雷达安全这一鲜为人知的问题正在成为驾驶员辅助和高度自动化车辆的潜在致命弱点:雷达信号相互干扰。

雷达已成为补充CMOS成像相机的一种重要传感方式。雷达可在所有天气条件下工作,并启用一系列自动驾驶功能,包括自动紧急刹车(AEB)。但是,如果雷达最终像捉鬼者的粒子加速器那样穿越彼此的溪流,那么它们可能会失效或出现故障。


“有件非常重要的事我忘了告诉你。
不要穿过小溪。这会很糟糕。”

虽然这还不是汽车制造商公开警告的现象,也不是驾驶员普遍认为的现象,但在拥挤环境中工作的汽车雷达将面临严重干扰。

雷达的应用范围从自适应巡航控制和盲点检测到前向碰撞报警系统和智能泊车辅助。为了让车辆获得360度视野,它需要短程和远程雷达芯片。AEB通常使用雷达(全天候),有时使用激光雷达和摄像头来检测即将发生的坠机事件。

AEB在全球市场上的快速扩张已经成为雷达传感器供应商的双刃剑。这既是一个值得庆祝的原因,也是一个令人担忧的原因。

例如,中国新车评估计划(NCAP)已经授权AEB对2020年出厂上市的所有卡车进行评估。从今年开始,日本的新车必须具备前后AEB功能。在美国,20家汽车制造商已同意自愿“2022年新车100%AEB匹配率”。面对欧洲NCAP 2019年的要求,欧洲售出的90%的汽车已经配备了最新的汽车碰撞避免技术。

恩智浦半导体预计,到2030年,汽车雷达渗透率将跃升至55%。在最近的采访中EE时间恩智浦半导体负责ADAS和V2X的高级产品营销经理顾焕宇警告说,雷达干扰是不可避免的,他说,“当多个雷达同时以相同或重叠的频率发射时,如果它们共享一条共同的可见路径。”

恩智浦的顾先生并非唯一担心的人。ST Microelectronics ADAS和ASIC部门总经理Martin Duncan也告诉EE时间,“事实上,我们现在有25%的新车配备了雷达系统,这已经是一个问题。如果您尝试实时捕捉路况,很容易看到多辆车的传输。由于我们都使用相同的频带,这可能会随着安装率的增加而恶化。”


用于主动安全和辅助驾驶系统的多个雷达传感器的部署示例(Kissinger,2012)

雷达拥塞的原理很简单。美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)在其“雷达拥塞研究“于2018年9月发布:

雷达使用辐射信号的知识来识别回波并估计环境中物体的距离和速度。这些回波不是原始信号的完美副本,而是对信号进行建设性和破坏性干扰的多个回波的总和。重要的是要了解雷达照射的物体的回波是波动的,尤其是当场景中的相对距离、方位和其他物体发生变化时。由于多个雷达在近距离和多个散射源的环境中工作,每个雷达的性能都会随着干扰水平的升高而降低。

这可能会危及安全。VSI实验室创始人兼总裁菲尔·马格尼指出:“最坏的情况是雷达干扰导致的死亡。如今,无论根本原因如何,雷达堆栈中对误报的过滤已经得到了加强。”。

该行业已受到警告

配备雷达的汽车越多地上路,每个雷达就必须学会更快地应对其他雷达的存在。雷达供应商面临压力。


简单的常见交通场景,其中干扰由受害者雷达(绿色)计算,并由其他车辆(红色)产生3。(来源:恩智浦)

雷达干扰几乎不是雷达扩散的意外后果。汽车行业受到了警告。十多年前,欧洲组织了一个名为莫萨林2012年发布了一份报告。该项目调查了“车辆间雷达干扰以及有效对抗和缓解技术的定义和阐述”

最近,国家公路交通安全管理局进行了一项“雷达拥堵研究”,对雷达干扰进行建模和模拟,并考虑了两个问题:

报告得出结论:

……在几乎没有其他雷达的环境中运行良好的系统在雷达拥挤的环境中可能会严重降低性能。研究结果表明,基于当前系统在拥挤环境中运行的干扰水平将是显著的。在许多车辆使用76-81 GHz频带雷达的情况下,其他雷达的功率可能会超过特定性能所需的目标回波功率几个数量级。

雷达之间的协作?

因此,该行业十年来一直知道雷达交通堵塞的紧迫性。它采取了什么行动?

在所有这些前置时间内,您可能会期望汽车OEM和Tier 1制定一个稳健的策略来避免干扰。你可以设想一种雷达传感器,通过动态调整波形参数来避免干扰。

这不是火箭科学。雷达界拥有专门知识,可以借用电信行业已经部署的类似类型的信道接入规则(如TDMA、FDMA和CDMA)。恩智浦的顾先生表示,这种“先听后谈”的方案应该能够在雷达之间实现更结构化的通信。

不幸的是,这并不是行业采用的干扰缓解措施。除了汽车雷达使用相同的分配频谱(76GHz~81GHz)这一事实之外,雷达界没有任何规定。“雷达波形参数不受监管,”顾指出。

行业协议、标准化和监管从未成为汽车行业DNA的一部分。

顾先生表示,目前采用的一种常见方法是“通过在时间或频率上随机化发送的信号来限制干扰”。顾先生承认这种随机化背后的不合逻辑,“今天,你盲目地这样做。这当然很好,特别是如果路上没有那么多汽车安装雷达。但如果你想提高雷达传感器对干扰的鲁棒性,你必须寻求雷达传感器之间的协作。”

但这需要监管。

尽管如此,恩智浦在其关于雷达干扰的白皮书中总结道:

最终,为了支持高市场渗透率,制造商之间需要达成某种形式的协议,以公平的方式更有效地共享传感资源。这最后一步意味着市场中的所有参与者必须坐在一起,以定义一种标准化的方式来访问信道,同时保持具有差异化传感性能的可能性。

所有人免费

独立资深汽车行业分析师Egil Juliussen观察到,雷达一直是“免费的”。他解释说,为了追求创新,雷达传感器公司通常倾向于开发新的专有算法,这些算法运行在与传感器芯片相关的DSP或MCU上,以便他们的雷达能够提高成像分辨率并减轻干扰。

换句话说,对于汽车行业的许多人来说,与任何行业协议或法规相比,对雷达干扰问题进行更多的信号处理是一种更可取的方法。


带有数字部分(DSP)、发射器和接收器前端的雷达传感器。干扰技术可以分为那些旨在避免前端饱和的技术、那些以数字方式管理干扰的技术和那些试图在干扰实际发生之前避免干扰的技术。(来源:恩智浦)

在我们的采访中,恩智浦的Gu提出了三种不同的雷达干扰缓解方法:1)避免前端饱和;2) 通过识别和消除数字域中的干扰来管理数字干扰;3) 通过动态调整波形参数来避免干扰。

第三种方法已经被认为在当前77GHz频谱中最不可能采用。顾解释说,“人们认为现在太晚了,因为我们已经有太多雷达传感器在路上,这些传感器不会合作。”他补充说,如果该频段可用于雷达,该方案可以“应用于未来的140Ghz频率。”

第一种更可能的方法是设计避免前端饱和的技术。这里,至少可以接收所需信号的一部分,并采取适当的对策。“你可以通过为雷达接收机提供两种不同的增益设置来实现这一点,”顾先生说。或者,该系统可以包括“空间调零”,即前端使用多个天线在产生干扰的方向上对自身进行调盲。顾解释说,这种方法试图在干扰信号使前端饱和之前消除干扰信号。

像恩智浦这样的雷达芯片供应商往往专注于处理数字领域的干扰——DSP。“当然,它的先决条件是,实际上想要的信号并没有被强烈的信号所掩盖,”顾说。

在确定干扰信号相对较弱之后,可以将其与所需信号一起数字化,而不会导致前端饱和。

但根据NXP的说法,游戏的名称是首先识别信号是否被破坏,这说起来容易做起来难。这样做的技术取决于受害雷达和干扰的特定雷达波形。因为今天的监管框架允许不同的方式构建雷达波形,所以每个雷达传感器制造商都会选择自己的方式,这使得流程不仅多样化,而且复杂。

汽车雷达的实际标准是调频连续波(FMCW)雷达。FMCW提供了相对简单和优雅的非常好的性能。根据NXP的说法,它用低带宽ADC覆盖了大带宽,并提供了对目标速度的稳健估计。但它也有一些警告。

不同的制造商使用FMCW波形的不同参数设置来区分其产品主张,并涵盖不同的应用要求,例如载波频率、带宽、啁啾持续时间、采样时间、感测周期的持续时间以及在感测周期内改变参数的不同方式。

概括一下:雷达传感器首先需要识别是否存在干扰。干扰检测通过识别外来信号的独特特性来工作。一旦检测到干扰,系统算法必须尽可能完全地将其从接收信号中移除,同时不损坏或移除所需信号。

这些都不会让雷达界的任何人感到惊讶。谷说:“市场上有教科书式的信号处理算法,它们已经被业界使用。”。

然而,他指出,教科书上的算法有局限性。“它们通常仅限于处理低相关干扰。而且它们也只能处理非常有限的干扰——一次只能处理一个或两个干扰。”

恩智浦的目标是进一步开发用于消除干扰的先进数字信号算法。

ST正在研究自己的方法。邓肯说:“如果你知道雷达啁啾的含义,你可以很容易地过滤/忽略虚假信号。也可以在啁啾之间引入特征。”

然而,邓肯补充道,“如果对传输的内容进行更多的标准化/共享,这将有助于消除不需要的信号。”

感觉到雷达干扰吗?

美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)提出了两个模拟雷达拥堵预期干扰的方案。

然而,到目前为止,雷达的影响还没有在现实世界的道路上感受到。

VSI实验室的Magney表示:“雷达对雷达的干扰仍然是未知的,作为几乎每天都在使用雷达的应用研究人员,VSI不能说我们曾在公共道路上测试时遇到过来自其他车辆的雷达对雷达干扰。”。他补充道:“我们可以假设,我们受到了影响,因为今天道路上有很多车辆都配备了短距离和长距离雷达。”。

在周一的特斯拉第1季度财务电话会议上,首席执行官埃隆·马斯克(Elon Musk)重申了消除特斯拉车辆雷达的计划,这使得雷达干扰问题变得毫无意义——至少对特斯拉车辆而言如此。

然而,其他汽车原始设备制造商、Tier 1和汽车技术供应商不会很快放弃雷达。

VSI的Magney强调,雷达尤其重要,因为它们是防风雨的。“雷达是最具成本效益的ADAS传感器之一,其渗透率将在未来几年大幅增长。”

>>这篇文章最初发表在我们的姐妹网站上,EE时间.