Помехи сигналам снижают безопасность автомобильного радара

Малоизвестная проблема радиолокационной безопасности становится потенциальной ахиллесовой пятой для автомобилей с системой помощи водителю и высокоавтоматизированных транспортных средств:радиолокационные сигналы мешают друг другу.

Радар стал важным средством зондирования, дополняющим камеры формирования изображений CMOS. Радар работает в любых погодных условиях и обеспечивает ряд автоматизированных функций вождения, включая автоматическое экстренное торможение (AEB). Но радары могут выйти из строя или выйти из строя, если они, как ускорители частиц Охотников за привидениями, пересекают потоки друг друга.

«Я забыл сказать вам кое-что очень важное.
Не переходите ручей. Было бы плохо ».

Хотя автопроизводители еще не предупреждают об этом явлении и не воспринимают его, как правило, водители, автомобильные радары, работающие в перегруженных условиях, столкнутся со значительными помехами.

Сегмент применения радара варьируется от адаптивного круиз-контроля и обнаружения слепых зон до систем предупреждения о лобовом столкновении и интеллектуальной помощи при парковке. Чтобы автомобиль мог видеть на 360 градусов, ему нужны радиолокационные микросхемы ближнего и дальнего действия. AEB обычно использует радар (всепогодный), а иногда и лидары и камеры для обнаружения неизбежной аварии.

Быстрое распространение AEB на мировом рынке стало палкой о двух концах для поставщиков радарных датчиков. Это одновременно повод для радости и повод для беспокойства.

Например, Китайская программа оценки новых автомобилей (NCAP) уже установила обязательную AEB для всех грузовиков, выходящих с завода на рынок в 2020 году. Начиная с этого года, новые автомобили в Японии должны иметь переднюю и заднюю функции AEB. В Соединенных Штатах 20 автопроизводителей согласились на добровольную «100-процентную ставку AEB на новые автомобили в 2022 году». В соответствии с требованиями Euro NCAP 2019 года, 90 процентов автомобилей, проданных в Европе, уже оснащены новейшей технологией предотвращения столкновений при столкновении с автомобилем.

NXP Semiconductors прогнозирует, что уровень проникновения автомобильных радаров вырастет до 55 процентов в 2030 году. В недавнем интервью EE Times Хуанью Гу, старший менеджер по маркетингу продукции NXP Semiconductors, ответственный за ADAS и V2X, предупредил, что радиолокационные помехи неизбежны, сказав, что «когда несколько радаров передают одновременно и на одной или на одной частоте, и если они затем используют общую видимый путь ».

Не только Гу из NXP беспокоится. Мартин Дункан, генеральный менеджер подразделения ADAS и ASIC компании ST Microelectronics, также сообщил EE Times «То, что у нас сейчас 25% новых автомобилей с радиолокационными системами, это уже проблема. Если вы попытаетесь запечатлеть дорожные условия в реальном времени, очень легко увидеть передачи от нескольких автомобилей. Поскольку мы все используем один и тот же частотный диапазон, это потенциально может ухудшиться по мере увеличения коэффициента соответствия ».

Пример развертывания нескольких радарных датчиков, используемых для систем активной безопасности и помощи при вождении (Киссинджер, 2012 г.)

Принцип перегрузки радара прост. Национальная администрация безопасности дорожного движения (НАБДД) написала в своем «Исследовании перегрузки радаров», опубликованном в сентябре 2018 года:

Радары используют информацию об излучаемых сигналах для определения эхо-сигналов и оценки дальности и скорости объектов в окружающей среде. Эти эхо-сигналы не являются точными копиями исходного сигнала, а являются суммой нескольких возвратов, которые конструктивно и деструктивно мешают сигналу. Важно понимать, что отражения от объектов, освещаемых радаром, колеблются, особенно при изменении относительного расстояния, аспекта и других объектов в сцене. Когда несколько радаров работают в непосредственной близости и в среде с несколькими источниками рассеяния, характеристики каждого радара ухудшаются по мере увеличения уровня помех.

Это может привести к снижению безопасности. «В худшем случае - гибель людей из-за радиолокационных помех. Сегодня уже широко используется фильтрация ложных срабатываний в стеке радара, независимо от первопричины », - отметил основатель и президент VSI Labs Фил Мэгни.

Промышленность была предупреждена

Чем больше автомобилей с радаром выезжает на дорогу, тем быстрее каждый радар должен научиться справляться с присутствием других радаров. Поставщики радаров находятся под давлением.

Простой сценарий общего движения, в котором помехи рассчитываются на радаре жертвы (зеленый) и создаются другими транспортными средствами (красный) 3. (Источник:NXP)

Вряд ли радиолокационные помехи являются неожиданным следствием распространения радиолокаторов. Автомобильная промышленность была предупреждена. Более десяти лет назад Европа разработала проект под названием MOSARIM (MOre Safety for All by Radar Interference Mitigation) и выпустила отчет в 2012 году. В рамках проекта исследовались «взаимные автомобильные радиолокационные помехи, а также определение и разработка эффективных мер противодействия и методов смягчения последствий. ”

Совсем недавно NHTSA провело «Исследование перегрузки радара», моделирующее и имитирующее радиолокационные помехи, имея в виду два вопроса:

• Какую мощность данный радар принимает от других радиолокационных передатчиков?
• Как это влияет на работу системы предупреждения о столкновении?

В заключении отчета:

… Системы, которые хорошо работают в среде с небольшим количеством других радаров, могут значительно снизить производительность в перегруженных радарами средах. Результаты исследования показывают, что уровни помех, основанные на работе существующих систем в перегруженной среде, будут значительными. В сценариях, когда на многих транспортных средствах используются радары в диапазоне 76–81 ГГц, мощность других радаров, вероятно, на несколько порядков будет превышать мощность эхо-сигналов от целей, необходимых для заданных характеристик.

Сотрудничество между радарами?

Итак, промышленность уже десять лет знает о неизбежности радиолокационных пробок на дорогах. Какие действия были предприняты?

С учетом всего этого времени можно ожидать, что производители автомобилей и производители автомобилей первого уровня разработают надежную стратегию предотвращения помех. Вы можете представить себе радарный датчик, который избегает помех, динамически адаптируя параметры формы волны.

Это не ракетостроение. Сообщество радаров имеет ноу-хау, чтобы заимствовать аналогичные типы правил доступа к каналу, уже применяемые в телекоммуникационной отрасли (например, TDMA, FDMA и CDMA). По словам Гу из NXP, такая схема «послушай, прежде чем говорить» должна обеспечить более структурированную связь между радарами.

К сожалению, это не метод снижения помех, принятый в отрасли. Помимо того факта, что автомобильные радары используют один и тот же выделенный частотный спектр (76 ГГц ~ 81 ГГц), сообщество радаров не подчиняется никаким правилам. «Параметры формы сигнала радара не регулируются», - отметил Гу.

Отраслевые соглашения, стандартизация и регулирование никогда не были частью ДНК автомобильной промышленности.

По словам Гу, распространенный подход, принятый сегодня, - «ограничить помехи путем рандомизации передаваемых сигналов по времени или по частоте». Признавая нелогичность этой рандомизации, Гу сказал:«Сегодня вы делаете это вслепую. Это, конечно, нормально, особенно если на дороге не так много машин с радарами. Но если вы хотите повысить устойчивость радиолокационного датчика к помехам, вы должны стремиться к сотрудничеству между радиолокационными датчиками ».

Но для этого потребуется регулирование.

Тем не менее, в своем собственном техническом документе о радиолокационных помехах NXP заключила:

В конце концов, для поддержки высокого проникновения на рынок потребуется какая-то форма соглашения между производителями, чтобы более эффективно и справедливо распределять ресурсы датчиков. Этот последний шаг означает, что все игроки на рынке должны будут собраться вместе, чтобы определить стандартизированный способ доступа к каналу, в то же время сохраняя возможность дифференцированного восприятия.

Бесплатно для всех

«Радар всегда был бесплатным для всех», - заметил Эгиль Юлиссен, независимый ветеран автомобильной промышленности. Он пояснил, что в погоне за инновациями компании, производящие радарные датчики, обычно склонны разрабатывать новые патентованные алгоритмы, работающие на процессорах цифровой обработки сигналов или микроконтроллерах, связанных с сенсорными микросхемами, чтобы их радары могли улучшить разрешение изображения и уменьшить помехи.

Другими словами, для многих в автомобильной промышленности увеличение объема обработки сигналов для устранения проблем, связанных с радиолокационными помехами, является более предпочтительным подходом, чем любые отраслевые соглашения или правила.

Радиолокационный датчик с цифровой частью (DSP), передатчик и приемник. Методы создания помех можно сгруппировать на те, которые предназначены для предотвращения насыщения интерфейса, те, которые управляют помехами в цифровом виде, и те, которые пытаются избежать помех до того, как они действительно произойдут. (Источник:NXP)

Во время нашего интервью Гу из NXP предложил три различных подхода к снижению радиолокационных помех:1) избегать насыщения на входе; 2) управлять цифровыми помехами путем распознавания и устранения помех в цифровой области; 3) избегайте помех, динамически адаптируя параметры формы сигнала.

Третий подход уже считается наименее вероятным для использования в текущем спектре частот 77 ГГц. Гу объяснил:«Люди думают, что уже слишком поздно, потому что у нас уже слишком много радарных датчиков на дороге, и эти датчики не будут взаимодействовать». Он добавил, что схема может быть «применена к частоте 140 ГГц в будущем, если эта полоса будет доступна для радаров».

Первый - более вероятный - подход состоит в том, чтобы разработать методы, позволяющие избежать насыщения интерфейса. Здесь может быть получена по крайней мере часть полезного сигнала и приняты надлежащие меры противодействия. «Вы можете сделать это, установив для приемника радара две разные настройки усиления», - сказал Гу. В качестве альтернативы, система может включать в себя «пространственное обнуление», при котором внешний интерфейс использует несколько антенн, чтобы скрыть себя в направлении, создающем помехи. Этот подход направлен на устранение мешающего сигнала до того, как он насыщает интерфейсную часть, объяснил Гу.

Поставщики радиолокационных микросхем, такие как NXP, как правило, сосредотачиваются на устранении помех в цифровой области - в DSP. «Конечно, его предварительным условием является то, что на самом деле полезный сигнал не будет скрыт за сильными сигналами», - сказал Гу.

После определения того, что мешающий сигнал относительно слаб, его можно оцифровать вместе с полезным сигналом, не вызывая насыщения внешнего интерфейса.

Но название игры - это сначала определение того, был ли сигнал поврежден, что, по мнению NXP, легче сказать, чем сделать. Способы сделать это зависят от конкретной формы сигнала радара как жертвы, так и помехи. Поскольку сегодняшняя нормативно-правовая база допускает разные способы построения сигналов радара, каждый производитель радарных датчиков выбирает свои собственные, что делает процесс не только разнообразным, но и сложным.

Де-факто стандартом автомобильных радаров является радар с непрерывной частотной модуляцией (FMCW). FMCW предлагает очень хорошую производительность, относительно простую и элегантную. Согласно NXP, он покрывает большую полосу пропускания с помощью АЦП с низкой пропускной способностью и обеспечивает надежную оценку целевой скорости. Но здесь есть некоторые оговорки.

Разные производители используют разные настройки параметров сигналов FMCW, чтобы дифференцировать предложения своих продуктов и покрывать различные требования приложений, такие как несущая частота, полоса пропускания, длительность ЛЧМ-сигнала, время выборки, продолжительность цикла измерения и различные способы изменения параметров в течение периода измерения.

Напомним:датчик радара сначала должен распознать источник помех. Обнаружение помех работает путем распознавания уникальных характеристик чужого сигнала. Как только помеха обнаружена, системные алгоритмы должны удалить ее из принятого сигнала как можно полнее, не искажая и не удаляя полезный сигнал.

Ничто из этого не должно удивлять кого-либо в сообществе радаров. «На рынке есть учебные алгоритмы обработки сигналов, и они уже используются в отрасли», - сказал Гу.

Однако он отметил, что алгоритмы из учебников имеют ограничения. «Они часто ограничиваются устранением низкокоррелированных помех. К тому же они способны справляться только с очень ограниченным количеством помех - одним или двумя за раз ».

Цель NXP - дальнейшее развитие дифференцированных передовых алгоритмов цифровых сигналов для устранения помех.

СТ работает над собственной методологией. Дункан сказал:«Если вы знаете, что такое щебетание радара, вы можете легко фильтровать / игнорировать ложные сигналы. Также можно поставить подписи между щебетанием ».

Однако Дункан добавил:«Если бы была большая стандартизация / совместное использование того, что передается, это помогло бы в контрмерах по удалению нежелательных сигналов».

Чувствуете радиолокационные помехи?

NHTSA разработало несколько сценариев, имитирующих помехи, ожидаемые при перегрузке радаров.

• В случае движения на двухполосной автомагистрали, предполагая, что радары используют случайно выбранные несущие частоты, NHTSA предсказало, что «автомобильный радар будет получать мощность от других радаров, намного большую, чем эхо-сигналы его собственных передач, необходимые для отслеживания другие автомобили. Помехи приближаются к величине на четыре порядка, или почти на 40 дБ, больше, чем эхо-сигналы, типичные для эталонной цели, как указано для системы ».
• В радарах, которые обращены назад (как в системах обнаружения слепых зон), «эти устройства уязвимы для прямого прибытия радаров предотвращения столкновений вперед, которые используют более высокую мощность и усиление антенны». В исследовании говорится:«Наш анализ показывает, что эти устройства могут испытывать мощность помех от радара предотвращения лобовых столкновений, которая почти на пять порядков, или 50 дБ, превышает отражения от указанной ими контрольной цели».

Однако пока влияние радара не ощущается на реальных дорогах.

«Помехи между радарами до сих пор неизвестны, и прикладные исследователи, которые работают с радарами почти каждый день, VSI не может сказать, что мы когда-либо сталкивались с помехами между радарами от другого транспортного средства во время испытаний на дорогах общего пользования», - сказал Мэгни из VSI Labs. . «Мы можем предположить, что мы уязвимы, потому что сегодня на дорогах очень много транспортных средств, у которых есть несколько радаров для ближнего и дальнего действия», - добавил он.

Во время финансового звонка Tesla за первый квартал в понедельник генеральный директор Илон Маск подтвердил планы по устранению радаров с автомобилей Tesla, сделав спорным вопрос радиолокационных помех - по крайней мере, для автомобилей Tesla.

Однако другие производители автомобилей, производители автомобилей первого уровня и поставщики автомобильной техники в ближайшее время не откажутся от радаров.

Радары особенно важны, потому что они устойчивы к атмосферным воздействиям, подчеркивает Мэгни из VSI. «Радар - один из самых экономичных датчиков ADAS, и его проникновение в ближайшие годы значительно возрастет».

>> Эта статья изначально была опубликована на нашем дочернем сайте EE Times.

---

Связанное содержание:

• Эксперты ADAS думают об интеграции датчиков в автомобили будущего
• У автомобилей ADAS низкие показатели безопасности пешеходов.
• Будущее автоматизированных транспортных средств сталкивается с остающимися без ответа вопросами датчиков.
• Повышение качества распознавания дороги за счет интеллектуальной обработки данных.
• Радар на кристалле с частотой 60 ГГц соответствует требованиям автомобильной промышленности.
• Автомобильные датчики миллиметрового диапазона позволяют использовать более умный радар.

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.