祖母時代的技術已成往事

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

過去25年里,，ADI一直活躍在汽車行業(yè),，其產(chǎn)品既可用于被動安全應用，也可用于主動安全應用,。過去15年里,，ADI以DSP和數(shù)據(jù)轉換器在汽車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自動交通和安全副總裁Chris Jacobs表示：“高級駕駛員輔助系統(tǒng)已面市,，自動駕駛即將到來，而道路安全至關重要,。所以,，我和工程師致力于使用先進的功能和技術來實現(xiàn)更高的性能和自主性，從而挽救生命,。據(jù)我們估計,，基于我們產(chǎn)品的汽車傳感器每天可以挽救8條生命?！?/p>

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,。必須開發(fā)一種更高效且優(yōu)化的雷達技術,，提供與航空航天和防務行業(yè)系統(tǒng)相同的高性能,、功能和可靠性，并轉化為適合私家汽車市場的尺寸和成本,。

ADI自動交通和汽車安全事業(yè)部技術總監(jiān)Mike Keaveney說道：“雖然25萬美元的高分辨率成像雷達系統(tǒng)成本對于價值數(shù)百萬美元的軍用坦克總價來說不算什么,，但與均價3萬美元的家用汽車相比便貴的離譜了。我們正在探索如何進行定制,，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,?！?/p>

雷達的挑戰(zhàn)

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

這些都是ADI致力于實現(xiàn)的目標,，以推進技術發(fā)展，確保安全,，并將經(jīng)濟高效的汽車雷達帶給消費者,。

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駕駛所需的水平,。

 增加低反射率目標發(fā)出的反射點數(shù)量。

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

SWaP

 優(yōu)化外形尺寸（大小,、重量和功率），同時保持高性能。

 在不影響車輛工業(yè)設計的前提下,，保持系統(tǒng)的美觀,。

成本/經(jīng)濟學

 以大眾市場汽車成本約束可接受的價格和外形尺寸實現(xiàn)高分辨率雷達。

 將成本控制在購車者的價格敏感范圍內(nèi),，因為他們才是為這一切買單的人,。

法規(guī)

 還必須繼續(xù)遵守政府規(guī)定的高級駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)安全特性（如2022年美國自動緊急制動指令）。雷達將不再是一個選項,，而是標準,。因此,，關鍵是要不斷地將系統(tǒng)成本降低到一個消費者和OEM都可以接受的價格點,，同時仍然保持這些具有挑戰(zhàn)性的ADAS應用所需的性能。

如今的汽車雷達裝置比手機還小,，能探測您前方,、后方或側方的盲點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現(xiàn)更高水平的角度分辨率是一項理想功能,，對于自動駕駛出租車來說尤其如此。高分辨率不僅支持物體檢測（前面有東西）,，還支持物體分類（前面有自行車,、汽車、人或小孩）,。

為實現(xiàn)更高的分辨率,，成像雷達利用高帶寬信號處理、數(shù)字波束合成和相控陣技術,。所有這些都依賴于大量的硬件和處理能力,，其中天線尺寸隨著所需的角度分辨率而縮放，通道計數(shù)增加以使用通道覆蓋所需的天線區(qū)域,?！爸皇峭度敫喟嘿F的硬件來解決這一問題，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正與領先的OEM和一級供應商緊密合作,，開發(fā)新的突破性方法,，來改進雷達并應對其現(xiàn)代挑戰(zhàn)。如今的汽車采用的雷達分辨率都不高,，只能看到一團東西,。它可以檢測到汽車周圍存在物體，可能是摩托車，可能是人或大型卡車,，但無法確認該物體是什么,。在硬件檢測技術和軟件算法進步的推動下，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駕駛汽車又更近了一步。

分辨率問題和關于物體區(qū)分的挑戰(zhàn)

現(xiàn)有的常規(guī)汽車雷達在大視場范圍內(nèi)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(xiàn)有的非成像雷達的角度分辨率一般在10°到20°，它會將3名行人看作一個物體,。

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(shù)據(jù)箱收集1°到2°分辨率的信息,，幫助區(qū)分和確定3名行人的位置。

數(shù)據(jù)處理

您為更高分辨率所花費的成本將給您帶來更多數(shù)據(jù),，隨著分辨率增加,，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的先進模式對于管理大量數(shù)據(jù)和低功耗至關重要,。高效的中央處理或者邊緣處理，將是未來雷達的基礎,。

下一步：協(xié)同雷達與通信需求

Mike Keaveney說道：“利用現(xiàn)有車載雷達傳感器硬件的協(xié)同雷達是未來汽車領域的發(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,。一旦實現(xiàn)了協(xié)同雷達的經(jīng)濟性,，就能夠享受諸多優(yōu)勢?！?/p>

協(xié)同雷達可提供成像雷達性能,，而不會顯著增加車內(nèi)個別現(xiàn)有雷達系統(tǒng)的大小。這是因為有效孔徑現(xiàn)在由兩個（或多個）具有重疊視場的分布式雷達傳感器之間的距離設定,，而不是由任何一個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(xiàn)在常用于汽車,。

來自每個發(fā)射源的雷達信號反射到一個物體上,，然后傳回到原點?？讖?，或者說初級雷達的性能，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通過多個具有重疊視場的雷達波束實現(xiàn)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行粗略定時,。每個傳感器向中央處理器發(fā)送數(shù)據(jù)，或者可能從一個雷達向另一個雷達發(fā)送數(shù)據(jù),，并在邊緣傳感器上進行處理,，后面這種方法更經(jīng)濟。

Chris Jacobs表示：“傳統(tǒng)協(xié)同雷達系統(tǒng)不容易實現(xiàn),，因為需要在雷達之間運行高頻鏈路,。實現(xiàn)這種相干性的硬件開銷和成本非常高?！?/p>

對于汽車雷達來說,，提高協(xié)同雷達的性價比非常有必要。Jacobs說：“向汽車添加硬件的傳統(tǒng)方法并非解決方案,，我們必須換個思路來看問題,。我們可以通過智能方式,，用算法將這些技術結合起來,，使用系統(tǒng)中的相同硬件提高組合系統(tǒng)性能。ADI的SuperRADAR方法允許雷達系統(tǒng)產(chǎn)生多個非相干圖像的相干疊加,?！?/p>

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,？來自每個源的信號反射到一個物體上,，被兩個雷達接收器捕獲。因此,，同一目標有2個外觀（或兩個不同的視圖）,，并且目標上的時間為2倍，而初級雷達只有一個外觀,，時間也只有1倍,。此外，由于兩個雷達協(xié)同工作,，雷達孔徑（與性能成正比）是汽車前部的尺寸,，兩個角雷達之間的距離（大約4英尺），與初級雷達的英寸完全不同,。

這種方法允許實現(xiàn)經(jīng)濟高效的傳感器設計,，可將傳感器放在車輛周圍的多個點上，支持出色的物體檢測和分類,。

SuperRADAR的優(yōu)勢：1 + 1 > 2

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

更多反射點：目標上的時間為2倍

SuperRADAR可使用同樣多的硬件提供兩倍性能,?；蛘撸褂靡话氲睦走_通道來保持相同的性能,。Chris Jacobs說：“借助SuperRADAR,，我們得到的分辨率是單個雷達的兩倍?？赡軙枰~外的處理能力,，但是汽車級DSP/MCU的路線圖足以滿足這些處理需求?！?/p>

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

降低延遲：快速計算橫向速度可挽救生命

車輛成像系統(tǒng)的一個重點是能夠快速計算橫向速度,，即物體正交（以直角）移動到車輛行駛方向的速度,。但是，要實現(xiàn)足夠低的誤報率,，即使是主要基于攝像頭的出色機器學習算法仍然需要大約300 ms來進行橫向移動檢測,。對于在以每小時60英里速度行駛的車輛前方行走的行人來說，毫秒之差就關系到人員受傷的輕重程度,，因此響應時間至關重要,。

300 ms延遲是由系統(tǒng)從10個連續(xù)視頻幀執(zhí)行增量矢量計算所需的時間造成的，10個是以可接受的低誤報率進行可靠檢測所需的數(shù)目,。但是,，由于SuperRADAR的寬有效孔徑，以及它將來自兩個或多個傳感器的圖像連貫組合的方式,，它能夠在一個30 ms的測量周期內(nèi)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(tǒng)快10倍）,。這種低延遲的檢測比F1賽車手的反應時間100 ms要少，遠遠少于一般駕駛員的反應時間,！

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

使用當今常見的成像雷達技術，如果有人過馬路,，就需要多個攝像頭圖像來顯示正在移動的物體,。每個攝像頭圖像需要30 ms,。10個圖像需要300 ms。在這段時間內(nèi),，汽車移動幾英尺,。

圖6.SuperRADAR系統(tǒng)有30 ms的幀延遲來檢測正交運動。

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

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

SuperRADAR的經(jīng)濟性

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

Chris Jacobs表示，“我們要的是成像雷達的性能,，現(xiàn)在只能在昂貴的自動駕駛出租車應用中找到,，還要去除所有昂貴的硬件，把價格降到個人車主能夠承受的水平,。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,。”

汽車的未來

在我們展望汽車領域的未來時,，我們發(fā)現(xiàn)可能需要從根本上重新構建現(xiàn)有系統(tǒng)?，F(xiàn)有的汽車平臺與未來的汽車平臺極為不同。

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

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

作者簡介

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)和汽車部門擔任過多個設計工程,、設計管理和業(yè)務領導職務。他目前是ADI公司自動交通和汽車安全事業(yè)部副總裁,。Chris擁有克拉克森大學計算機工程學士學位,、東北大學電氣工程碩士學位和波士頓大學工商管理碩士學位。