雷達(dá)安全，這一鮮為人知的問(wèn)題正在成為駕駛員輔助和高級(jí)自動(dòng)駕駛車輛的潛在致命弱點(diǎn)。雷達(dá)信號(hào)會(huì)相互干擾。

雷達(dá)已成為與CMOS成像攝像頭互補(bǔ)的必不可少的傳感方式。雷達(dá)能在所有天氣條件下工作，并可提供一系列自動(dòng)駕駛功能，包括AEB。但如果雷達(dá)像Ghostbusters的粒子加速器那樣橫穿彼此的粒子流，它們可能就會(huì)失敗或出現(xiàn)故障。

盡管這尚未成為OEM會(huì)公開警告或駕駛員普遍感知的現(xiàn)象，但在擁擠的環(huán)境中運(yùn)行的汽車?yán)走_(dá)將面臨嚴(yán)重的干擾。

雷達(dá)的應(yīng)用范圍可以覆蓋ACC、BSD到FCW和智能停車輔助系統(tǒng)。360度視野的車輛，它需要短程和遠(yuǎn)程雷達(dá)芯片。AEB通常會(huì)使用雷達(dá)（全天候），有時(shí)還使用激光雷達(dá)和攝像頭來(lái)檢測(cè)即將發(fā)生的碰撞事故。

AEB在全球市場(chǎng)上的迅速發(fā)展已成為雷達(dá)供應(yīng)商的一把雙刃劍。既值得高興，也令人擔(dān)憂。

例如，C-NCAP已要求2020年之后上市的卡車搭載AEB。從今年開始，日本的新車也必須搭載前后向的AEB。在美國(guó)，已有20家OEM同意自愿提出“到2022年，新汽的AEB搭載率達(dá)到100％”。面對(duì)E-NCAP 2019年的要求，在歐洲售出的車輛中，90％已經(jīng)配備了最新的防碰撞技術(shù)。

恩智浦預(yù)計(jì)，到2030年，汽車?yán)走_(dá)的普及率將躍升至55％。在最近的采訪中，恩智浦的ADAS和V2X的高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Huanyu Gu警告說(shuō)：“當(dāng)多個(gè)雷達(dá)以相同或重疊的頻率同時(shí)發(fā)射，以及共享一條共同的可見(jiàn)路徑時(shí)”，雷達(dá)干擾是不可避免的。

并非只有恩智浦對(duì)此感到擔(dān)憂。ST的ADAS和ASIC部門總經(jīng)理Martin Duncan也說(shuō)：“事實(shí)上，我們現(xiàn)在有25％的新車都裝有雷達(dá)系統(tǒng)，這已經(jīng)是一個(gè)問(wèn)題。如果你嘗試實(shí)時(shí)捕獲路況，很容易看到多輛車的發(fā)射。由于我們都使用相同的頻段，因此隨著搭載率的提高，這種情況可能會(huì)惡化。”


主動(dòng)安全和輔助駕駛系統(tǒng)的多雷達(dá)傳感器部署示例（Kissinger，2012）

雷達(dá)擁堵的原理很簡(jiǎn)單。NHTSA在2018年9月發(fā)布的“雷達(dá)擁堵研究（Radar Congestion Study）”中寫道：

雷達(dá)使用輻射信號(hào)的知識(shí)來(lái)識(shí)別回波，估計(jì)環(huán)境中物體的距離和速度。這些回波不是原始信號(hào)的完美復(fù)制，而是對(duì)信號(hào)產(chǎn)生建設(shè)性和破壞性干擾的多個(gè)回波之和。重要的是要理解，雷達(dá)探測(cè)物體的返回會(huì)發(fā)生波動(dòng)，尤其是當(dāng)場(chǎng)景中的相對(duì)距離、縱橫比和其他物體發(fā)生變化時(shí)。由于多個(gè)雷達(dá)在近距離和多個(gè)散射源的環(huán)境中運(yùn)行，每個(gè)雷達(dá)的性能隨著干擾水平的上升而下降。

這可能會(huì)導(dǎo)致安全性問(wèn)題。VSI Labs的Phil Magney指出，“最壞的情況是雷達(dá)干擾造成的致命事故，如今，無(wú)論根本原因是什么，都已經(jīng)在雷達(dá)堆棧中增加了針對(duì)誤報(bào)的過(guò)濾功能。”

雷達(dá)行業(yè)已受到警告

配備雷達(dá)的車輛越多，每個(gè)雷達(dá)必須學(xué)會(huì)更快地應(yīng)對(duì)其他雷達(dá)的出現(xiàn)。雷達(dá)供應(yīng)商面臨著壓力。



雷達(dá)干擾幾乎不是雷達(dá)搭載率增加的意外結(jié)果。汽車工業(yè)已被警告。十多年前，歐洲組建了一個(gè)名為MOSARIM（More Safety for All by Radar Interference Mitigation）的項(xiàng)目，并于2012年發(fā)布了一份報(bào)告。該項(xiàng)目調(diào)查了“車載雷達(dá)相互干擾以及有效對(duì)策和緩解技術(shù)的定義和闡述。”

最近，NHTSA進(jìn)行了“雷達(dá)擁堵研究”，在建模和模擬雷達(dá)干擾時(shí)要注意兩個(gè)問(wèn)題：

•  給定雷達(dá)從其他雷達(dá)的發(fā)射器接收多少功率？

•  這如何影響碰撞預(yù)警系統(tǒng)的性能？

該報(bào)告的結(jié)論是：

…… 在其他雷達(dá)很少的環(huán)境中運(yùn)行良好的系統(tǒng)在雷達(dá)擁擠的環(huán)境中可能會(huì)嚴(yán)重降低性能。研究結(jié)果表明，在擁擠的環(huán)境中，基于當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行的干擾水平將非常顯著。在許多車輛使用76-81GHz波段雷達(dá)的情況下，其他雷達(dá)的功率可能會(huì)比特定性能所需目標(biāo)的回波功率高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

雷達(dá)之間協(xié)作？

因此，該行業(yè)十年前就知道雷達(dá)擁堵問(wèn)題的迫切性了。他們采取了哪些行動(dòng)？

有了這么長(zhǎng)的準(zhǔn)備時(shí)間，你可能希望OEM和Tier 1開發(fā)出一種強(qiáng)大的策略來(lái)避免干擾。你可能會(huì)想到會(huì)有一種雷達(dá)，它可以動(dòng)態(tài)調(diào)整波形參數(shù)來(lái)避免干擾。

這不是什么深?yuàn)W的科學(xué)。雷達(dá)領(lǐng)域有能力借鑒電信行業(yè)已經(jīng)部署的相似的信道訪問(wèn)規(guī)則（例如TDMA、FDMA和CDMA）。恩智浦的Gu說(shuō)，這種“listen-before-talk”的方案應(yīng)能使雷達(dá)之間進(jìn)行更結(jié)構(gòu)化的通信。

不幸的是，這并不是業(yè)界所采用的緩解干擾的方法。除了汽車?yán)走_(dá)使用相同的波段（76-81GHz）外，雷達(dá)界沒(méi)有任何規(guī)定。Gu指出：“雷達(dá)波形參數(shù)未得到調(diào)節(jié)。”

行業(yè)協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)化和法規(guī)等從來(lái)都不是汽車行業(yè)的DNA。

Gu說(shuō)，目前普遍采用的一種方法是“通過(guò)在時(shí)間或頻率上隨機(jī)化發(fā)射信號(hào)來(lái)限制干擾”。Gu承認(rèn)這種隨機(jī)化背后的不合理性，Gu說(shuō)：“今天，盲目地這樣做當(dāng)然很好，尤其是在路上沒(méi)有那么多雷達(dá)的情況下。但如果要提高雷達(dá)對(duì)干擾的魯棒性，則必須尋求雷達(dá)之間的協(xié)作。”

但這需要監(jiān)管。

盡管如此，恩智浦在自己的雷達(dá)干擾白皮書中得出以下結(jié)論：

最終，為了支持較高的市場(chǎng)滲透率，需要制造商之間達(dá)成某種形式的協(xié)議，以便以公平的方式更有效地共享傳感資源。這最后一步意味著市場(chǎng)上的所有參與者都必須坐在一起，定義訪問(wèn)通道的標(biāo)準(zhǔn)化方法，同時(shí)保持具有差異化傳感性能的可能性。

全部免費(fèi)

獨(dú)立汽車行業(yè)資深分析師Egil Juliussen指出，雷達(dá)一直以來(lái)都是“所有人都免費(fèi)”的。他解釋說(shuō)，為了追求創(chuàng)新，雷達(dá)公司通常傾向于開發(fā)新的專有算法，這些算法可以在與傳感器芯片相關(guān)的DSP或MCU上運(yùn)行，以便其雷達(dá)可以提高成像分辨率并減輕干擾。

換句話說(shuō)，對(duì)于汽車行業(yè)而言，在雷達(dá)干擾問(wèn)題上投入更多的信號(hào)處理是比任何行業(yè)協(xié)議或法規(guī)都更可取的方法。



一種帶有DSP、發(fā)射器和接收器前端的雷達(dá)。干擾技術(shù)可以分為避免前端飽和的技術(shù)、數(shù)字化處理干擾的技術(shù)，以及在干擾實(shí)際發(fā)生之前避免干擾的技術(shù)（Source：NXP）

在采訪中，恩智浦的Gu提出了三種不同的減輕雷達(dá)干擾的方法：1）避免前端出現(xiàn)飽和；2）通過(guò)識(shí)別和消除數(shù)字域中的干擾來(lái)管理數(shù)字干擾；3）通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整波形參數(shù)來(lái)避免干擾。

第三種方法已經(jīng)被認(rèn)為是目前77GHz頻段中最不可能被采用的。Gu解釋說(shuō)：“人們認(rèn)為為時(shí)已晚，因?yàn)槲覀円呀?jīng)安裝了太多雷達(dá)，而這些傳感器無(wú)法協(xié)作。”他補(bǔ)充說(shuō)，該方案“未來(lái)可以應(yīng)用到140Ghz，如果這個(gè)頻段可以用于雷達(dá)。”

第一種方法（更有可能的方法）是設(shè)計(jì)避免前端飽和的技術(shù)。在這里，可以接收至少一部分有用信號(hào)，并采取適當(dāng)?shù)膶?duì)策。“你可以通過(guò)為雷達(dá)接收器提供兩種不同的增益設(shè)置來(lái)做到這一點(diǎn)”，Gu說(shuō)?；蛘撸撓到y(tǒng)可以包括“空間歸零”，其中前端使用多個(gè)天線在產(chǎn)生干擾的方向上使其自身蒙蔽。Gu解釋說(shuō)，這種方法試圖在干擾信號(hào)飽和之前消除干擾信號(hào)。

像恩智浦這樣的雷達(dá)芯片供應(yīng)商傾向于將重點(diǎn)放在處理數(shù)字域中的DSP中的干擾上。“當(dāng)然，它的先決條件是實(shí)際上所需信號(hào)不會(huì)被強(qiáng)信號(hào)掩蓋”，Gu說(shuō)。

在確定干擾信號(hào)相對(duì)較弱之后，可以將其與有用信號(hào)一起數(shù)字化，而不會(huì)導(dǎo)致前端飽和。

但根據(jù)恩智浦的說(shuō)法，首先是要識(shí)別信號(hào)是否被破壞，說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。這樣做的技術(shù)取決于被干擾的雷達(dá)和干擾的特定雷達(dá)波形。由于當(dāng)今的法規(guī)框架允許采用不同的方法來(lái)構(gòu)建雷達(dá)波形，因此每個(gè)雷達(dá)制造商都選擇了自己的方法，使過(guò)程變得多樣化和棘手。

汽車?yán)走_(dá)的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)是調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)。FMCW提供了相對(duì)簡(jiǎn)單而優(yōu)雅的非常好的性能。據(jù)恩智浦稱，它利用低帶寬ADC覆蓋了大帶寬，并提供了對(duì)目標(biāo)速度的可靠估計(jì)。但也有一些需要注意的地方。

不同的制造商使用FMCW波形的不同參數(shù)設(shè)置來(lái)區(qū)分其產(chǎn)品特性，并涵蓋不同的應(yīng)用要求。例如載波頻率、帶寬、線性調(diào)頻脈沖持續(xù)時(shí)間、采樣時(shí)間、感知周期的持續(xù)時(shí)間以及在感知期間改變參數(shù)的不同方式。

概述一下，雷達(dá)首先需要識(shí)別是否存在干擾源。干擾的檢測(cè)通過(guò)識(shí)別外來(lái)信號(hào)的獨(dú)特特征實(shí)現(xiàn)。一旦檢測(cè)到干擾，系統(tǒng)算法就必須盡可能從接收信號(hào)中完全消除干擾，同時(shí)不能破壞或消除有用信號(hào)。

這些都不會(huì)讓雷達(dá)領(lǐng)域的任何人感到驚訝。Gu說(shuō)：“市場(chǎng)上有教科書上的信號(hào)處理算法，并且已經(jīng)被業(yè)界使用。”

他指出，教科書上的算法也有局限性。“它們通常僅限于處理低相關(guān)干擾。而且它們也只能處理非常有限的干擾，一次只能一兩種。”

恩智浦的目標(biāo)是進(jìn)一步開發(fā)其差異化的高級(jí)數(shù)字信號(hào)算法來(lái)消除干擾。

ST正在研究自己的方法。Duncan說(shuō)：“如果你知道雷達(dá)的啁啾聲意味著什么，則可以輕松過(guò)濾/忽略虛假信號(hào)。也可以在啁啾之間引入特征。”

但是，Duncan補(bǔ)充說(shuō)：“如果對(duì)傳輸?shù)膬?nèi)容進(jìn)行更多的標(biāo)準(zhǔn)化/共享，將有助于消除不必要的信號(hào)的對(duì)策。”

感受到雷達(dá)干擾了嗎？

NHTSA提出了幾種模擬雷達(dá)擁堵中可能出現(xiàn)的干擾。

•  對(duì)于在兩車道高速公路上行駛的交通情況，假設(shè)雷達(dá)使用隨機(jī)選擇的載波頻率，NHTSA預(yù)測(cè)：“汽車?yán)走_(dá)會(huì)遇到來(lái)自其他雷達(dá)的功率，遠(yuǎn)大于跟蹤其他車輛所需的自身發(fā)射的回波。干擾比系統(tǒng)指定的參考目標(biāo)的典型回波大四個(gè)數(shù)量級(jí)，或接近40dB。”

•  在面向后方的雷達(dá)中（例如在BSD系統(tǒng)中），“這些單元很容易受到使用更高功率和天線增益的前避撞雷達(dá)的直接影響。”這項(xiàng)研究說(shuō)：“我們的分析表明，這些裝置可能會(huì)受到來(lái)自前避撞雷達(dá)的干擾功率，該干擾功率比來(lái)自其指定參考目標(biāo)的反射要大將近五個(gè)數(shù)量級(jí)（即50dB）。”

但是，到目前為止，還沒(méi)有在現(xiàn)實(shí)世界的道路上感受到雷達(dá)的影響。

VSI Labs的Magney說(shuō)：“雷達(dá)到雷達(dá)的干擾仍然是個(gè)未知的問(wèn)題，而且作為幾乎每天都在使用雷達(dá)的應(yīng)用研究人員，VSI不能說(shuō)我們?cè)诠驳缆飞线M(jìn)行測(cè)試時(shí)遇到過(guò)另一輛車的雷達(dá)對(duì)雷達(dá)的干擾。”他補(bǔ)充說(shuō)：“我們可以假設(shè)我們處于暴露狀態(tài)，因?yàn)楫?dāng)今道路上有如此多的車輛混合使用了短距到長(zhǎng)距離的雷達(dá)。”

在前不久特斯拉第一季度的財(cái)務(wù)電話會(huì)議上，Elon Musk重申了特斯拉要放棄使用雷達(dá)的計(jì)劃，從而解決雷達(dá)干擾的問(wèn)題。

但其他OEM、Tier 1和汽車技術(shù)供應(yīng)商是不會(huì)放棄雷達(dá)的。

VSI的Magney強(qiáng)調(diào)，雷達(dá)尤其重要，因?yàn)樗鼈冞m用于許多惡劣氣候條件。“雷達(dá)是最具成本效益的ADAS傳感器之一，在未來(lái)的幾年中，滲透率將急劇增長(zhǎng)。”



[參考文章]
Radar Safety Warning: ‘Don’t Cross the Streams’ — Junko Yoshida