[Перевод] Радарная безопасность: не скрещивайте лучи30.08.2021 16:46

Ранее малоизвестная проблема радиолокационной безопасности становится потенциальной ахиллесовой пятой беспилотных и высоко автоматизированных транспортных средств — радиолокационные сигналы мешают друг другу.

Радар стал важным средством зондирования, дополняющим КМОП-камеры. Радар работает в любых погодных условиях и обеспечивает ряд функций автоматического вождения, включая автоматические аварийные тормоза (AEB). Однако если потоки радаров пересекутся (прямо как у ускорителей частиц из «Охотников за привидениями») — это может привести к неисправностям.

Хотя автопроизводители об этом явлении публично еще не предупреждают, а водителями оно не воспринимается вообще, автомобильные радары, работающие в перегруженных средах, столкнутся со значительными помехами.

Сегмент применения радара варьируется от адаптивного круиз-контроля и обнаружения слепых зон до систем предупреждения о столкновениях и интеллектуальной помощи при парковке. Для того чтобы транспортное средство могло получить обзор на 360 градусов, ему нужны как радарные чипы ближнего, так и дальнего действия. AEB обычно использует всепогодный радар, а иногда лидар и камеры для обнаружения неминуемой аварии.
Быстрое распространение AEB на мировом рынке стало для поставщиков радиолокационных датчиков палкой о двух концах. Это одновременно повод и для радости, и для беспокойства.
Например, Китайская программа оценки новых автомобилей (NCAP) уже предписала AEB для всех грузовиков, поступающих на рынок в 2020 году. Новые автомобили в Японии должны быть оснащены передними и задними функциями AEB, начиная с этого года. В Соединенных Штатах 20 автопроизводителей согласились на добровольную »100% норму соответствия AEB новым автомобилям в 2022 году». В соответствии с требованиями Euro NCAP 2019 года 90% автомобилей, продаваемых в Европе, уже оснащены новейшей технологией предотвращения столкновений между автомобилями.

NXP Semiconductors прогнозирует, что уровень использования автомобильных радаров вырастет до 55% в 2030 году. В недавнем интервью EE Times Хуанью Гу, старший менеджер, отвечающий за ADAS и V2X, предупредил, что радиолокационные помехи неизбежны, особенно «когда несколько радаров работают одновременно и на одной и той же или перекрывающейся частоте, и если у них есть общий видимый путь».

Мартин Дункан, генеральный менеджер подразделения ADAS и ASIC компании ST Microelectronics, также сказал EE Times: «Тот факт, что сейчас 25% новых автомобилей оснащены радиолокационными системами, это уже проблема. Если вы попытаетесь имитировать дорожные условия в реальном времени, очень легко увидеть сигналы передач от нескольких транспортных средств. Поскольку мы все используем одну и ту же полосу частот, ситуация будет ухудшаться по мере увеличения скорости установки».

Пример размещения нескольких радиолокационных датчиков, используемых для систем активной безопасности и вспомогательного вождения (Киссинджер, 2012)

Принцип перегрузки радара прост. Национальное управление безопасности дорожного движения (NHTSA) написало Radar Congestion Study, опубликованном в сентябре 2018 года:

Радары используют сведения об излучаемых сигналах для идентификации эхо-сигналов и оценки дальности и скорости объектов в окружающей среде. Это эхо не является совершенной копией, а представляют собой множество возвращающихся волн, которые разрушительно влияют на исходный сигнал. Важно понимать, что отражения от объектов, освещаемых радаром, флуктуируют, особенно при изменении относительного расстояния, перспективы и других объектов в сцене. При наличии множества источников рассеяния и нескольких радаров, работающих в непосредственной близости, производительность каждого радара ухудшается по мере повышения уровня помех.

Это может привести к нарушению безопасности. «В худшем случае эти помехи могут привести ко множеству смертей. Сегодня в стеке радаров уже широко используется фильтрация ложных срабатываний, независимо от причины их возникновения», — отметил основатель и президент VSI Labs Фил Магни.

Отрасль уже предупреждена

Чем больше автомобилей, оснащенных радарами, выезжает на дорогу, тем быстрее каждый радар должен научиться справляться с присутствием других радаров. Поставщики радаров сейчас под давлением.

Общий сценарий движения, в котором помехи рассчитываются на радаре-жертве (зеленый) и генерируются другими транспортными средствами (красный)

Однако радиолокационные помехи вряд ли являются неожиданным следствием распространения радаров. Автомобильная промышленность была предупреждена. Более десяти лет назад Европа разработала проект под названием MOSARIM (Повышение безопасности для всех за счет уменьшения радиолокационных помех) и опубликовала отчет в 2012 году. В рамках проекта изучались «взаимные радиолокационные помехи транспортных средств, а также определение и разработка эффективных контрмер и методов смягчения последствий».

Совсем недавно NHTSA провела «Исследование радиолокационной перегрузки», моделируя радиолокационные помехи, учитывая два вопроса:

1. Сколько мощности данный радар получает от других радиолокационных передатчиков?
2. Как это влияет на производительность системы предупреждения о столкновении?

В заключение доклада:

… У систем, хорошо работающих в средах с небольшим количеством других радаров, может значительно снизиться производительность в условиях перегруженности радаров. Результаты исследования показывают, что особо значительными будут помехи, основанные на работе существующих систем в перегруженных средах. В тех случаях, когда транспортные средства работают с радарами в диапазоне 76–81 ГГц, мощность других радаров, вероятно, на несколько порядков превысит мощность эхо-сигналов, исходящих от целей, необходимых для заданной производительности.

Сотрудничество между радарами

Таким образом, индустрия уже десять лет знает о неизбежности радиолокационных пробок. И какие же действия были предприняты?

Справедливо ожидать, что за такой срок производители автомобилей и поставщики 1-го уровня разработают надежную стратегию, позволяющую избежать вмешательства. Например, можно представить себе радиолокационный датчик, который позволяет избежать помех за счет динамической адаптации параметров формы волны.

Это не ядерная физика. Производители радаров уже знают, как заимствовать аналогичные правила доступа к каналам, уже внедренных в телекоммуникационной отрасли (как в TDMA, FDMA и CDMA). Такая схема «слушай, а потом говори» должна обеспечить более структурированную связь между радарами.

К сожалению, такой способ смягчения помех не принят в отрасли. Помимо того факта, что автомобильные радары используют один и тот же выделенный частотный спектр (76ГГц~81 ГГц), в радиолокационном сообществе нет никаких регламентов. «Форма радиолокационной волны и ее параметры не регулируются», — отметил Хуанью Гу.

Отраслевые соглашения, стандартизация и регулирование никогда не были частью автомобильной промышленности.

По словам Гу, распространенный сегодня подход заключается в «ограничении помех путем рандомизации передаваемых сигналов либо по времени, либо по частоте». Признавая нелогичность этой рандомизации, Гу утверждает: «Сегодня это делается вслепую. Это, безусловно, приемлемо, особенно если на дороге не так много машин с радарами. Но если вы хотите повысить устойчивость радиолокационных датчиков к помехам, вы должны стремиться наладить совместную работу датчиков».

Но это потребует определенных регламентов.

Тем не менее, в своем официальном обращении о радиолокационных помехах производители пришли к выводу:

В конечном счете, для поддержки успеха на рынке потребуется какая-то форма соглашения между производителями для более эффективного справедливого распределения ресурсов зондирования. Этот последний шаг означает, что все игроки на рынке должны будут собраться вместе и определить стандартизированный способ доступа к каналу, сохраняя при этом возможность дифференцировать производительность зондирования.

Каждый делает что хочет

Радар всегда был «каждый делает что хочет», — отметил Эгиль Юлиуссен, независимый ветеран автомобильной промышленности, аналитик. В погоне за инновациями компании, занимающиеся радиолокационными датчиками, обычно склонны разрабатывать новые алгоритмы, которые работают на DSP или микроконтроллерах с сенсорными чипами, которые улучшают разрешение изображения радара и уменьшить помехи, пояснил он.

Другими словами, для многих в автомобильной промышленности более тщательная обработка сигналов будет более предпочтительным подходом, нежели любые отраслевые соглашения или нормативные акты.

Радиолокационный датчик с цифровой частью (DSP), передатчиком и приемником. Методы устранения помех можно сгруппировать в те, которые предназначены для предотвращения насыщения интерфейса, те, которые управляют помехами в цифровом виде, и те, которые пытаются избежать помех до их появления.

Во время нашего интервью было предложено три различных подхода к снижению радиолокационных помех: 1) избегать насыщения на фронтенде; 2) управлять цифровыми помехами путем распознавания и устранения помех в цифровой области; 3) избегать помех путем динамической адаптации параметров формы волны.

Третий подход уже считается наименее вероятным для использования в текущем спектре 77 ГГц. Гу объяснил: «Люди думают, что уже слишком поздно, ведь у нас уже слишком много радарных датчиков на дороге, и эти датчики не смогут взаимодействовать». Он добавил, что схема может быть «применена к частоте 140 ГГц в будущем, если она будет доступна для радаров».

Первый — более вероятный — подход заключается в разработке методов, которые позволяют избежать насыщения фронтэнда. Здесь, можно получить хотя бы часть желаемого сигнала и принять надлежащие ответные меры. «Этого можно добиться, предоставив радиолокационному приемнику две разные настройки усиления», — сказал Гу. В качестве альтернативы система может включать в себя так называемое «пространственное обнуление», при котором фронтэнд использует несколько антенн, чтобы ослепить себя в направлении, создающем помехи. Этот подход направлен на устранение мешающего сигнала еще до того, как он насытит фронтэнд, объяснил Гу.

Поставщики радиолокационных чипов, как правило, сосредотачиваются на обработке помех в цифровой области — в DSP. «Конечно, для этого необходимо, чтобы нужный сигнал не перекрывался более сильными», — сказал Гу.

Если мешающий сигнал относительно слаб, его можно оцифровать вместе с требуемым сигналом, не вызывая перенасыщения интерфейса.

Но ключевой момент заключается в том, чтобы сначала определить, был ли сигнал поврежден, что легче сказать, чем сделать. Методы для этого зависят от конкретной формы радиолокационной волны как и самого радара, так и помех. Поскольку современная нормативная база допускает различные способы построения радиолокационных сигналов, каждый производитель радиолокационных датчиков выбирает свой собственный, что делает процесс не только разнообразным, но и сложным.

В действительности стандартом в автомобильной радиолокации является частотно-модулированный радар с непрерывной волной (FMCW). FMCW предлагает очень хороший и простой способ повысить производительность. Он охватывает большую полосу пропускания с АЦП с низкой пропускной способностью и обеспечивает надежную оценку целевой скорости. Однако все же нужно учитывать некоторые моменты.

Различные производители используют настраивают параметров сигналов FMCW по-разному, чтобы разнообразить свое предложение продуктов и учитывать различные требования, такие как несущая частота, полоса пропускания, длительность чирплета, время дискретизации, продолжительность цикла зондирования и различные способы изменения параметров в течение периода зондирования.

Напомним: сначала радарный датчик должен распознать, есть ли помеха. Обнаружить помехи можно путем распознавания уникальных характеристик чужеродного сигнала. Как только помеха обнаружена, системные алгоритмы должны избавиться от нее, при этом не искажая и не удаляя нужный сигнал.

Ничего из этого не должно удивлять тех, кто работает с радарами. «На рынке существуют стандартные алгоритмы по обработке сигналов, и они уже используются в отрасли», — сказал Гу.
Однако у таких алгоритмов есть пределы, отметил он. «Они зачастую ограничены и справляются только с низко коррелированными помехами. И они также способны справляться только с очень ограниченным количеством помех — по одной или по две за раз».

ST работает над своей собственной методологией. Дункан сказал: «Если вы знаете, что такое чирплет радара, вы можете легко фильтровать/игнорировать ложные сигналы. Также возможно вводить подписи между чирплет-сигналами».

Однако Дункан добавил: «Если бы мы больше знали о том, какая именно информация передается, это помогло бы быстрее найти меры для удаления нежелательных сигналов».

Восприятие помех от радара

NHTSA изложила несколько сценариев, имитирующих помехи, которые можно ожидать при перегрузке радаров.

• Например, NTHSA рассматривает случай движения по двухполосному шоссе. Предполагая, что радары используют случайно выбранные частоты, NTHSA предсказала, что «автомобильный радар будет иметь дело с мощностью других радаров, намного превышающую эхо его собственных передач, необходимых для отслеживания других транспортных средств. Помехи достигают почти 40 дБ, что больше, чем эхо, типичное для цели данной системы.»
• Что касается радаров в системах обнаружения слепых зон, NTHSA говорит: «эти устройства уязвимы для прямого попадания радаров, предотвращающих столкновения, так как они обладают более высокой мощностью и коэффициентом усиления антенны». В исследовании говорится: «Наш анализ показывает, что эти устройства могут испытывать помехи от радаров, предотвращающих прямое столкновение, которые почти на пять порядков, или на 50 дБ, превышают отражения их указанной контрольной цели».

Однако до сих пор влияние радара не ощущалось на реальных дорогах.

«Помехи, возникающие между радарами, все еще неизвестны. Даже мы в VSI, прикладные исследователи, которые работают с радарами почти каждый день, не можем сказать, что когда-либо сталкивались с подобными помехами от другого транспортного средства во время испытаний на дорогах», — сказал Магни из VSI Labs. «Мы можем предположить, что мы уязвимы, потому что сегодня так много транспортных средств на дорогах имеют различные радары для ближнего и дальнего радиуса действия», — добавил он.

Во время финансового собрания Tesla за 1 квартал генеральный директор Илон Маск подтвердил планы по устранению радаров с автомобилей Tesla, что устраняет проблему радиолокационных помех — по крайней мере, для автомобилей Tesla.

Однако другие производители автомобилей, производители 1-го уровня и поставщики автомобильных технологий в ближайшее время не планируют отказываться от радара.
Радары особенно важны, ведь они устойчивы к атмосферным воздействиям, подчеркнул Магни из VSI. «Радар является одним из наиболее экономически эффективных датчиков ADAS, и в ближайшие годы его распространение значительно возрастет».

© Habrahabr.ru