Автомобильные электронные устройства делают вождение более безопасным, независимо, крепко мы держим руль или нет. Применение технологии, давно связанной с полем битвы — радаром, — в современных системах помощи водителю (ADAS) помогает предупреждать водителей о возможных авариях с помощью электроники, «смотрящей» вперед, назад и по сторонам. Благодаря усовершенствованным полупроводникам со смешанным сигналом такие автомобильные радары можно купить по доступной цене и надежно встроить в компактные модули, используя преимущества доступного частотного спектра на частотах 24 и 77 ГГц, чтобы стать частью системы более безопасного вождения.
Радар является лишь одним из компонентов ADAS, но очень важным в современных электронных системах безопасности автомобилей. Другие системы включают в себя датчики обнаружения и определения дальности (LiDAR), инфракрасные (ИК) датчики для систем ночного видения, ультразвуковые датчики для помощи при парковке и реверсивных предупреждений, камеры высокой четкости (HD) для предупреждений о выходе из полосы движения и помощи при парковке.
В ADAS имеется мощный центральный процессор (ЦП) или программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA), работающие с данными от различных датчиков, чтобы обеспечить коррекцию управления транспортным средством, такую как предупреждение о столкновении и его предотвращение, чтобы предотвратить столкновение автомобилей или, чего хуже, наезд на пешехода. Обладая достаточной информацией и подходящей архитектурой управления автомобилем, ADAS может сформировать ядро автономного транспортного средства с «самостоятельным управлением», гораздо более совершенной версии систем «круиз-контроля», предлагаемой в качестве дополнительной опции в авто, начиная с начало 1960-х годов.
Три типа радара встроены в авто, оснащенное ADAS: радар ближнего действия (SRR) для обнаружения объектов на расстоянии 1–20 м от транспортного средства, в том числе для обнаружения слепых зон (BSD) и помощи при смене полосы движения (LCA); радар средней дальности (МРР) для обнаружения объектов от 1 до 60 м; и дальнего радиолокатора (LRR) для обнаружения объектов на расстоянии до 250 м.
Автомобильные радарные датчики устанавливаются для обнаружения предметов спереди, сзади и по бокам автомобиля (рисунок ниже). Радиолокационные технологии с импульсно-доплеровской и непрерывно-волновой частотной модуляцией (FMCW) могут использоваться в приложениях ADAS на частотах 24 или 77 ГГц, хотя к 2022 году системы 24-ГГц постепенно сокращаются в пользу автомобильных радарных систем с частотой 77 ГГц. При длинах волн, составляющих треть размера 24-ГГц систем, радары с частотой 77 ГГц позволяют использовать антенны меньшего размера и другие компоненты, в то же время, достигая большего диапазона обнаружения с более высоким разрешением, чем системы на 24 ГГц.
Импульсно-доплеровские радиолокационные архитектуры следуют традиционному подходу импульсного радара, в котором короткий импульс с высокой пиковой мощностью передается через интересующую область в течение короткого периода времени — интервала повторения импульсов (PRI). Это полудуплексные системы, в которых приемник активируется после передачи импульсов и выключения передатчика. Приемник измеряет время прибытия сигнала (TOA) или время, за которое импульсы, отраженные от цели, возвращаются. Задержка этих эхо-импульсов дает представление о расстоянии цели от передатчика.
Зная частоту повторения импульсов (PRF) и когерентно измеряя сдвиги фаз нескольких импульсов, можно определить относительную скорость освещаемого объекта. Импульсно-доплеровские радары могут обнаруживать цели на больших расстояниях и с высоким разрешением, используя одну антенну для передачи и приема сигналов. Однако они требуют высокой пиковой мощности передачи. Из-за «слепой зоны» при обнаружении, возникающей при переключении между режимами передачи и приема, импульсные доплеровские радары лучше подходят для приложений большой дальности (где есть некоторое время восстановления), а не приложений средней или малой дальности.
Радиолокационные технологии с непрерывно-волновой частотной модуляцией (FMCW)
Альтернативным подходом к импульсно-доплеровскому радару является использование методов FMCW для автомобильных радаров. Такие подходы передают и принимают непрерывно сигналы, которые изменяют частоту в зависимости от времени, когда проходят через часть частотной полосы. CW-сигналы, испускаемые этими системами, известны как «ЛЧМ», частота которых линейно увеличивается со временем. Локатор радиолокатора может характеризоваться его начальной частотой, шириной полосы и длительностью. Скорость, с которой сигнал линейной частотной модуляции (ЛЧМ) увеличивается по частоте, является его наклоном, таким как 10 МГц / с. В радиолокационной системе FMCW отдельные антенны используются для предотвращения вмешательства передаваемых сигналов в прием радиолокационного приемника эхо-сигналов.
Комбинируя переданный ЛЧМ с принятыми эхо-сигналами в микшере радиочастотной / микроволновой частоты, получится сигнал промежуточной частоты (ПЧ), который будет разницей между передаваемым и эхо-сигналами. Без изменения частоты между передаваемым и принимаемым сигналами, подаваемыми в микшер, результирующая разность или сигнал ПЧ будет нулевым.
Но, поскольку отраженные сигналы имеют некоторые задержки во времени полета по сравнению с излучаемыми ЛЧМ, происходит изменение частоты отраженных ЛЧМ. ПЧ представляет это изменение частоты как функцию расстояния до объекта, вызывающего отражение: ПЧ увеличивается по мере удаления цели от радиолокационного передатчика. Обрабатывая сигналы ПЧ с помощью высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и другого цифрового аппаратного и программного обеспечения, можно определить расстояние и скорость объектов, отражающих ЛЧМ-сигналы, до приемника.
Рабочие характеристики различных компонентов в радиолокационной системе FMCW способствуют общей производительности. Например, чувствительность приемника радара будет определять максимальную дальность обнаружения для данного уровня мощности передачи радара FMCW, чему способствует усиление передающей антенны. Усиление приемной антенны также будет работать с чувствительностью приемника, чтобы помочь определить максимальную дальность обнаружения радара. Поскольку частота сигнала ПЧ связана с максимальным диапазоном обнаружения, способность обрабатывать более высокие ПЧ также сделает возможным более длительные максимальные диапазоны обнаружения. АЦП с высокой частотой дискретизации, который может обрабатывать высокие ПЧ, будет поддерживать радиолокационную систему FMCW с большой дальностью обнаружения.
Частота радиолокатора FMCW не является критичной при определении разрешения цели или способности различать близко расположенные объекты. Скорее, полоса пропускания частотной развертки определяет радиолокационное разрешение, а более широкие полосы обеспечивают более высокое разрешение. Поскольку фаза более чувствительна, чем частота, к изменениям в положении цели, использование фазы, а не частоты в анализе радиолокационного отражения FMCW может обеспечить гораздо более высокое разрешение при различении нескольких объектов или целей. Высокое разрешение возможно при использовании косинуса разности фаз между излучаемым сигналом и эхо-сигналом для определения дальности и положения цели.
Обнаружение объектов, движущихся с высокими скоростями, например при высокоскоростном движении, требует измерений в радиолокационной системе с помощью близко расположенных ЛЧМ. Кадр — это серия из нескольких одинаково разнесенных сигналов, которые используются для измерения скорости двух или более объектов на одном и том же расстоянии от радара, но движущихся с разными скоростями. Способность радара различать скорости различных объектов обратно пропорциональна времени кадра.
Ширина луча является еще одним важным параметром производительности радара, когда лучи сигнала формируются двумя или более передающими антеннами на радар. Ширина луча в сочетании с дальностью действия радара определяет поле обзора автомобильной радиолокационной системы или то, насколько далеко и широко она может обнаруживать объекты за пределами авто.
Измеренная в угловых градусах для каждой системы, ширина луча в 3 дБ отличается для каждого типа радара. LRR имеют самую узкую ширину луча, в то время как SRR, обнаруживающие объекты рядом с транспортным средством (например, помощь при парковке), имеют самую широкую ширину луча, измеренную как по азимуту, так и по высоте. Несколько приемных антенн также важны в автомобильной радиолокационной системе для измерения угла прихода (AoA) обнаруженных объектов. Интервал между антеннами определяет максимальное поле зрения для обнаружения отраженных сигналов, при этом интервал устанавливается в виде доли длины волны, такой как ƛ / 2 или ƛ / 4, и расстояние уменьшается с увеличением частоты. Это учитывает меньшие компоненты радиолокационной системы на более высоких частотах.
Повышение по частоте
Поскольку ширина полосы пропускания является критическим требованием для радиолокационных систем, а доступный нелицензированный частотный спектр ограничен на уже занятых более низких частотах, автомобильные радиолокационные системы предназначены для использования вне традиционного диапазона военных радиолокационных систем с частотой 2–18 ГГц на частотах 24 и 77 ГГц.
Эти более высокие частоты с короткой длиной волны на самом деле несут меньшие потери при распространении из-за осадков и пыли, чем более низкие частоты с более длинными волнами. Кроме того, короткие длины волн позволяют использовать автомобильные радиолокационные компоненты, такие как радиолокационные датчики / приемопередатчики и антенны, с меньшими размерами для простоты монтажа и «упаковки» в транспортном средстве. Для транспортных средств уменьшение длины волн на 77 ГГц также более устойчивы к воздействию вибрации в движущемся автомобиле, чем на 24 ГГц, что помогает с точностью обнаружения.
В связи с необходимостью использования полосы пропускания как для узкополосных (NB), так и для сверхширокополосных (UWB) автомобильных радаров Федеральная комиссия по связи (FCC) в конце 1990-х и начале 2000-х годов первоначально назвала частотный спектр с центрами около 24 и 77 ГГц для автомобильных радарных систем в США. Полоса 24 ГГц содержит сегмент узкополосных радаров с 250 МГц нелицензированной промышленной, научной и медицинской (ISM) полосой пропускания от 24,00 до 24,25 ГГц; сегмент сверхширокополосных радаров содержит полосу пропускания 5 ГГц от 21,5 до 26,5 ГГц.
Тем не менее, существует потребность в более унифицированном рабочем диапазоне радиолокаторов для международных транспортных средств. Поскольку международные группы, такие как Европейский союз (ЕС) и Европейский институт стандартов электросвязи (ETSI), уже ориентируются на 77 ГГц для использования в автомобильных радарах, полоса 77 ГГц была также выделена FCC для применения в автомобилях и других радарных системах, таких как стационарный и мобильный радар для обнаружения посторонних предметов (FOD). Однако такие применения из-за их способности действовать в качестве помех для автомобильных радаров не разрешались использовать за пределами районов аэропорта.
Полоса 77 ГГц фактически включает части общей ширины полосы 5 ГГц от 76 до 81 ГГц. LRR занимает 600 МГц в диапазоне 76–77 ГГц, MRR работает в полосе 600 МГц от 77 до 81 ГГц, а приложения SRR с короткой частотой имеют доступ к общей полосе 4 ГГц от 77 до 81 ГГц.
По сравнению с 24 ГГц автомобильные радары с частотой 77 ГГц обеспечивают обнаружение объектов с большей дальностью с высоким разрешением для LRR и имеют достаточную полосу пропускания для поддержки высокого разрешения для SRR. SRR с полосой пропускания 1 ГГц от 76 до 77 ГГц обеспечивает разрешение около 0,5 м, а SRR с полосой пропускания 4 ГГц от 77 до 81 ГГц обеспечивает разрешение около 0,1 м.
Наличие такой широкой полосы пропускания на частоте 77 ГГц, а также изменения, вносимые регулирующими органами, такими как FCC, для использования полосы пропускания на частоте 24 ГГц, побудили производителей автомобильных радарных компонентов перейти с 24 ГГц на 77 ГГц (рисунок выше). Частотный диапазон 24 ГГц недоступен для радиолокационных применений сверхшироких полос (полоса пропускания 5 ГГц) после 2022 года, как предписано Федеральной комиссией США для США, только для радарных применений узких полос (полоса частот 250 МГц от 24,00 до 24,25 ГГц), таких как системы LRR.
Высокая стоимость изготовления миниатюрных компонентов на частотах миллиметровых волн (от 30 до 300 ГГц) традиционно ограничивает их использование в военных и аэрокосмических приложениях. Но усовершенствования в технологиях полупроводниковой и монолитной СВЧ-интегральных схем (MMIC), использующих кремний-германиевые (SiGe) подложки для процессов BiCMOS и RFCMOS, которые обеспечивают интеграцию компонентов миллиметровых волн и цифровой обработки сигналов (DSP) со смешанным сигналом, а также благодаря достижениям в устройствах микроэлектромеханических систем (МЭМС) миниатюрные радиолокационные датчики с частотой 77 ГГц стали достаточно практичными для использования в большинстве новых транспортных средств (рисунок ниже).
Моделирование играет ключевую роль
Программное обеспечение для моделирования и испытательное оборудование миллиметровых волн являются важными инструментами для эффективного применения радарных датчиков в автомобильном приложении ADAS. Современное программное обеспечение для электромагнитного моделирования обеспечивает средства для моделирования антенн, сетей формирования диаграммы направленности и других активных и пассивных компонентов, используемых во всех трех типах автомобильных радаров. Он также предлагает способ изучения распространения сигнала на 24 и 77 ГГц при различных смоделированных условиях работы. Такой анализ может быть полезен при разработке различных алгоритмов, требуемых автомобильным процессором для «объединения датчиков», или для комбинирования различных данных от различных датчиков в автомобиле, оборудованном ADAS.
Например, радиолокационные датчики, которые функционируют как часть системы координат транспортного средства (VCS), обнаруживают диапазон, скорость и азимут других транспортных средств, полагаясь на точное выравнивание радиолокационных датчиков в транспортном средстве, выполняющем измерения. Выполняя процедуру юстировки, любой угол смещения может быть рассчитан на основе положения датчика радара на транспортном средстве, скорости транспортного средства и угла наведения радара.
Максимальное сокращение времени измерения будет способствовать выходу на рынок доступных автомобилей ADAS. В США на оборудованные радаром транспортные средства будут распространяться правила FCC Part 95 и правила сертификации, предусматривающие проведение обширной серии измерений характеристик РЧ / СВЧ и уровней выбросов. К счастью, радиочастотное / микроволновое испытательное оборудование, в том числе источники и анализаторы тестовых сигналов, неуклонно увеличивалось по частоте в течение последних нескольких десятилетий. Таким образом, теперь они предоставляют средства для генерации и анализа как импульсных, так и чирпированных сигналов в миллиметровом диапазоне до 81 ГГц и выше (что может потребоваться для обнаружения гармонических и паразитных сигналов).
Оставьте комментарий