История развития автомобильных радаров

     С каждым годом количество автомобилей в мире растет стремительным темпом. В 2010 году число эксплуатируемых автомобилей перевалило за миллиард. По оценке Международной Ассоциации автопроизводителей, (OICA) в 2015 году эксплуатировалось около 947 млн легковых и 335 млн коммерческих автомобилей [1]. Продажи автомобилей в 2020 году достигли 78.49 миллионов единиц. Предполагается, что к 2035 году количество автомобилей в мире достигнет 2 миллиардов.

     Каждый год в мире в дорожно-транспортных происшествиях (ДТП) гибнет около 1.2 миллиона человек [2]. По данным  ГИБДД,  за 9 месяцев 2021 года в России зарегистрировано 96314 ДТП. В ДТП погибло 10516 человек, еще 121573 получили травмы и увечья различной тяжести [3]. По данным американского агентства NHTSA, в 90% случаях ДТП происходят по вине водителя. Основными причинами ДТП является нарушение правил дорожного движения, усталость, разговоры по мобильному телефону и т.п.

     Для предотвращения травм и летальных исходов в конце 50-х годов в автомобилях начали применять ремни безопасности. В настоящее время усилия автомобильной промышленности направлены на достижение нулевого показателя смертности. Для этого в автомобили внедряют дополнительные системы безопасности:

  • пассивные: подушки безопасности, активные подлокотники, специальная конструкция кузова и т.п.

  • активные: антиблокировочная система, система курсовой устойчивости, система распределения тормозных усилий и т.д.

     С начала 90-х годов ХХ века в автомобилях начинают применять вспомогательные системы активной безопасности, основанные на данных, поступающих с ультразвуковых датчиков, камер, лидаров и радаров.

     Каждый из датчиков имеет свои преимущества и недостатки. Камеры используются для обнаружения и распознавания объектов дорожной инфраструктуры, автомобилей, пешеходов, границ дороги. При этом качество работы камеры снижается в плохих погодных условиях. Измерение дальности и скорости производится косвенным методом. Дальность обнаружения объектов камерой зависит от настроек объектива и матрицы, что не позволяет работать с одинаковой точностью на больших и малых дальностях. С выхода лидара получают изображение с высоким разрешением, однако, как и камеры, качество работы лидара снижается в плохих погодных условиях. Дальность действия современных лидаров составляет до 150 м. Так же большим недостатком лидаров является использование механических способов сканирования. Преимуществом автомобильных радаров является возможность прямого измерения дальности и скорости (на основе эффекта Доплера). Параметры радара слабо зависят от погодных условий. Однако радар не позволяет распознавать различные классы объектов. На рисунке 1 показан типичный результат работы радара в декартовых координатах [3].

Рисунок 1. Результат работы радара
Рисунок 1. Результат работы радара

     Автомобильные радары разделяются на 2 основных класса: радары дальнего действия и радары ближнего действия. Радары дальнего действия имеют узкий сектор обзора в горизонтальной плоскости (несколько градусов) и большую дальность. Они используются для построения систем адаптивного круиз контроля, системы экстренного торможения, системы stop&go. Радары ближнего действия имеют широкий сектор обзора в горизонтальной плоскости. Они применяются для систем помощи при перестроении и контроля слепых зон. Важными характеристиками радара являются дальность действия, центральная частота, зона обзора, ширина луча по азимуту и углу места.

     Дальность действия радара определяется рядом факторов, таких как мощность излучаемого сигнала и зависит от характеристик/размеров наблюдаемого объекта. Требования к дальности действия для радара задаются исходя из требований к системам помощи водителю. Обычно, дальность обнаружения легкового автомобиля составляет около 200 м, дальность обнаружения пешехода 120 – 150 м.

     Центральная частота применяемого в радаре сигнала определяет рабочую длину волны, что в конечном счёте сказывается на линейных размерах устройства. Чем меньше длина волны излучаемого сигнала, тем меньше размер антенны при заданных требованиях к зоне обзора и ширине луча по азимуту и углу места. В октябре 2005 года Европейский институт телекоммуникационных стандартов принял европейские стандарты для автомобильных радаров, работающих в полосе 76 − 77 ГГц (ETSI EN 301 091). В октябре 2010 года Российская Федерация выделила полосу 76 − 77 ГГц для автомобильных радаров [5]. При несущей частоте 77 ГГц длина волны составляет 4 мм.

     Ширина луча по азимуту определяет возможность радара разделять несколько объектов на одинаковой дальности, двигающихся с одинаковой скоростью. Например, если ширина полосы дорожного движения составляет 3 м, то для разделения 2 объектов на дальности 100 м необходимо что бы ширина луча по азимуту составляла 1.7 градуса. Ширина луча по азимуту зависит от линейных размеров антенны. Чем больше антенна, тем луч уже. Ширина луча по азимуту у современных радаров составляет 1 – 1.5 градуса.

     Разработка автомобильных радаров на начальном этапе велась в исследовательских целях, однако в последние десятилетия приобрела практический интерес и привлекла большой объем инвестиций. В этой статье показан путь радаров от лабораторных прототипов до коммерческих продуктов. В статье рассматривается ранние исследования и тенденции в данной области.

Историческая справка

     Первые эксперименты в области автомобильных радаров начались в конце 50-х годов ХХ века. Разработанные прототипы работали в Х и Ku диапазонах, на несущей частоте около 10 ГГц и 16 ГГц (см. рисунок 2, 3). Прототипы использовали различные типы зондирующих сигналов: импульсный, частотно-модулированные сигналы, линейно-частотно модулированный сигнал (FMCW). В радарах обычно формировался только один луч для обнаружения объектов. Однако экспериментальные образцы были слишком громоздкими для применения в коммерческих автомобилях.

Рисунок 2. 10 ГГц автомобильный радар. VDO. Начало 1970х
Рисунок 2. 10 ГГц автомобильный радар. VDO. Начало 1970х
Рисунок 3. 16 ГГц автомобильный радар. SEL (Standart Electric Lorenz). 1975
Рисунок 3. 16 ГГц автомобильный радар. SEL (Standart Electric Lorenz). 1975

     Для уменьшения размеров антенны частота радаров была увеличена до 35 и 50 ГГц. В 1972 году правительство ФРГ выделило средства на исследования разработок систем предотвращения столкновений NTO-49, которые проводились в AEG-Telecunken в городе Ульм, Германия. Радар работал на частоте 35 ГГц. В качестве зондирующего сигнала использовался импульсный сигнал с длительностью 10 нс. Использовалась параболическая антенна с шириной луча по азимуту около 2.5 градусов. Дальность действия радара составляла около 100 м. Для формирования сигнала использовались диоды Ганна и Шоттки. Переход на более высокую несущую частоту позволил разместить радар в передней части автомобиля (см. рисунок 4).  

Рисунок 4. 35 ГГц автомобильный радар. AEG-Telefunken. 1974
Рисунок 4. 35 ГГц автомобильный радар. AEG-Telefunken. 1974

     Первые коммерческие радары появились в начале 90-х годов ХХ века (компании Philips, Fujitsu, Nissan, TRW и другие). В коммерческих радарах в качестве зондирующего сигнала используется FMCW сигнал. Преимуществом такого сигнала является простота системы формирования, приема и обработки сигнала, которая не требует высокоскоростных дорогостоящих процессоров. В 1992 году компания Greyhound в США установила на 1600 автобусов системы предупреждения о столкновении EATON-VORAD (CWS) (см. рисунок 5). Анализ данных с системы в 1993 году показал, что применение данной системы позволило сократить аварийность на 21% по сравнению с годом ранее [6]. В радаре использовалась фазированная антенная решетка на основе планарной технологии, работающая на частоте 24 ГГц. Радар формировал один приемный и один передающий по азимуту с шириной 3.5 градуса. В качестве зондирующего сигнала использовался сигнал с FMCW модуляцией. Средняя мощность излучаемого сигнала составляла около 0.5 мВт, при этом дальность действия системы составляла около 100 м.

     Однако применение системы пришлось прекратить по двум причинам. Первая причина – это протесты со стороны профсоюзов водителей США, связанные с тем, что система хранила информацию о перемещении автобусов. Вторая причина связана с тем, что автомобильные радары работали в том же диапазоне частот, что и полицейские радары, создавая тем самым помехи друг другу.

Рисунок 5. 24 ГГц автомобильный радар. Greyhound
Рисунок 5. 24 ГГц автомобильный радар. Greyhound

     Первая коммерческая система помощи водителю для пассажирских автомобилей была представлена в 1999 году компанией Mercedes-Benz. Она использовалась для реализации адаптивного круиз контроля и устанавливалась на автомобили премиум класса. Система была разработана совместно с компанией Daimler и называлась «DISTRONIC». Для системы использовался радар компании Continental, работающий на частоте 77 ГГц (см. рисунок 6) [7]. 

Рисунок 6. 77 ГГц радар, Daimler
Рисунок 6. 77 ГГц радар, Daimler

     Дальность действия радара составляла до 150 м. Система в основном использовалась за городом для адаптивного круиз контроля, то есть для поддержания заданной дистанции до впереди идущего автомобиля. Через 8 лет была представлена система «DISTRONIC PLUS», состоящая из радара дальнего действия с центральной частотой 77 ГГц и 2 радаров ближнего действия с центральной частотой 24 ГГц (см. рисунок 7).

Рисунок 7. Конфигурация секторов обзора системы «DISTRONIC PLUS». Оранжевый луч – радар дальнего действия 77 ГГц, зеленые лучи – радары бокового обзора 24 ГГц.
Рисунок 7. Конфигурация секторов обзора системы «DISTRONIC PLUS». Оранжевый луч – радар дальнего действия 77 ГГц, зеленые лучи – радары бокового обзора 24 ГГц.

     Применение такого подхода сделало систему пригодной для улично-дорожной сети в городе. В настоящее время такой подход начал применяться не только в автомобилях премиум класса, но и в более дешевых автомобилях.

     Разработкой автомобильных радаров в настоящее время занимаются множество компаний: Bosch, Continental, Delphi, Veoneer, Valeo и другие. Наиболее распространенными являются радары компании Bosch и Continental, устанавливаемые на автомобили Mercedes-Benz и Volkswagen Group.

     Автомобильные радары компании Bosch прошли несколько поколений (см рисунок 8).

Рисунок 8. Автомобильные радары компании Bosch
Рисунок 8. Автомобильные радары компании Bosch

     Первый автомобильный радар компании Bosch ACC1 (Adaptive cruise control) был представлен в 2000 г. Он был собран из дискретных компонентов: генератор сигнала, СВЧ приемник, система цифровой обработки сигналов. Генератор сигналов был сделан на основе арсенид галлиевой технологии (GaAs). Для формирования требуемого угла обзора использовалась диэлектрическая линза. Радар имел размеры 124×91×97 мм, вес 600 г, центральная частота 77 ГГц, дальность действия до 150 м и угол обзора 8 градусов [7, 12].

     Радар второго поколения (ACC2) был представлен в 2004 году (см. рисунок 9).

Рисунок 9. Радар второго поколения (ACC2) компании Bosch
Рисунок 9. Радар второго поколения (ACC2) компании Bosch

     В радаре использовался один широкий луч на передачу и 4 приемных луча, формируемых с помощью диэлектрической линзы в аналоговом виде. В качестве зондирующего сигнала использовался ЛЧМ сигнал с треугольным законом изменения частоты. ACC2 имеет массу 300 г, угол обзора составляет 16 градусов. По сравнению с первым поколением, дальность действия была увеличена до 200 м. Габариты ACC2 уменьшились до размеров 73×70×60 мм.

     В 2009 году была представлена новое (третье) поколение радара дальнего действия (Long Range Radar) LRR3 (см. рисунок 10).

Рисунок 10. Радар третьего поколения (LRR3) компании Bosch
Рисунок 10. Радар третьего поколения (LRR3) компании Bosch

     Высокочастотный тракт была интегрирована в кремниево-германиевую (SiGe) микросхему. Обработка сигналов осуществлялась на специальной микросхеме типа ASIC. Дальность действия радара составляла 250 м, сектор обзора 30 градусов, вес составлял 285 г, габаритные размеры 77×74×58 мм, максимальное число контролируемых объектов составляло 32 [13].

     В следующих поколениях радаров компания Bosch отказалась от диэлектрической линзы, и перешли на планарную технологию. В 2013 году был представлен радар ближнего действия для контроля обстановки по бокам автомобиля. Дальность действия радара составляла 160 м, угол обзора ± 45 градусов (см. рисунок 11 a) ).

 а)                                                                b) Рисунок 11. Автомобильные радары компании Bosch (https://www.bosch-mobility-solutions.com/en/solutions/sensors/front-radar-sensor/)
а)                                                                b) Рисунок 11. Автомобильные радары компании Bosch (https://www.bosch-mobility-solutions.com/en/solutions/sensors/front-radar-sensor/)

     Четвертая поколение радара дальнего действия (LRR4) имела размеры 101x78x62 мм, вес 240 г и могла контролировать одновременно до 24 объектов. Радар работал в нескольких зонах: дальняя зона с углом обзора ±6 градусов и дальностью действия до 200 м и ближняя зона с углом обзора ±20 градусов и дальностью действия до 5 м для контроля транспортных средств въезжающих или покидающих зону обзора [14].

     В пятом поколении радаров используется монолитная интегральная СВЧ микросхема (MMIC) с тремя передатчиками и четырьмя приемниками (рисунок 11 b) ). Цифровая обработка сигналов осуществляется на отдельном микроконтроллере. Это первый радар компании Bosch, в котором была заявлена возможность оценки высоты. Дальность действия радара составляет до 210 м, угол обзора по азимуту составляет ±60 градусов, по углу места ±15 градусов, размеры 63x72x19 мм.

     Самым массовым радаром компании Continental стал радар ARS404/ARS408, выпущенный в 2012 году (см. рисунок 12). Радар использует MIMO антенную решетку с 4 передатчиками и 12 приемниками. Подход с несколькими передатчиками и несколькими приемниками, работающими совместно, позволяет уменьшить ширину луча радара (увеличить решающую способность радара по угловым координатам) без увеличения линейных размеров устройства. Радар работает в 2 режимах: ближняя зона с шириной обзора ±60 градусов и дальностью действия около 20 м, и дальняя зона с шириной обзора ±4 градуса и дальностью действия 250 м. Для высокочастотный тракт радара и цифровой части радара используются отдельные микросхемы. Радар позволяет одновременно обнаруживать и сопровождать до 32 объектов. Радар ставился на автомобили концерна Volkswagen Group, BMW и другие.

Рисунок 12. Автомобильный радар ARS408
Рисунок 12. Автомобильный радар ARS408

Текущие тренды

     Перспективы развития автомобильных радаров огромны. Количество стартапов, разрабатывающих автомобильные радары, исчисляется десятками. В настоящее время развивается новый класс автомобильных радаров: 4D-imaging радары. Imaging радары оценивают обстановку в широком секторе углов по азимуту. При этом радары имеют высокое разрешение по дальности, скорости, азимуту и углу места. Одним из известнейших представителей данного класса устройств – радар компании Arbe (см. рисунок 13).

Рисунок 13. Imaging радар. Arbe
Рисунок 13. Imaging радар. Arbe

     Антенная решетка радара состоит из 48 передающих каналов и 48 приемных каналов. Разрешающая способность по дальности составляет до 7.5 см, по азимуту 1 градус, по углу места 1.5 градуса. Качество получаемого изображения приближается к изображению, получаемого лидаром (см. рисунок 14).

Рисунок 14. Imaging радар. Point cloud
Рисунок 14. Imaging радар. Point cloud

     В 2020 году компания Arbe привлекла 32 миллиона долларов инвестиций. Imaging радарами занимаются такие компании, как Bosch, Continental, Vayyar, Smartmicro, Mobileye, Uhnder, Zendar и другие. В 2021 году компания Huawei представила собственный imaging радар с 12 передатчиками и 24 приемниками. Зона обзора радара по азимуту составляет 120 градусов, зона обзора по углу места составляет 30 градусов, максимальная дальность действия 300 метров. Выходная информация радара – 4D облако точек высокой плотности [16].

     Для повышения точности привязки автомобиля к глобальным координатам (GNSS) в настоящее время разрабатываются автомобильные радары с синтезированной апертурой антенны (РСА). РСА-изображения основаны на использовании движения транспортного средства для формирования большой апертуры. Разрешение получаемого изображения может достигать единиц сантиметров. Рисунок 15 показывает пример получаемого изображения с автомобильного РСА радара. На радиолокационном изображении различимы стационарные объекты (припаркованные автомобили, забор). РСА радары могут использоваться для получения окружающей карты, независимо от GNSS, а так же для систем помощи при парковке.

Рисунок 15. Изображение с РСА радара
Рисунок 15. Изображение с РСА радара

     В настоящее время в качестве зондирующего сигнала для автомобильных радаров используется FMCW сигнал, формируемый в аналоговом виде. Компания Bosch прогнозирует, что к 2035 году автомобильные радары будут использовать сигналы с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), формируемый в цифровом виде (см.рисунок 16).

Рисунок 16. OFDM сигнал во частотной области
Рисунок 16. OFDM сигнал во частотной области

     Преимущество такого сигнала в том, что форма сигнала полностью известна, что позволяет упростить передачу информации от одного радара к другому (организовать радиосвязь между автомобилями), а так же организовать взаимодействие (синхронизацию) между несколькими радарами, установленными на одном автомобиле. Таким образом, радары будут работать не только в моностатическом режиме, но и в бистатическом режиме, что позволит увеличить дальность обнаружения, разрешающую способность по азимуту и углу места, точность оценки параметров объектов и т.д. Однако, в отличие от FMCW-сигнала, OFDM требует обработки всей излучаемой полосы сигнала, что в настоящее время экономически не целесообразно.

     Для повышения характеристик радара и стабильности его работы в радарах применяются алгоритмы трекинга целей, включающие в себя кластеризацию, ассоциацию, фильтрацию координат. Для распознавания объектов обычно используется SVM: Support vector machine или дерево решений. В последние несколько лет в дополнение или как альтернативу стандартным методам обработки сигналов предлагается применять машинное обучение. С учетом того, что разрешающая способность радаров улучшается, отражение от объекта представляет собой облако точек. В результате, машинное обучение может позволить улучшить понимание дорожной обстановки.

Заключение

Анализируя историю развития автомобильных радаров и текущие тренды становится очевидно, что они будут неотъемлемой частью будущих систем помощи водителю. Однако, системы помощи водителю, а уж тем более автономного вождения не могут строиться только на основе одного радара или камеры или лидара. Объединяя информацию с различных датчиков, можно полностью оценить окружающую обстановку и принять взвешенное решение о дальнейших действиях.

Статья отражает личное мнение автора.

P.S. Это моя первая статья на хабре. Буду рад комментариям и критике. Если Вам интересна данная тема, то в следующей статье расскажу про автомобильные радары в Россиию

Список литературы

1.    https://www.autonews.ru/news/5c9114d69a7947491f827c6e

2.    https://www.gazeta.ru/auto/2015/10/19_a_7830845.shtml

3.    https://www.bbc.com/russian/features-59827477

4.    Zhaofei Feng and others. Point Cloud Segmentation with a High-Resolution Automotive Radar. AmE 2019. Dortmund, Germany.  March 2019

5.    Рекомендация МСЭ-R M.1452-2. Автомобильные радары для предотвращения столкновений и системы радиосвязи диапазона миллиметровых волн для применений интеллектуальных транспортных систем

6.    Martin Schneider. Automotive Radar – Status and Trend. German Microwave Conference, GeMIC 2005

7.    H. Meinel and Juergen Dickmann. Automotive Radar: From Its Origin to Future Directions. Microwave Journal, September 2013

8.    Automated Driving: Safer and More Efficient Future Driving 1st ed. 2017 Edition

9.    Holger H. Meinel. Evolving automotive radar – From the very beginnings into the future. The 8th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2014). The Hague, Netherlands. 6-11 April 2014

10.Philipp Ritter. Toward a fully integrated automotive radar system-on-chip in 22 nm FD-SOI CMOS. International Journal of Microwave and Wireless Technologies, 2021

11.Juergen Hasch Driving towards 2020: Automotive radar technology trends. IEEE MTT-S International Conference on Microwaves for Intelligent Mobility (ICMIM 2015), 27-29 April 2015

12.H.P. Groll and J. Detlefsen. History of Automotive Anticollision Radars and Final Experimental of a MM-Wave Car Radar Developed by the Technical University of Munich. IEEE AES Systems Magazine, August 1997

13.Bosch Engineering Long-Range-Radar LRR3: Radar sensor for railway applications. Bosch.

14.Chassis Systems Control Fourth generation long-range radar sensor (LRR4). Bosch.

15.Christian Waldschmidt. Automotive Radar – From First Efforts to Future Systems. IEEE Journal of Microwaves. Vol.1, January 2021.

16.https://www.huaweinewos.com/huawei-4d-imaging-radar-excellent-features.html

17.Dario Tagliaferri and others. Navigation-aided Automotive SAR for High-resolution Imaging of Driving Environments.  IEEE Access ( Volume: 9), 2021

Читайте так же:

  • Cкрытый карниз в натяжном потолкеCкрытый карниз в натяжном потолке Интерьер комнат напрямую зависит от такой детали как оконные шторы. Однако часто собственники жилья сталкиваются с проблемой установки карнизов для штор. Чаще всего это бывает, если в доме низкий потолок или если хозяева приняли решение установить в комнате натяжные потолки.Именно этот […]
  • Память с калькулятором. Вычисления внутри DRAM становятся мейнстримомПамять с калькулятором. Вычисления внутри DRAM становятся мейнстримом Всеобщий переход к параллельной обработке данных и кардинальное увеличение размера нейросетей привели к тому, что некоторые типы вычислений сейчас требуют очень быстрого доступа к памяти. В то же время разрыв в скорости доступа между микросхемой CPU и оперативной памятью чрезвычайно […]
  • Нехватка компонентов приведет к сокращению поставок смартфонов в этом кварталеНехватка компонентов приведет к сокращению поставок смартфонов в этом квартале Аналитики Digitimes Research полагают, что некоторые производители смартфонов. Относящиеся к первому эшелону. А именно — Xiaomi. Oppo и Vivo. Сократят поставки этой продукции в текущем квартале. Сокращение вызвано нехваткой полупроводниковых компонентов. По подсчетам Digitimes Research. […]
  • Мэрия Москвы передаст полиции фотографии пользователей mos.ruМэрия Москвы передаст полиции фотографии пользователей mos.ru Московская мэрия планирует предоставить полиции доступ к фотографиям, загруженным пользователями портала mos.ru. По мнению экспертов, это необходимо для обучения системы распознавания лиц для поиска преступников и граждан, которые нарушают режим самоизоляции. Об этом пишет […]