從ADAS到駕駛員更換—實(shí)際雷達(dá)性能是否足夠好

雷達(dá)已有一百多年的歷史，1904年由克里斯蒂安·赫爾斯邁爾（Christian Huelsmeyer）首次用于探測(cè)船只。眾所周知的應(yīng)用是軍用雷達(dá)、民用空中交通管制，當(dāng)然還有個(gè)人擁有的車(chē)輛的速度陷阱。但今天有一種誤解，認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟，在這個(gè)領(lǐng)域幾乎沒(méi)有發(fā)展。新的改變游戲規(guī)則的創(chuàng)新正在成像雷達(dá)和協(xié)作雷達(dá)中發(fā)生。ADI公司（ADI）如何實(shí)現(xiàn)雷達(dá)并將獨(dú)特的軟件和算法引入汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用，這是特別之處。

超過(guò)四分之一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，ADI一直活躍于汽車(chē)領(lǐng)域，為被動(dòng)和主動(dòng)安全應(yīng)用提供服務(wù)。在過(guò)去的15年里，ADI一直通過(guò)其DSP和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及最近的24 GHz和77 GHz/79 GHz雷達(dá)芯片組進(jìn)入汽車(chē)?yán)走_(dá)供應(yīng)鏈。

“先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)已經(jīng)到來(lái)，車(chē)輛自主性即將到來(lái)，道路安全至關(guān)重要。因此，推動(dòng)我工作的動(dòng)力以及驅(qū)動(dòng)我們工程師的動(dòng)力是使用最先進(jìn)的功能和技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的性能和更高水平的自主性，以挽救生命，“ADI自主運(yùn)輸和安全副總裁Chris Jacobs說(shuō)?！皳?jù)我們估計(jì)，基于我們產(chǎn)品的汽車(chē)傳感器每天可挽救八條生命。

在硬件和軟件創(chuàng)新方面需要做很多工作，以確保駕駛員、乘客和行人得到保護(hù)。必須開(kāi)發(fā)更高效、更優(yōu)化的雷達(dá)技術(shù)，提供與航空航天和國(guó)防工業(yè)相同的高性能、功能性和可靠性，并將其轉(zhuǎn)移到適合個(gè)人擁有的車(chē)輛市場(chǎng)的外形尺寸和成本。

ADI公司自動(dòng)駕駛運(yùn)輸和汽車(chē)安全業(yè)務(wù)部技術(shù)總監(jiān)Mike Keaveney表示：“雖然25萬(wàn)美元的高分辨率成像雷達(dá)系統(tǒng)的成本與一輛價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的軍用坦克的總體價(jià)格相比微不足道，但它與平均3萬(wàn)美元的家用汽車(chē)嚴(yán)重失調(diào)。我們正在探索定制它 - 小型化，加固它，并降低成本，尺寸，重量和功率要求，以便在地球上的每輛汽車(chē)中找到它。

雷達(dá)的挑戰(zhàn)

轉(zhuǎn)讓和采用軍事和航空航天的高成本、高性能雷達(dá)技術(shù)并將其安裝在汽車(chē)中存在重大的技術(shù)、美學(xué)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。關(guān)鍵挑戰(zhàn)不僅在于減小尺寸、重量和功耗 （SWaP），還在于提高性能，同時(shí)降低成本。雷達(dá)不僅必須從物體檢測(cè)畢業(yè)，而且必須從物體分類(lèi)畢業(yè)。這需要雷達(dá)圖像的分辨率比當(dāng)今一流的系統(tǒng)高得多。

這些是ADI為推進(jìn)技術(shù)、確保安全以及為消費(fèi)者帶來(lái)高效且具有成本效益的汽車(chē)?yán)走_(dá)而設(shè)定的目標(biāo)。

性能

將角分辨率提高到高度自動(dòng)駕駛所需的水平，而不會(huì)增加尺寸、成本和功耗預(yù)算。

增加低反射率目標(biāo)的反射點(diǎn)數(shù)量。

顯著減少檢測(cè)延遲，特別是對(duì)于橫向移動(dòng)的物體，從而縮短響應(yīng)時(shí)間并允許車(chē)輛在緊急情況下采取規(guī)避行動(dòng)。

交換

優(yōu)化外形尺寸（尺寸、重量和功耗），同時(shí)保持高水平的性能。

在不影響車(chē)輛工業(yè)設(shè)計(jì)的情況下保持系統(tǒng)的美觀性。

成本/經(jīng)濟(jì)

以大眾市場(chǎng)汽車(chē)成本限制可接受的價(jià)格和外形尺寸實(shí)施高分辨率雷達(dá)。

在購(gòu)車(chē)者的價(jià)格敏感范圍內(nèi)工作——他們是為這一切買(mǎi)單的人。

監(jiān)管

還必須繼續(xù)遵守政府監(jiān)管的高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) （ADAS） 安全功能（例如 2022 年美國(guó)自動(dòng)緊急制動(dòng)要求）。雷達(dá)將不再是一種選擇;這將是標(biāo)準(zhǔn)的。因此，將系統(tǒng)成本不斷降低到消費(fèi)者可以接受的價(jià)格點(diǎn)，OEM可以接受，同時(shí)仍然保持這些具有挑戰(zhàn)性的ADAS應(yīng)用所需的性能，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

今天的汽車(chē)?yán)走_(dá)設(shè)備比手機(jī)還小，可以檢測(cè)你面前、身后或側(cè)面盲點(diǎn)是否有大物體。但這還不夠。

成像雷達(dá)

成像雷達(dá)的概念和實(shí)現(xiàn)更高水平的角分辨率是一種理想的能力，特別是對(duì)于機(jī)器人出租車(chē)。高分辨率不僅可以進(jìn)行對(duì)象檢測(cè)（前方有東西），還可以進(jìn)行對(duì)象分類(lèi)（前方有自行車(chē)、汽車(chē)、人或孩子）。

為了實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，成像雷達(dá)利用高帶寬信號(hào)處理以及數(shù)字波束成形和相控陣技術(shù)。所有這些都在很大程度上取決于硬件和處理能力，其中天線尺寸與所需的角分辨率成比例，并且通道數(shù)增加以覆蓋所需的天線區(qū)域?！爸皇菍⒏嘿F的硬件投入到這個(gè)問(wèn)題上是一種‘蠻力’方式，可以帶來(lái)更高的分辨率作為解決方案，”克里斯雅各布斯說(shuō)。

如今，ADI正與領(lǐng)先的原始設(shè)備制造商和一級(jí)供應(yīng)商密切合作，開(kāi)發(fā)新的突破性方法，以改進(jìn)雷達(dá)并應(yīng)對(duì)其現(xiàn)代挑戰(zhàn)。在當(dāng)今汽車(chē)中實(shí)施的雷達(dá)具有非常粗糙的分辨率。它看到的只是一個(gè)斑點(diǎn)。它可以檢測(cè)汽車(chē)周?chē)奈矬w——可能是摩托車(chē)、人或大型卡車(chē)——但它無(wú)法識(shí)別物體。通過(guò)提高分辨率，通過(guò)硬件傳感技術(shù)和軟件算法的進(jìn)步，雷達(dá)可以識(shí)別其所看到的各種屬性，使我們離完全自主、安全的車(chē)輛更近一步。

解決方案問(wèn)題和對(duì)象分離挑戰(zhàn)

目前傳統(tǒng)的汽車(chē)?yán)走_(dá)在寬視野內(nèi)提供約10°至20°的水平角度分辨率。

成像雷達(dá)具有 1° 至 2° 的角度分辨率，比非成像分辨率高 10×。分辨率為 1° 至 2° 的信息箱可分離和定位三個(gè)行人。

數(shù)據(jù)處理

您為更高的分辨率付出的代價(jià)是更多的數(shù)據(jù);隨著分辨率的提高，數(shù)據(jù)量也會(huì)相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致對(duì)更多計(jì)算能力的需求。這就是為什么高效處理所有數(shù)據(jù)的高級(jí)架構(gòu)對(duì)于管理大量數(shù)據(jù)以及低功耗至關(guān)重要的原因。高效的中央處理或邊緣處理將是雷達(dá)未來(lái)的基礎(chǔ)。

下一步：協(xié)作雷達(dá)和通信需求

“協(xié)作雷達(dá)，利用汽車(chē)中現(xiàn)有的雷達(dá)傳感器硬件，是汽車(chē)領(lǐng)域的未來(lái)方式，”Mike Keaveney說(shuō)。“協(xié)作雷達(dá)是關(guān)于相干性的，并認(rèn)識(shí)到事物（在這種情況下是傳感雷達(dá)）需要協(xié)同創(chuàng)建高分辨率相干圖像。一旦你可以讓合作雷達(dá)經(jīng)濟(jì)地工作，它就有很多優(yōu)勢(shì)。

協(xié)同雷達(dá)可以提供成像雷達(dá)性能，而不會(huì)顯著增加汽車(chē)中單個(gè)現(xiàn)有雷達(dá)系統(tǒng)的尺寸。這是因?yàn)橛行Э讖浆F(xiàn)在由兩個(gè)（或多個(gè)）具有重疊視場(chǎng)的分布式雷達(dá)傳感器之間的距離設(shè)置，而不是由任何一個(gè)傳感器的物理尺寸預(yù)先確定。

主雷達(dá)是當(dāng)今汽車(chē)中常用的雷達(dá)。來(lái)自每個(gè)源的雷達(dá)傳輸從物體上反彈并傳播回原點(diǎn)。主雷達(dá)的孔徑或性能以英寸為單位，即雷達(dá)發(fā)射器本身的寬度。

合作/超級(jí)雷達(dá)的大孔徑

SuperRADAR是ADI公司通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)具有重疊視場(chǎng)的多個(gè)雷達(dá)波束相干的方法。

基于SuperRADAR的協(xié)作雷達(dá)使用低速鏈路在雷達(dá)源之間進(jìn)行粗略計(jì)時(shí)。每個(gè)傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央處理器，或者可以將數(shù)據(jù)從一個(gè)雷達(dá)發(fā)送到另一個(gè)雷達(dá)并在邊緣傳感器上進(jìn)行處理，這是一種更經(jīng)濟(jì)的方法。

“鑒于需要在雷達(dá)之間運(yùn)行高頻鏈路，傳統(tǒng)的協(xié)作雷達(dá)系統(tǒng)不容易實(shí)現(xiàn)，”Chris Jacobs說(shuō)?！芭c實(shí)現(xiàn)這種類(lèi)型的一致性和巨大的成本相關(guān)的硬件相關(guān)開(kāi)銷(xiāo)非常大?！?/p>

提高汽車(chē)?yán)走_(dá)的協(xié)同雷達(dá)性價(jià)比勢(shì)在必行?！皟H僅在汽車(chē)上單獨(dú)添加硬件的舊方法不是解決方案。我們必須為這個(gè)問(wèn)題帶來(lái)新的想法，“雅各布斯說(shuō)?！坝幸恍?a href="http://www.wenjunhu.com/v/" target="_blank">智能方法，我們可以通過(guò)算法將這些技術(shù)結(jié)合起來(lái)，以提高系統(tǒng)中相同硬件的組合系統(tǒng)性能。ADI公司的SuperRADAR方法允許雷達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)生多個(gè)非相干圖像的相干疊加。

協(xié)同雷達(dá)

協(xié)同雷達(dá)如何工作？來(lái)自每個(gè)源的傳輸從物體上反彈，并被兩個(gè)雷達(dá)接收器捕獲。結(jié)果，您在同一個(gè)目標(biāo)上獲得 2× 的外觀（或兩個(gè)不同的視圖），在目標(biāo)上獲得 2× 的時(shí)間，而不是使用主雷達(dá)的一個(gè)外觀和 1× 的時(shí)間。此外，由于兩個(gè)雷達(dá)協(xié)同工作，雷達(dá)孔徑（與性能成正比）是汽車(chē)前部的大小 - 兩個(gè)角雷達(dá)之間的距離（約4英尺），而不是主雷達(dá)的英寸。

這種方法可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的傳感器設(shè)計(jì)，可以放置在車(chē)輛周?chē)亩鄠€(gè)點(diǎn)，以支持卓越的物體檢測(cè)和分類(lèi)。

超級(jí)雷達(dá)的好處：1 + 1 》 2

SuperRADAR不僅降低了SWaP，而且為系統(tǒng)帶來(lái)了更多的功能，實(shí)現(xiàn)了更高的分辨率，同時(shí)使用更少的硬件，從而在更合理的成本范圍內(nèi)提高了應(yīng)用性能。

更多反射點(diǎn)：2×目標(biāo)上的時(shí)間

SuperRADAR在相同數(shù)量的硬件下提供兩倍的性能。或者，該方法可以使用一半的雷達(dá)通道數(shù)保持相同的性能。克里斯·雅各布斯（Chris Jacobs）說(shuō)：“有了SuperRADAR，我們獲得的分辨率是單個(gè)雷達(dá)本身所能達(dá)到的兩倍。我們需要額外的處理能力，但汽車(chē)級(jí)DSP/MCU的路線圖可以充分滿足這些處理要求。

SuperRADAR實(shí)際上是雷達(dá)融合——我們正在融合兩個(gè)獨(dú)立的雷達(dá)視圖，因此，獲得比獨(dú)立完成的分辨率更好的分辨率。雅各布斯說(shuō)：“融合將成為未來(lái)實(shí)施ADAS的標(biāo)準(zhǔn)方式。

減少延遲：快速計(jì)算橫向速度，挽救生命

車(chē)輛成像系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵焦點(diǎn)是能夠快速計(jì)算橫向速度，即物體與車(chē)輛行駛方向正交（直角）行進(jìn)的速度。然而，即使是最好的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，主要基于相機(jī)，也需要~300毫秒才能以足夠低的誤報(bào)率進(jìn)行橫向移動(dòng)檢測(cè)。對(duì)于以 60 英里/小時(shí)的速度行駛在車(chē)輛前面行走的行人來(lái)說(shuō)，毫秒可以在沒(méi)有受傷和危及生命的傷害之間產(chǎn)生差異，因此響應(yīng)時(shí)間至關(guān)重要。

300 毫秒的延遲是由于從 10 個(gè)連續(xù)的視頻幀執(zhí)行增量矢量計(jì)算所需的時(shí)間，這是以可接受的低誤報(bào)率進(jìn)行可靠檢測(cè)所需的時(shí)間。然而，由于SuperRADAR的寬有效孔徑以及它相干地組合來(lái)自兩個(gè)或多個(gè)傳感器的圖像的方式，它能夠在單個(gè)30毫秒的測(cè)量周期內(nèi)準(zhǔn)確計(jì)算速度的切向分量和徑向分量（這種延遲比當(dāng)今一流的系統(tǒng)快10×）。這種低檢測(cè)延遲低于一級(jí)方程式車(chē)手做出反應(yīng)所需的 100 毫秒，遠(yuǎn)低于典型人類(lèi)車(chē)手的反應(yīng)時(shí)間！

圖5.當(dāng)今的圖像系統(tǒng)具有 300 毫秒的延遲和 10 幀來(lái)檢測(cè)正交運(yùn)動(dòng)。

使用當(dāng)今常見(jiàn)的成像雷達(dá)技術(shù)，如果有人過(guò)馬路，則需要多個(gè)攝像頭圖像來(lái)顯示正在移動(dòng)的東西。每個(gè)相機(jī)圖像需要 30 毫秒。十張圖像需要 300 毫秒。在此期間，汽車(chē)會(huì)移動(dòng)幾英尺。

圖6.SuperRADAR系統(tǒng)的幀延遲為30毫秒，用于檢測(cè)正交運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)兩個(gè)雷達(dá)協(xié)同工作，可以進(jìn)行三角測(cè)量，捕獲運(yùn)動(dòng)中的物體，因?yàn)閮蓚€(gè)雷達(dá)源被偏移。所需要的只是首先從位置 1 使用雷達(dá)波束 1 映射人員，然后在 30 毫秒后，從位置 2 使用雷達(dá)波束 2 映射人。這讓汽車(chē)知道人在哪里移動(dòng)。

SuperRADAR能夠在傳統(tǒng)成像雷達(dá)的十分之一時(shí)間內(nèi)識(shí)別穿過(guò)行進(jìn)路徑的移動(dòng)物體。

超級(jí)雷達(dá)的經(jīng)濟(jì)性

SuperRADAR概念不僅是降低整體系統(tǒng)成本的有效方法，而且可以滿足性能要求并為最終應(yīng)用帶來(lái)更多價(jià)值。

克里斯·雅各布斯（Chris Jacobs）說(shuō)：“你想要的是成像雷達(dá)性能，現(xiàn)在只能在昂貴的機(jī)器人出租車(chē)應(yīng)用中找到，并消除所有昂貴的硬件，并將價(jià)格降低到個(gè)人車(chē)主可以負(fù)擔(dān)得起的水平。這就是SuperRADAR發(fā)揮作用的地方，其硬件占用空間最小，軟件位于其之上，并產(chǎn)生兩倍的性能。

汽車(chē)的未來(lái)

當(dāng)我們展望汽車(chē)的未來(lái)時(shí)，它將需要對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行根本性的重新架構(gòu)。明天的車(chē)輛平臺(tái)會(huì)是什么樣子，與今天大不相同。

憑借在垂直領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)，ADI處于獨(dú)特的地位，通過(guò)硬件和軟件產(chǎn)品的結(jié)合，優(yōu)化未來(lái)汽車(chē)的雷達(dá)處理需求，為終端應(yīng)用帶來(lái)更多價(jià)值。這種算法方法直接解決了汽車(chē)制造商當(dāng)前和未來(lái)面臨的總擁有成本（TOCO）挑戰(zhàn)。

SuperRADAR提供了許多剛剛開(kāi)始探索的可能性。該技術(shù)不僅是推進(jìn)ADAS的更高性能、更具成本效益的解決方案，而且最終將挽救生命。

審核編輯：郭婷