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].

     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.

     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).  

     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.

     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]. 

     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).

     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).

     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).

     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).

     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) ).

     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.

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).

     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).

     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.

     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).

     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 России.