雷達(dá)安全這一鮮為人知的問題正在成為輔助駕駛和高度自動(dòng)化車輛的潛在致命弱點(diǎn)：雷達(dá)信號(hào)相互干擾。

雷達(dá)已成為補(bǔ)充 CMOS 成像相機(jī)的重要傳感方式。雷達(dá)可在所有天氣條件下工作，并支持一系列自動(dòng)駕駛功能，包括自動(dòng)緊急制動(dòng) （AEB）。但是，如果雷達(dá)最終像捉鬼敢死隊(duì)的粒子加速器一樣穿過彼此的氣流，它們可能會(huì)被挫敗或出現(xiàn)故障。

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“有件很重要的事我忘了告訴你。

不要越過溪流。會(huì)很糟糕?！?/p>

雖然這還不是汽車制造商公開警告或駕駛員普遍認(rèn)為的現(xiàn)象，但在擁擠環(huán)境中運(yùn)行的汽車?yán)走_(dá)將面臨嚴(yán)重干擾。

雷達(dá)的應(yīng)用范圍從自適應(yīng)巡航控制和盲點(diǎn)檢測(cè)到前向碰撞警告系統(tǒng)和智能泊車輔助。為了讓車輛獲得 360 度全景，它需要短程和遠(yuǎn)程雷達(dá)芯片。AEB 通常使用雷達(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。

AEB在全球市場(chǎng)的迅速擴(kuò)散，成為雷達(dá)傳感器供應(yīng)商的一把雙刃劍。這既是值得慶祝的原因，也是令人擔(dān)憂的根源。

例如，中國(guó)新車評(píng)估計(jì)劃 （NCAP） 已經(jīng)要求 2020 年所有出廠的卡車都必須配備 AEB。從今年開始，日本的新車必須具備前后 AEB 功能。在美國(guó)，20 家汽車制造商自愿同意“2022 年新車 AEB 適配率 100%”。面對(duì) Euro NCAP 的 2019 年要求，在歐洲銷售的 90% 的汽車已經(jīng)配備了最新的汽車碰撞避免技術(shù)。

NXP Semiconductors 預(yù)計(jì)到 2030 年汽車?yán)走_(dá)滲透率將躍升至 55%。在最近接受EE Times采訪時(shí)，NXP Semiconductors 負(fù)責(zé) ADAS 和 V2X 的高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理顧煥宇警告說(shuō)，雷達(dá)干擾是不可避免的，他說(shuō)：“當(dāng)多個(gè)雷達(dá)同時(shí)以相同或重疊的頻率發(fā)射時(shí)，如果它們共享一個(gè)共同的可見路徑?！?/p>

NXP 的顧并不是唯一一個(gè)令人擔(dān)憂的人。ST Microelectronics 的 ADAS 和 ASIC 部門總經(jīng)理 Martin Duncan 也告訴EE Times，“事實(shí)上，我們現(xiàn)在有 25% 的新車配備了雷達(dá)系統(tǒng)，這已經(jīng)是一個(gè)問題。如果您嘗試實(shí)時(shí)捕捉路況，則很容易看到來(lái)自多輛車的傳輸。由于我們都使用相同的頻段，這可能會(huì)隨著裝配率的增加而惡化?！?/p>

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用于主動(dòng)安全和輔助駕駛系統(tǒng)的多個(gè)雷達(dá)傳感器的示例部署

雷達(dá)擁塞的原理很簡(jiǎn)單。美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（NHTSA）在其2018 年 9 月發(fā)布的“雷達(dá)擁堵研究”中寫道：

雷達(dá)使用輻射信號(hào)的知識(shí)來(lái)識(shí)別回波并估計(jì)環(huán)境中物體的范圍和速度。這些回聲不是原始信號(hào)的完美副本，而是對(duì)信號(hào)產(chǎn)生建設(shè)性和破壞性干擾的多個(gè)返回的總和。重要的是要了解雷達(dá)照射的物體的回波會(huì)發(fā)生波動(dòng)，尤其是當(dāng)場(chǎng)景中的相對(duì)距離、方向和其他物體發(fā)生變化時(shí)。由于多臺(tái)雷達(dá)在附近運(yùn)行且存在多個(gè)散射源的環(huán)境，每臺(tái)雷達(dá)的性能都會(huì)隨著干擾水平的升高而下降。

這可能會(huì)導(dǎo)致安全性受損?！白顗牡那闆r是雷達(dá)干擾造成的死亡。如今，無(wú)論根本原因如何，在雷達(dá)堆棧中過濾誤報(bào)的應(yīng)用已經(jīng)得到了加強(qiáng)，”VSI Labs 創(chuàng)始人兼總裁 Phil Magney 指出。

該行業(yè)已被警告

配備雷達(dá)的汽車越多，每個(gè)雷達(dá)必須學(xué)會(huì)更快地處理其他雷達(dá)的存在。雷達(dá)供應(yīng)商面臨壓力。

簡(jiǎn)單的常見交通場(chǎng)景，其中干擾在受害雷達(dá)（綠色）處計(jì)算并由其他車輛（紅色）產(chǎn)生3。

雷達(dá)干擾并不是雷達(dá)擴(kuò)散的意外后果。汽車行業(yè)已受到警告。十多年前，歐洲發(fā)起了一個(gè)名為MOSARIM（通過雷達(dá)干擾緩解為所有人帶來(lái)更多安全）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“相互車輛雷達(dá)干擾以及有效對(duì)抗措施和緩解技術(shù)的定義和制定”。 ”

最近，NHTSA 進(jìn)行了一項(xiàng)“雷達(dá)擁塞研究”，對(duì)雷達(dá)干擾進(jìn)行建模和仿真，并考慮了兩個(gè)問題：

給定雷達(dá)從其他雷達(dá)發(fā)射器接收多少功率？

這對(duì)碰撞預(yù)警系統(tǒng)的性能有何影響？

報(bào)告得出結(jié)論：

…在其他雷達(dá)很少的環(huán)境中運(yùn)行良好的系統(tǒng)可能會(huì)在雷達(dá)擁擠的環(huán)境中遭受性能顯著下降。研究結(jié)果表明，基于當(dāng)前系統(tǒng)在擁擠環(huán)境中運(yùn)行的干擾水平將是顯著的。在許多車輛在 76-81 GHz 頻段運(yùn)行雷達(dá)的情況下，來(lái)自其他雷達(dá)的功率可能會(huì)超過特定性能所需目標(biāo)的回波功率幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

雷達(dá)之間的合作？

因此，該行業(yè)十年來(lái)就已經(jīng)知道雷達(dá)交通擁堵的迫在眉睫。它采取了哪些行動(dòng)？

有了這么多的交貨時(shí)間，您可能希望汽車 OEM 和一級(jí)供應(yīng)商制定穩(wěn)健的策略來(lái)避免干擾。您可能會(huì)設(shè)想一種雷達(dá)傳感器，它通過動(dòng)態(tài)調(diào)整波形參數(shù)來(lái)避免干擾。

這不是一門火箭科學(xué)。雷達(dá)社區(qū)擁有借鑒電信行業(yè)已經(jīng)部署的類似類型的信道訪問規(guī)則（如 TDMA、FDMA 和 CDMA）的專有技術(shù)。恩智浦的顧說(shuō)，這種“先聽后說(shuō)”的方案應(yīng)該能夠在雷達(dá)之間實(shí)現(xiàn)更結(jié)構(gòu)化的通信。

不幸的是，這不是業(yè)界采用的干擾緩解措施。除了汽車?yán)走_(dá)使用相同的分配頻譜（76GHz~81GHz）之外，雷達(dá)社區(qū)沒有任何規(guī)定?！袄走_(dá)波形參數(shù)不受監(jiān)管，”顧指出。

行業(yè)協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)化和監(jiān)管從未成為汽車行業(yè) DNA 的一部分。

顧說(shuō)，今天采用的一種常見方法是“通過在時(shí)間或頻率上隨機(jī)化傳輸信號(hào)來(lái)限制干擾”。顧承認(rèn)這種隨機(jī)化背后的不合邏輯，他說(shuō)：“今天，你這樣做是盲目的。這當(dāng)然很好，特別是如果路上沒有那么多帶雷達(dá)的汽車。但如果要提高雷達(dá)傳感器對(duì)干擾的魯棒性，就必須尋找雷達(dá)傳感器之間的協(xié)作。”

但這需要監(jiān)管。

盡管如此，恩智浦在其關(guān)于雷達(dá)干擾的白皮書中得出結(jié)論：

最終，為了支持較高的市場(chǎng)滲透率，制造商之間需要達(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通道的標(biāo)準(zhǔn)化方式，同時(shí)保持具有差異化傳感性能的可能性。

對(duì)所有人免費(fèi)

獨(dú)立資深汽車行業(yè)分析師 Egil Juliussen 表示，雷達(dá)一直是“所有人免費(fèi)”的。他解釋說(shuō)，為了追求創(chuàng)新，雷達(dá)傳感器公司通常傾向于開發(fā)新的專有算法，這些算法在與傳感器芯片相關(guān)的 DSP 或 MCU 上運(yùn)行，以便他們的雷達(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)的許多人來(lái)說(shuō)，在雷達(dá)干擾問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)更受歡迎的方法。

帶有數(shù)字部分 （DSP）、發(fā)射器和接收器前端的雷達(dá)傳感器。干擾技術(shù)可分為旨在避免前端飽和的技術(shù)、以數(shù)字方式管理干擾的技術(shù)以及試圖在干擾實(shí)際發(fā)生之前避免干擾的技術(shù)。（來(lái)源：恩智浦）

在我們的采訪中，恩智浦的顧提出了三種不同的雷達(dá)干擾緩解方法：1）避免前端飽和；2） 通過識(shí)別和消除數(shù)字域中的干擾來(lái)管理數(shù)字干擾；3） 通過動(dòng)態(tài)調(diào)整波形參數(shù)來(lái)避免干擾。

第三種方法已被認(rèn)為最不可能在當(dāng)前的 77GHz 頻譜中采用。顧解釋說(shuō)，“人們認(rèn)為為時(shí)已晚，因?yàn)槲覀冊(cè)诼飞弦呀?jīng)有太多的雷達(dá)傳感器，而這些傳感器不會(huì)協(xié)作?！?他補(bǔ)充說(shuō)，如果該頻段可用于雷達(dá)，該方案可能“在未來(lái)應(yīng)用于 140Ghz 頻率”。

第一種——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，可以接收到至少一部分有用信號(hào)，并采取適當(dāng)?shù)膶?duì)策?！澳憧梢酝ㄟ^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)，”顧說(shuō)?；蛘?，該系統(tǒng)可以包括“空間歸零”，其中前端使用多個(gè)天線在產(chǎn)生干擾的方向上使自身失明。Gu解釋說(shuō)，這種方法旨在在干擾信號(hào)使前端飽和之前消除它。

像恩智浦這樣的雷達(dá)芯片供應(yīng)商往往專注于處理數(shù)字領(lǐng)域的干擾——在 DSP 中?！爱?dāng)然，前提是有用信號(hào)實(shí)際上沒有被強(qiáng)信號(hào)掩埋，”顧說(shuō)。

在確定干擾信號(hào)比較微弱后，可以和有用信號(hào)一起數(shù)字化，不會(huì)導(dǎo)致前端飽和。

但根據(jù)恩智浦的說(shuō)法，游戲的名稱首先是識(shí)別信號(hào)是否已損壞，這說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。這樣做的技術(shù)取決于受害雷達(dá)和干擾的特定雷達(dá)波形。由于當(dāng)今的監(jiān)管框架允許以不同的方式構(gòu)建雷達(dá)波形，因此每個(gè)雷達(dá)傳感器制造商都會(huì)選擇自己的方式，這使得該過程不僅多樣化而且很棘手。

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 提供了非常好的性能，相對(duì)簡(jiǎn)單和優(yōu)雅。據(jù) NXP 稱，它通過低帶寬 ADC 覆蓋大帶寬，并提供對(duì)目標(biāo)速度的穩(wěn)健估計(jì)。但它帶有一些警告。

不同的制造商使用不同的 FMCW 波形參數(shù)設(shè)置來(lái)區(qū)分他們的產(chǎn)品主張并涵蓋不同的應(yīng)用需求，例如載波頻率、帶寬、啁啾持續(xù)時(shí)間、采樣時(shí)間、感測(cè)周期的持續(xù)時(shí)間以及在感測(cè)期間改變參數(shù)的不同方式。

總結(jié)一下：雷達(dá)傳感器首先需要識(shí)別是否存在干擾源。通過識(shí)別外來(lái)信號(hào)的獨(dú)特特征來(lái)檢測(cè)干擾。一旦檢測(cè)到干擾，系統(tǒng)算法必須盡可能完全地將其從接收信號(hào)中去除，同時(shí)不破壞或去除所需信號(hào)。

感受雷達(dá)干擾？

美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（NHTSA）列出了幾個(gè)模擬雷達(dá)擁塞干擾的場(chǎng)景。

在雙車道高速公路上的交通情況下，假設(shè)雷達(dá)使用隨機(jī)選擇的載波頻率，美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（NHTSA）預(yù)測(cè)，汽車?yán)走_(dá)將遇到來(lái)自其他雷達(dá)的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其自身傳輸?shù)幕夭?，以跟蹤其他車輛。干擾接近4個(gè)數(shù)量級(jí)，或接近40dB，大于系統(tǒng)規(guī)定的參考目標(biāo)的典型回波。

在面向后方的雷達(dá)（如盲點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)）中，“這些單元容易受到利用更高功率和天線增益的前向防撞雷達(dá)的直接到達(dá)。” 該研究稱：“我們的分析表明，這些裝置可能會(huì)受到來(lái)自前向防撞雷達(dá)的干擾功率，該干擾功率比其指定參考目標(biāo)的反射大近五個(gè)數(shù)量級(jí)，即 50 dB?！?/p>

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

VSI Labs 的 Magney 說(shuō)：“雷達(dá)對(duì)雷達(dá)的干擾仍然是一個(gè)未知數(shù)，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)曾經(jīng)歷過來(lái)自另一輛車的雷達(dá)對(duì)雷達(dá)干擾?！?。 他補(bǔ)充說(shuō)：“我們可以假設(shè)我們已經(jīng)暴露了，因?yàn)榻裉斓缆飞系脑S多車輛都混合了從短程到長(zhǎng)程的雷達(dá)?！?/p>

在周一的特斯拉第一季度財(cái)務(wù)電話會(huì)議上，首席執(zhí)行官埃隆馬斯克重申了取消特斯拉汽車?yán)走_(dá)的計(jì)劃，這使得雷達(dá)干擾問題成為沒有實(shí)際意義的問題——至少對(duì)特斯拉汽車而言是這樣。

然而，其他汽車原始設(shè)備制造商、一級(jí)供應(yīng)商和汽車技術(shù)供應(yīng)商不會(huì)很快放棄雷達(dá)。

VSI 的 Magney 強(qiáng)調(diào)說(shuō)，雷達(dá)尤其重要，因?yàn)樗鼈兪欠里L(fēng)雨的。“雷達(dá)是最具成本效益的 ADAS 傳感器之一，其滲透率將在未來(lái)幾年內(nèi)大幅增長(zhǎng)?！?/p>

審核編輯：郭婷