淺談成像雷達的重要性

作者 : Huanyu Gu,NXP產品行銷和業務開發

為什麼會提出雷達系統這個話題?每年,全球約有130萬人死於交通事故,而在交通事故中受重傷人的更是多達幾百萬。雷達技術在先進駕駛輔助系統(ADAS)的應用至關重要,能夠有效避免交通事故的發生並挽救生命。

 

為什麼會提出雷達系統這個話題?每年,全球約有130萬人死於交通事故,而在交通事故中受重傷人的更是多達幾百萬。雷達技術在先進駕駛輔助系統(ADAS)的應用至關重要,能夠有效避免交通事故的發生並挽救生命。

全球各地推出了多項新規,並制定了地區性新車評估計畫(NCAP)評級標準,推動了雷達的加速普及。例如,許多地區已頒佈了相關法規或五星安全評級標準,強制要求車輛部署自動緊急煞車、盲點檢測以及易受傷害道路使用者的檢測等功能。

圖1:ADAS和自動駕駛等級。

汽車工程師協會(SAE)定義了自動駕駛的6個等級,其中L0是無自動化,而ADAS正在逐步演變為駕駛輔助、部份自動化、有條件自動駕駛,最終發展為全自動駕駛的L5級汽車。這些正在推動著ADAS的普及並逐步提高自動化程度。

L2到L3的飛躍進展

L3自動駕駛車的事故責任主要由汽車廠商而非駕駛員承擔。汽車廠商在努力解決滿足L3級的設計複雜問題,而同時,人們的注意力已經轉向過渡性等級,並推進了它的發展進程。在感測器技術方面,從L2到L3存在顯著差異。L2+的功能與L3類似,供駕駛人作為備份選擇,減少了額外的冗餘需求。

圖2:從L2+級向自動駕駛轉變的市場預測(2021-2030)。

知名市場研究與策略諮詢公司Yole Développement的最新報告表明,隨著L0-L2汽車銷量開始下降,L2+汽車的銷量可能會穩步成長,到2030年市場份額將達到近50%。L2+還允許OEM逐步推出先進的安全和舒適功能,為感測器技術的成熟留出更多時間。在此期間,駕駛人繼續擔任輔助角色,同時OEM可以最佳化功能和成本之間的平衡,並逐步推出L3「輕量級」汽車。

感測器技術——沒有單一解決方案

實現ADAS和自動駕駛的主要感測器技術有三種:雷達、攝影機和光達(LiDAR,即光探測和測距)。每種技術都有其獨特的優勢和劣勢,總而言之,目前還沒有主流的感測器技術解決方案。

雷達和攝影機在很大程度上相輔相成,由於兩者發展較成熟且性價比較高,現已廣泛部署在L1和L2汽車上。例如,雷達在測速和測距方面表現非常出色,但卻無法捕捉色彩資訊。傳統雷達的角解析度比攝影機和光達低很多。相形之下,攝影機適用於圖案和色彩檢測,但受環境影響較大。例如,攝影機在強光、夜晚、霧霾和雨雪等惡劣環境下效果較差。另一方面,雷達幾乎不受惡劣天氣情況的影響,能夠在強光、黑暗的條件下可靠地工作。

光達的主要優勢在於其超精密的水平和垂直角解析度,以及其精細的距離解析度。因此,它適用於高解析度3D環境測繪,能夠精準地探測自由空間、邊界和定位。然而,它與攝影機都容易受到惡劣天氣或路況的影響。對於L2+和L3級的主流乘用車來說,高昂的成本才是攔路虎。在這方面,4D成像雷達與傳統雷達相比解析度更高,一經問世便驚豔了整個世界。在成本允許的前提下,4D成像雷達、光達和攝影機形成互為冗餘備份和補充的系統。

成像雷達的發展

早期,雷達技術主要用於探測其他車輛。從本質上說,這些都是測量速度和距離的2D感測器。然而,當今先進的雷達技術基本上都是4D感測器。除了測量速度和距離,4D感測器還能夠測量水準和垂直角度。這一功能使車輛能夠看到汽車,更重要的是,還可以看到行人、自行車和較小的物體。

圖3:成像雷達可以區分汽車、行人和其他物體。

對於低階車型(L2+),重點是在車輛周圍設置360度的屏障(即「角雷達」)。顧名思義,至少有四個,但通常有六、七個高解析度雷達感測器節點,因為側面可能安裝額外的「填隙」雷達。在光線昏暗的條件下,城市自動駕駛儀可以看到一個孩子正站在兩輛停放不動的汽車之間。對於高階車型(L4及以上),車輛可以看到更小的物體並採用更高的解析度,成像雷達可以對車輛周圍進行全面的環境感知,能夠在前後較遠範圍內檢測危險物並採取措施規避危險。檢測距離未來能達到300公尺甚至更遠。高速公路自動駕駛儀能夠檢測到卡車後方高速駛來的摩托車,並對此做出反應。

成像雷達的未來

推動成像雷達技術發展的關鍵技術要素是從24GHz過渡到77GHz,如砷化鎵(GaAs)或鍺矽(SiG)技術向標準的純RF CMOS製程遷移。其他發展包括從低通道數到高通道數的先進MIMO配置,從基礎處理到使用專用加速器和DSP核心的高性能處理,以及先進的雷達訊號處理技術。

恩智浦半導體(NXP Semiconductors)運用這些技術研發了S32R45雷達處理器,該處理器與TEF82xx RF-CMOS雷達收發器配合使用,搭載一定數量的天線,能夠提供點雲成像。這為OEM發展4D成像雷達功能提供了高性價比的解決方案,最佳化L2+的汽車產業結構。除此之外,還有一些必不可少的週邊裝置,如安全電源管理和車載網路元件。所有這些共同構成了雷達節點,恩智浦的定位是覆蓋整個系統。

本文原刊登於EDN China網站

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