占有一席之地，最近還提供24 GHz和77 GHz/79 GHz雷達芯片組。

 

ADI自動(dòng)交通和安全副總裁Chris Jacobs表示：“高級駕駛員輔助系統已面市，自動(dòng)駕駛即將到來(lái)，而道路安全至關(guān)重要。所以，我和工程師致力于使用先進(jìn)的功能和技術(shù)來(lái)實(shí)現更高的性能和自主性，從而挽救生命。據我們估計，基于我們產(chǎn)品的汽車(chē)傳感器每天可以挽救8條生命。”

 

為了保護駕駛員、乘客和行人，硬件和軟件都需要大量創(chuàng )新。必須開(kāi)發(fā)一種更高效且優(yōu)化的雷達技術(shù)，提供與航空航天和防務(wù)行業(yè)系統相同的高性能、功能和可靠性，并轉化為適合私家汽車(chē)市場(chǎng)的尺寸和成本。

 

ADI自動(dòng)交通和汽車(chē)安全事業(yè)部技術(shù)總監Mike Keaveney說(shuō)道：“雖然25萬(wàn)美元的高分辨率成像雷達系統成本對于價(jià)值數百萬(wàn)美元的軍用坦克總價(jià)來(lái)說(shuō)不算什么，但與均價(jià)3萬(wàn)美元的家用汽車(chē)相比便貴的離譜了。我們正在探索如何進(jìn)行定制，微型化、加固，降低成本、尺寸、重量和電源需求，以便能夠用于每輛汽車(chē)。”

 

雷達的挑戰

 

轉讓和采用軍事和航空航天的高成本、高性能雷達技術(shù)，并將其安裝在汽車(chē)上，在技術(shù)、美學(xué)和經(jīng)濟方面都面臨重大挑戰。關(guān)鍵的挑戰不僅在于減少尺寸、重量和功率(SWaP)，還要在降低成本的同時(shí)提高性能。雷達不僅必須能夠進(jìn)行物體檢測，還必須能夠進(jìn)行物體分類(lèi)。這就要求雷達圖像的分辨率比目前先進(jìn)系統的分辨率更高。

 

這些都是ADI致力于實(shí)現的目標，以推進(jìn)技術(shù)發(fā)展，確保安全，并將經(jīng)濟高效的汽車(chē)雷達帶給消費者。

 

性能

 

●   在不增加尺寸、成本和功耗預算的情況下，將角度分辨率提高到高度自動(dòng)駕駛所需的水平。

●   增加低反射率目標發(fā)出的反射點(diǎn)數量。

●   大幅減少檢測延遲，特別是對于橫向移動(dòng)的物體，這可縮短響應時(shí)間，并允許車(chē)輛在緊急情況下采取規避行動(dòng)。

 

SWaP

 

●   優(yōu)化外形尺寸（大小、重量和功率），同時(shí)保持高性能。

●   在不影響車(chē)輛工業(yè)設計的前提下，保持系統的美觀(guān)。

 

成本/經(jīng)濟學(xué)

 

●   以大眾市場(chǎng)汽車(chē)成本約束可接受的價(jià)格和外形尺寸實(shí)現高分辨率雷達。

●   將成本控制在購車(chē)者的價(jià)格敏感范圍內，因為他們才是為這一切買(mǎi)單的人。

 

法規

 

●   還必須繼續遵守政府規定的高級駕駛員輔助系統(ADAS)安全特性（如2022年美國自動(dòng)緊急制動(dòng)指令）。雷達將不再是一個(gè)選項，而是標準。因此，關(guān)鍵是要不斷地將系統成本降低到一個(gè)消費者和OEM都可以接受的價(jià)格點(diǎn)，同時(shí)仍然保持這些具有挑戰性的ADAS應用所需的性能。

 

如今的汽車(chē)雷達裝置比手機還小，能探測您前方、后方或側方的盲點(diǎn)位置是否存在大型障礙。但這還不夠。

 

成像雷達

 

成像雷達的概念和實(shí)現更高水平的角度分辨率是一項理想功能，對于自動(dòng)駕駛出租車(chē)來(lái)說(shuō)尤其如此。高分辨率不僅支持物體檢測（前面有東西），還支持物體分類(lèi)（前面有自行車(chē)、汽車(chē)、人或小孩）。

 

為實(shí)現更高的分辨率，成像雷達利用高帶寬信號處理、數字波束合成和相控陣技術(shù)。所有這些都依賴(lài)于大量的硬件和處理能力，其中天線(xiàn)尺寸隨著(zhù)所需的角度分辨率而縮放，通道計數增加以使用通道覆蓋所需的天線(xiàn)區域。“只是投入更多昂貴的硬件來(lái)解決這一問(wèn)題，是將更高分辨率作為解決方案的一種‘暴力’方式，”Chris Jacobs表示。

 

如今，ADI正與領(lǐng)先的OEM和一級供應商緊密合作，開(kāi)發(fā)新的突破性方法，來(lái)改進(jìn)雷達并應對其現代挑戰。如今的汽車(chē)采用的雷達分辨率都不高，只能看到一團東西。它可以檢測到汽車(chē)周?chē)嬖谖矬w，可能是摩托車(chē)，可能是人或大型卡車(chē)，但無(wú)法確認該物體是什么。在硬件檢測技術(shù)和軟件算法進(jìn)步的推動(dòng)下，雷達的分辨率提高，能夠分辨檢測物體的屬性，這讓我們距離安全的全自動(dòng)駕駛汽車(chē)又更近了一步。

 

分辨率問(wèn)題和關(guān)于物體區分的挑戰

 

現有的常規汽車(chē)雷達在大視場(chǎng)范圍內提供大約10°到20°的水平角度分辨率。

 

圖1.低分辨率雷達和隱藏物體?，F有的非成像雷達的角度分辨率一般在10°到20°，它會(huì )將3名行人看作一個(gè)物體。

 

圖2.高分辨率成像雷達可以顯示隱藏物體。

 

成像雷達的角度分辨率為1°至2°，是非成像雷達分辨率的10倍。數據箱收集1°到2°分辨率的信息，幫助區分和確定3名行人的位置。

 

數據處理

 

您為更高分辨率所花費的成本將給您帶來(lái)更多數據，隨著(zhù)分辨率增加，數據量也相應增加，這就需要更多的計算能力。這就是為什么高效處理所有數據的先進(jìn)模式對于管理大量數據和低功耗至關(guān)重要。高效的中央處理或者邊緣處理，將是未來(lái)雷達的基礎。

 

下一步：協(xié)同雷達與通信需求

 

Mike Keaveney說(shuō)道：“利用現有車(chē)載雷達傳感器硬件的協(xié)同雷達是未來(lái)汽車(chē)領(lǐng)域的發(fā)展方向。協(xié)同雷達就是相干性和識別協(xié)同創(chuàng )建高分辨率相干圖像的事物需求，在本例中是指檢測雷達。一旦實(shí)現了協(xié)同雷達的經(jīng)濟性，就能夠享受諸多優(yōu)勢。”

 

協(xié)同雷達可提供成像雷達性能，而不會(huì )顯著(zhù)增加車(chē)內個(gè)別現有雷達系統的大小。這是因為有效孔徑現在由兩個(gè)（或多個(gè)）具有重疊視場(chǎng)的分布式雷達傳感器之間的距離設定，而不是由任何一個(gè)傳感器的物理尺寸預先確定。

 

圖3.初級雷達的窄孔徑。

 

初級雷達現在常用于汽車(chē)。

 

來(lái)自每個(gè)發(fā)射源的雷達信號反射到一個(gè)物體上，然后傳回到原點(diǎn)?？讖?，或者說(shuō)初級雷達的性能，是以英寸為單位的雷達發(fā)射器本身的寬度。

 

協(xié)同雷達/SuperRADAR較大的孔徑

 

SuperRADAR是ADI通過(guò)多個(gè)具有重疊視場(chǎng)的雷達波束實(shí)現相干性算法的方法。

 

基于SuperRADAR的協(xié)同雷達使用低速鏈路在雷達源之間進(jìn)行粗略定時(shí)。每個(gè)傳感器向中央處理器發(fā)送數據，或者可能從一個(gè)雷達向另一個(gè)雷達發(fā)送數據，并在邊緣傳感器上進(jìn)行處理，后面這種方法更經(jīng)濟。

 

Chris Jacobs表示：“傳統協(xié)同雷達系統不容易實(shí)現，因為需要在雷達之間運行高頻鏈路。實(shí)現這種相干性的硬件開(kāi)銷(xiāo)和成本非常高。”

 

對于汽車(chē)雷達來(lái)說(shuō)，提高協(xié)同雷達的性?xún)r(jià)比非常有必要。Jacobs說(shuō)：“向汽車(chē)添加硬件的傳統方法并非解決方案，我們必須換個(gè)思路來(lái)看問(wèn)題。我們可以通過(guò)智能方式，用算法將這些技術(shù)結合起來(lái)，使用系統中的相同硬件提高組合系統性能。ADI的SuperRADAR方法允許雷達系統產(chǎn)生多個(gè)非相干圖像的相干疊加。”

 

協(xié)同雷達

 

圖4.協(xié)同雷達較大的孔徑。

 

協(xié)同雷達的工作原理是什么？來(lái)自每個(gè)源的信號反射到一個(gè)物體上，被兩個(gè)雷達接收器捕獲。因此，同一目標有2個(gè)外觀(guān)（或兩個(gè)不同的視圖），并且目標上的時(shí)間為2倍，而初級雷達只有一個(gè)外觀(guān)，時(shí)間也只有1倍。此外，由于兩個(gè)雷達協(xié)同工作，雷達孔徑（與性能成正比）是汽車(chē)前部的尺寸，兩個(gè)角雷達之間的距離（大約4英尺），與初級雷達的英寸完全不同。

 

這種方法允許實(shí)現經(jīng)濟高效的傳感器設計，可將傳感器放在車(chē)輛周?chē)亩鄠€(gè)點(diǎn)上，支持出色的物體檢測和分類(lèi)。

 

SuperRADAR的優(yōu)勢：1 + 1 > 2

 

SuperRADAR不僅降低尺寸、重量和功耗，還為系統帶來(lái)更多功能，從而提高分辨率，同時(shí)顯著(zhù)減少硬件，在更合理的成本范圍內提高應用性能。

更多反射點(diǎn)：目標上的時(shí)間為2倍

 

SuperRADAR可使用同樣多的硬件提供兩倍性能?；蛘?，使用一半的雷達通道來(lái)保持相同的性能。Chris Jacobs說(shuō)：“借助SuperRADAR，我們得到的分辨率是單個(gè)雷達的兩倍?？赡軙?huì )需要額外的處理能力，但是汽車(chē)級DSP/MCU的路線(xiàn)圖足以滿(mǎn)足這些處理需求。”

 

SuperRADAR實(shí)際上就是雷達融合。我們將融合兩個(gè)獨立的雷達視圖，因此得到的分辨率比單獨完成的更好。Jacobs表示：“融合將成為未來(lái)實(shí)施ADAS的標準方式。”

 

降低延遲：快速計算橫向速度可挽救生命

 

車(chē)輛成像系統的一個(gè)重點(diǎn)是能夠快速計算橫向速度，即物體正交（以直角）移動(dòng)到車(chē)輛行駛方向的速度。但是，要實(shí)現足夠低的誤報率，即使是主要基于攝像頭的出色機器學(xué)習算法仍然需要大約300 ms來(lái)進(jìn)行橫向移動(dòng)檢測。對于在以每小時(shí)60英里速度行駛的車(chē)輛前方行走的行人來(lái)說(shuō)，毫秒之差就關(guān)系到人員受傷的輕重程度，因此響應時(shí)間至關(guān)重要。

 

300 ms延遲是由系統從10個(gè)連續視頻幀執行增量矢量計算所需的時(shí)間造成的，10個(gè)是以可接受的低誤報率進(jìn)行可靠檢測所需的數目。但是，由于SuperRADAR的寬有效孔徑，以及它將來(lái)自?xún)蓚€(gè)或多個(gè)傳感器的圖像連貫組合的方式，它能夠在一個(gè)30 ms的測量周期內精確地計算出速度的切向分量和徑向分量（這種延遲比目前一流的系統快10倍）。這種低延遲的檢測比F1賽車(chē)手的反應時(shí)間100 ms要少，遠遠少于一般駕駛員的反應時(shí)間！

 

圖5.今天的圖像系統有300 ms的延遲和10幀圖像用于檢測正交運動(dòng)。

 

使用當今常見(jiàn)的成像雷達技術(shù)，如果有人過(guò)馬路，就需要多個(gè)攝像頭圖像來(lái)顯示正在移動(dòng)的物體。每個(gè)攝像頭圖像需要30 ms。10個(gè)圖像需要300 ms。在這段時(shí)間內，汽車(chē)移動(dòng)幾英尺。

 

圖6.SuperRADAR系統有30 ms的幀延遲來(lái)檢測正交運動(dòng)。

 

兩個(gè)雷達協(xié)同工作，可以進(jìn)行三角測量，從而捕捉運動(dòng)中的物體，因為兩個(gè)雷達源都是偏置的。只需要先用雷達波束1從位置1映射這個(gè)人，然后在30 ms后用雷達波束2從位置2映射。這就讓汽車(chē)知道人的移動(dòng)方向。

 

SuperRADAR只需使用傳統成像雷達十分之一的時(shí)間即可識別穿越道路的移動(dòng)物體。

 

SuperRADAR的經(jīng)濟性

 

SuperRADAR概念不僅是降低整體系統成本的有效方法，而且能夠滿(mǎn)足性能需求，為最終應用帶來(lái)更大的價(jià)值。

 

Chris Jacobs表示，“我們要的是成像雷達的性能，現在只能在昂貴的自動(dòng)駕駛出租車(chē)應用中找到，還要去除所有昂貴的硬件，把價(jià)格降到個(gè)人車(chē)主能夠承受的水平。這正是SuperRADAR發(fā)揮作用的地方，用最少的硬件占用空間和硬件上面運行的軟件，產(chǎn)生兩倍的性能。”

 

汽車(chē)的未來(lái)

 

在我們展望汽車(chē)領(lǐng)域的未來(lái)時(shí)，我們發(fā)現可能需要從根本上重新構建現有系統?，F有的汽車(chē)平臺與未來(lái)的汽車(chē)平臺極為不同。

 

憑借在垂直領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗和專(zhuān)業(yè)知識，ADI具備獨特的優(yōu)勢，能夠通過(guò)硬件和軟件產(chǎn)品的組合來(lái)優(yōu)化未來(lái)汽車(chē)的雷達處理需求，為最終應用帶來(lái)更多價(jià)值。這種算法直接解決了汽車(chē)制造商目前和未來(lái)面臨的總擁有成本(TOCO)挑戰。

 

SuperRADAR潛力十足，而目前還處于初步探索階段。這項技術(shù)不僅是一種推動(dòng)ADAS的更高性能、更經(jīng)濟高效的解決方案，而且最終會(huì )挽救生命。

 

作者簡(jiǎn)介

 

Chris Jacobs于1995年加入ADI公司。在任職期間，Chris在消費電子、通信、工業(yè)和汽車(chē)部門(mén)擔任過(guò)多個(gè)設計工程、設計管理和業(yè)務(wù)領(lǐng)導職務(wù)。他目前是ADI公司自動(dòng)交通和汽車(chē)安全事業(yè)部副總裁。Chris擁有克拉克森大學(xué)計算機工程學(xué)士學(xué)位、東北大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位和波士頓大學(xué)工商管理碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：chris.jacobs@analog.com。

 

 

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