车载雷达大时代之装车率、4D雷达与雷达抗干扰

图︱恩智浦

自动驾驶发展路线图上,应用最广泛的就是雷达传感器。据恩智浦半导体大中华区汽车电子首席系统架构师黄明达博士介绍,从基础的自适应巡航控制(Adaptive Cruise Control)或自动紧急制动系统(Automatic Emergency Breaking)功能,到第四/第五(L4/L5)级别全自动驾驶,雷达都必不可少,而且越用越多。在第二级别(L2)自动驾驶中,通常需要数颗雷达来实现,前向是长距离雷达加摄像头组合,前向横穿预警需要两颗前角雷达,而后向盲点探测系统(BSD)与换道辅助则需要两颗后角雷达,这就是5颗雷达,再与多颗摄像头组合即可实现360度覆盖车辆行驶范围。

雷达新车装车率在2023年有望超过60%

恩智浦公司预计,到第四/第五级别自动驾驶需要更多雷达,而且高级别自动驾驶对雷达传感器性能也提出更高要求。例如,4D成像雷达将在高级别自动驾驶应用中成为必需。所谓4D雷达,是指除了可以测量传统雷达的距离、速度及水平方向角之外,还可以测量垂直方向的俯仰角度,即可以同时监测四个核心参数。黄明达表示,4D成像雷达的主要特点是角度分辨率非常高,前向4D成像雷达角度分辨率可达到水平方向一度角、俯仰方向二度角的分辨率,由于分辨率高,利用4D成像雷达传感器收集的数据,可以对路上的路障、汽车和行人等反射点描绘出整体轮廓,因而被称之为成像雷达。

对于雷达装车率,恩智浦预测,到2023年约有60%新车会装配雷达,其中L1级别比例为40%、L2级别比例为15%、L2+级别为5%。黄明达表示,雷达市场高增长可期,主要原因为雷达应用广泛,不同级别自动驾驶都需要雷达支持,而随自动驾驶级别越高,雷达应用数量越多;另外,政策法规不断推动雷达的普及,全球汽车主要区域市场都在为实现更安全驾驶推荐或强制新车安装AEB等系统。第三,随着自动驾驶等级的不断提高,对雷达性能提出更高要求,而实现高性能雷达,往往需要多个雷达级联来实现更高分辨率,这无疑将对雷达传感器的上量起到双重驱动作用。

在监管政策方面,已经公开的消息显示,2018年欧洲NCAP开始要求五星级安全汽车必须配置AEB系统,我国于2020年也要求新车只有配备AEB系统才能达到五星级安全,日本则在2021年要求所有新车都必须加装前向AEB和后向AEB,美国厂商计划在2022年对所有新车加装AEB系统,而欧盟则要求2024年以后所有新车都必须加装AEB系统。黄明达总结:“这些因素都会会进一步提高雷达在汽车中的装配率。”

雷达抗干扰

由于装车率还不高,所以当前车载雷达的干扰问题还不严重。但分析显示,当总装车率达到50%以上时,雷达传感器之间出现干扰的概率将大幅增加,有90%甚至更高的几率会受到其他汽车的雷达信号干扰。

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黄明达解释,车载雷达易产生干扰主要由于两个原因。第一,车载雷达频谱集中在76至81GHz,工作在相同或交叠频率的雷达之间具备了互相干扰的基础;第二,不像移动通信有清晰的标准和严格的管控,各车载雷达系统的波形设计往往由汽车一级供应商根据自身系统和算法来设置。例如汽车会车时,前向雷达相互照射,如果雷达的发射时间和频率相同或有交叠那么就有可能产生干扰。

雷达干扰对系统的危害主要有两个结果:由于噪底大幅提升导致雷达系统无法识别障碍物;由于干扰信号与受干扰雷达系统的发射接收信号强相关,会产生一个假目标信号,误判前后方出现障碍,或可导致急刹等误操作。无论哪种结果,都将威胁到车内乘客与驾驶员的安全,所以当雷达装配率越来越高的时候,必须考虑解决雷达抗干扰问题。

黄明达表示,对抗雷达干扰,恩智浦有三种解决方法。第一种是在射频前端做处理,通过判断入射信号强度来钳制干扰信号。雷达射频前端正常接收的是自己发射出去的信号遇到障碍物以后的反射信号,而会车时对方车辆是直射信号,此时干扰信号幅度比真正有效信号幅度高很多,所以接收端会看到非常大的信号,该信号很可能会导致接收机射频前端链路饱和,从而使接收机失效,该模式类似于相机被强光照射时过曝,所以可以通过前端增益调整,来控制干扰信号,防止雷达接收机前端因干扰出现饱和而无法工作。

第二种是在处理器上通过数字信号处理来进行干扰检测与消除。雷达接收机射频前端输出给MCU的中频信号通常比较稳定,当有干扰时,中频信号的频率与幅值都会有明显变化,通过高通滤波器和阈值检测,或短时傅里叶变换,可以来判断是否有干扰信号,判断出干扰信号后,可以将干扰段直接去除,或者通过更复杂的数字信号处理方法将有效信号恢复。

第三种方法也是在数字域进行处理,但策略是主动抗扰。可以随机改变雷达发射信号的频率或发射起始时间,例如将发射信号与伪噪声序列相乘,或者动态调整雷达波形发射时间点。也可以先侦听某频段是否有干扰,如果无干扰再发射信号。

黄明达表示,这三种方法应对今后几年的雷达干扰已经足够,要在抗干扰的复杂性和干扰处理能力之间找到适当的平衡点。但雷达装配率会不断提高,最终还是会需要更系统的解决方法。例如,可以借鉴通信行业的成功案例,通过技术标准化,比如制定共享无线通道的接入规则来提升信道利用率,从而彻底解决雷达干扰问题。他说:“在此基础上甚至可以更进一步,我们不再把每个雷达传感器视为独立单元,而应将雷达传感器视为同一传感系统中的多个单元,在这个系统中,不同的雷达传感器协同工作,构建成完整的雷达生态系统,用户或自主驾驶系统可看到由本车雷达、他车雷达和路端雷达共同拼接成的一个完整图像。”

恩智浦雷达新解决方案

在这次媒体会上,恩智浦还发布了16纳米雷达信号处理器S32R294。该处理器性能强大、功耗极低、尺寸小巧,非常适合为4D点云雷达等高性能雷达实现信号处理及控制功能。

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据恩智浦半导体大中华区雷达产品市场经理杨昌介绍,S32R294尺寸为7.5mm×7.5mm,与上一代芯片S32R274尺寸一致,但性能提高了一倍。

S32R294有两个e200z7的Power架构32位内核,用于雷达信号后处理和任务调度,如超分辨算法、信号聚类,目标追踪等。该芯片还有一对z4内核实现锁步,用于运行跟功能安全相关的软件,如AUTOSAR OS, 输出决策指令等。

S32R294内置雷达信号加速单元,简称SPT2.8,对雷达中频信号的FFT、求模、峰值检测、直方图统计等最耗资源的运算进行硬件加速,专为调频连续波(FMCW)雷达信号处理进行了计算优化和加速。

因与S32R274同属Power架构,S32R294具有非常高的软件兼容性,该处理器方案中软件复用率高达80%,降低了老客户重复开发成本。得益于16纳米制程,和上一代55纳米制程的处理器相比,S32R294的功耗不到S32R274(55纳米制程)的一半,功耗典型值为0.9瓦。

S32R294处理器通过了ASIL D最高级别的ISO26262认证。该处理器有专门的硬件加密引擎CSE(Cyptographic Services Engine),可以支持安全启动等高阶加密算法。

S32R294支持多种配置,从入门到高端的全系应用开发均可采用一种处理器来完成,无论是一发三收、三发四收,还是六发八收等中频信号处理,S32R294都能轻松支持。

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以六发八收毫米波雷达系统为例,该系统采用恩智浦TF82系列微波集成电路(MMIC)两片级联来实现更高雷达性能,两片MMIC芯片通过LO相连,实现芯片间的同步。MMIC芯片由S32R294通过SPI配置总线通道控制波形发射,接收链路接收到的中频信号也是通过MIPI-CSI接口传输回到S32R294去做后续的信号处理。

黄明达告诉探索科技(techsugar),理论上级联数量越多,性能越好,级联越多对各芯片之间的同步,对板级设计的时钟与高频信号走线考验越大,完全不考虑成本的情况下,利用其他外部元器件能实现多于4颗射频前端的级联。但在不借助外部元器件的情况下,NXP的射频前端最多可以级联四颗,构成一个12发16收的系统,从而满足对4D成像雷达的高要求。当然,用两颗射频前端级联6发8收也能构成一个低成本的4D雷达系统。

杨昌则对探索科技(techsugar)表示,在雷达处理器上,恩智浦既有Power架构产品,也有Arm架构产品,而且由于Arm生态更繁荣,恩智浦将会把越来越多的资源向Arm架构雷达处理器倾斜。





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