汽車雷達向超級傳感器演化，打開無限想象力

自動駕駛技術(shù)就好比是訓(xùn)練自動駕駛汽車（AV）像人類一樣駕駛，甚至有希望比人類駕駛得更好。正如人類在駕駛汽車時需要依靠感官和認知反應(yīng)一樣，傳感器技術(shù)也是實現(xiàn)自動駕駛不可或缺的一部分。

在攝像頭、雷達和激光雷達這三種傳感器中，雷達在交通安全領(lǐng)域應(yīng)用的歷史可能最為悠久。最早用于保障交通安全的雷達專利技術(shù)之一被稱為 Telemobiloscope（電動鏡）。它是由德國發(fā)明家 Christian Hülsmeyer 發(fā)明的一種船舶防撞工具。

此后，雷達技術(shù)取得了長足的發(fā)展，現(xiàn)已成為汽車功能安全的重要使能技術(shù)。據(jù)估計，汽車雷達的市場規(guī)模在 2033 年將突破 180 億美元。

如表 1 所示，汽車雷達具有許多優(yōu)點。這些優(yōu)點將繼續(xù)幫助工程師部署高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）?，F(xiàn)代汽車中的許多功能都是通過雷達實現(xiàn)的，例如自動緊急制動系統(tǒng)、前方碰撞預(yù)警、盲點檢測、變道輔助、后方碰撞預(yù)警系統(tǒng)、高速路上的自適應(yīng)高速巡航控制、交通擁堵時的自動跟車啟停等。

表1 汽車雷達技術(shù)的優(yōu)點和當前的局限性

雖然汽車雷達技術(shù)有許多優(yōu)點，但也存在需要工程師們克服的局限性。多年來，提高雷達的分辨率對于工程師而言一直是一項重要挑戰(zhàn)，不過近年來的創(chuàng)新技術(shù)正在發(fā)揮作用，使得雷達在目標檢測方面能夠提供更加精確的信息。

在3D目標檢測方面的差異

傳統(tǒng)的 3D 汽車雷達傳感器使用無線射頻探測 3D 物體的距離、位置和多普勒效應(yīng)（即物體的速度）等。為了提高汽車雷達傳感器在安全價值鏈中的作用，幫助實現(xiàn)自動駕駛，業(yè)界正在不斷突破 3D 雷達的局限性。自 2022 年以來，由于歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）和美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）制定了頻譜法規(guī)和標準，歐洲和美國逐步淘汰了使用 21.65 GHz 至 26.65 GHz 頻段的 24 GHz 超寬帶（UWB）雷達頻率。

在逐步淘汰 24 GHz UWB 頻段的同時，監(jiān)管機構(gòu)為車載雷達技術(shù)開放了 從 76 GHz 到 81 GHz 的總帶寬為 5 GHz 的連續(xù)頻段。遠距離探測使用 76 GHz 頻段，而短距離、高精度探測則使用 77-81 GHz 頻段。

了解更高頻率、更寬帶寬的先進汽車雷達系統(tǒng)所帶來的性能提升非常重要，這有助于提高雷達的距離分辨率，它決定了兩個物體的最小距離間隔有多遠時，雷達才能分別探測到這兩個獨立的目標。例如，24 GHz 雷達系統(tǒng)的距離分辨率為 75 cm，而 77 GHz 雷達系統(tǒng)則提高到 4 cm，這使其可以更好地探測多個彼此靠近的目標（圖 1）。

圖1 24 GHz 雷達（左）無法分辨距離太近的物體，77 GHz雷達傳感器（右）則可以將上述目標識別為不同的物體

如果一個女孩和她的狗緊挨著站在路邊，人類駕駛員在大多數(shù)情況下可以十分輕松地識別出這一場景，并且提前預(yù)判到這條狗很有可能會突然躥到路上，從而做出反應(yīng)。但此時只有帶寬較寬的雷達（見圖 2，右側(cè)的測試）可以探測到這兩個獨立的目標，并向駕駛員或自動駕駛系統(tǒng)提供正確信息。

圖2 1 GHz（左）和 4 GHz（右）帶寬的測試結(jié)果比較清晰地顯示，只有帶寬較寬的分辨率（右側(cè)）才能檢測到兩個不同的物體

利用4D雷達及其他技術(shù)筑起更加牢固的安全堤壩

雷達傳感技術(shù)必須能夠精準地檢測、分割和追蹤車輛周圍的物體，才能讓人類將方向盤放心地交給自動駕駛汽車。這一需求正在推動 4D 雷達的發(fā)展，4D 雷達可以在 3D 雷達給出的距離、水平位置和速度等相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提供更加準確、詳細的 3D 空間物體信息，包括物體的垂直位置（見表 2）。

表2 3D雷達和4D雷達的區(qū)別

4D 成像雷達的出現(xiàn)使自動駕駛汽車能夠憑借更高的分辨率探測到更小的物體，同時成像雷達也可以測繪出更加完整的“全方位”環(huán)境地圖。

為了正確解釋垂直視角中的物體，自動駕駛汽車必須能夠使用 4D 和成像雷達檢測出物體的高度。例如，自動駕駛汽車的 3D 雷達可能會將從扁平井蓋上反彈的信號誤認為是道路上的障礙物，從而為了避開并不存在的障礙物而突然停車。

在現(xiàn)實世界中，汽車雷達探測到的交通“事件”從來都不會是像上述案例那樣的孤立事件。人類駕駛員要在數(shù)以百計的車輛、行人、道路工程，甚至是偶爾橫穿馬路的野生駝鹿中穿梭（圖 3），因此需要綜合運用視覺和聽覺感知到的信息以及交通規(guī)則、經(jīng)驗和本能。

圖3 值得深入思考的駝鹿問題：當駝鹿在漆黑的夜晚從自動駕駛汽車前穿過時，它會不會在車燈的照射下停止不動，或者遠程雷達會不會發(fā)出充分的警告并在適當?shù)木嚯x外減速停車？

同樣，自動駕駛汽車依靠雷達傳感器和其他系統(tǒng)，例如攝像頭、激光雷達和車聯(lián)網(wǎng)（V2X） 系統(tǒng)，提供的準確數(shù)據(jù)檢測周圍的交通環(huán)境。各個數(shù)據(jù)流與 ADAS 或自動駕駛算法進行通信，幫助汽車感知所檢測到的車輛或物體的相對位置與速度。然后，ADAS /自動駕駛系統(tǒng)中的控制算法會幫助觸發(fā)被動反應(yīng)（例如通過閃爍警示燈提醒駕駛員注意盲點危險）或主動反應(yīng)（例如采取緊急制動以避免碰撞）。

汽車雷達測試

目前，汽車制造商和雷達模塊提供商使用軟件和硬件測試其雷達模塊的功能。有兩種主要的硬件測試方法：

●   使用與被測雷達設(shè)備（DUT）保持不同距離和角度的角反射器，每個反射器代表一個靜態(tài)目標。當需要改變這種靜態(tài)場景時，必須將角反射器移動到新的位置。

●   使用雷達目標模擬器（RTS）可以對雷達目標進行電子仿真，從而同時仿真靜態(tài)和動態(tài)目標以及目標的距離、速度和大小。在目標數(shù)量超過 32 個的復(fù)雜/逼真場景中，基于 RTS 的功能測試會出現(xiàn)缺點，并且這種測試也無法鑒定 4D 和成像雷達探測擴展目標的能力。擴展目標是由點云表示的物體，而不僅僅是一個反射。

圖4 使用雷達目標模擬器（RTS）對雷達傳感器執(zhí)行測試，無法提供用于驗證自動駕駛應(yīng)用的完整交通場景

基于數(shù)量有限的目標物體，對雷達裝置執(zhí)行測試，無法還原完整的自動駕駛汽車駕駛場景。它忽略了現(xiàn)實世界的復(fù)雜性，尤其是在市區(qū)，各個交叉路口和轉(zhuǎn)彎處都會有行人、騎行者和電瓶車，路況十分復(fù)雜。

提高雷達算法的智能化水平

機器學(xué)習(xí)正在越來越多地幫助開發(fā)人員訓(xùn)練 ADAS 算法來更好地解釋雷達傳感器和其他傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行分類。最近，YOLO 成為了汽車雷達算法領(lǐng)域的一個熱門詞匯。YOLO 是“You Only Look Once”的縮寫，意思是通過一次網(wǎng)絡(luò)傳遞完成目標檢測任務(wù)。這種說法可謂非常貼切，因為雷達感知到的內(nèi)容和 ADAS 算法對數(shù)據(jù)的解讀都是至關(guān)重要的過程，甚至可以說是生死攸關(guān)?；?nbsp;YOLO 的雷達目標檢測方法，希望同時完成對多個物體的精確探測和分割。

在這些自動駕駛系統(tǒng)最后進入成本高昂的道路測試階段之前，先對物理雷達傳感器和 ADAS 算法進行嚴格的測試至關(guān)重要。為了更加真實地 360 度全方位還原現(xiàn)實世界中的各種交通場景，汽車制造商已經(jīng)開始使用雷達場景仿真技術(shù)將真實的道路場景“搬”進實驗室里，進行仿真測試。

向 L4 級和 L5 級自動駕駛邁進的一大關(guān)鍵挑戰(zhàn)是需要自動駕駛車輛能夠區(qū)分道路上的動態(tài)障礙物并自主決定行動路線，而不僅僅是在儀表盤上發(fā)出警示或亮起警告燈。在仿真交通場景時，如果描繪每個目標的點數(shù)太少，可能會導(dǎo)致雷達錯誤地將間隔很近的物體辨認為一個整體。這樣就難以全方位地測試傳感器，也很難全面測試依賴雷達傳感器數(shù)據(jù)流的算法和決策。

新的雷達場景仿真技術(shù)使用了光線追蹤和點云技術(shù)，能夠從高度逼真的交通仿真場景中提取相關(guān)數(shù)據(jù)并更好地檢測和區(qū)分不同的物體（見圖 5）。通過使用新型毫米波（mmWave）空中下載（OTA）技術(shù)，雷達場景仿真器可生成多個靜態(tài)和動態(tài)目標。這些目標的間隔距離從 1.5 米到 300 米不等，速度在 0 到 400 公里/小時之間，適用于短程、中程和遠程汽車雷達，為雷達傳感器的測試提供了更為真實的交通場景。

圖5 使用雷達場景仿真進行感知算法測試的屏幕截圖。右側(cè)屏幕顯示的是由左側(cè)雷達場景仿真器模擬的交通交通場景。綠點表示仿真的雷達反射，紅點表示雷達傳感器檢測到的信號

無論是雷達傳感器還是算法都可以在雷達場景仿真中快速進行多次設(shè)計迭代，從而修復(fù)錯誤和對設(shè)計作出微調(diào)。因此，雷達場景仿真對于上路前的駕駛測試非常有幫助。除了 ADAS 和自動駕駛功能測試外，它還能幫助汽車制造商開發(fā)變量處理應(yīng)用，例如驗證不同的保險杠設(shè)計、噴漆和雷達模塊定位功能對雷達功能的影響。

自動駕駛平臺提供商和雷達系統(tǒng)制造商可以通過多個可重復(fù)和可定制的場景增強車輛對不同真實交通場景的感知能力，使雷達傳感器捕獲大量數(shù)據(jù)供自動駕駛算法用于機器學(xué)習(xí)。

如今，高速數(shù)字信號處理（DSP）在對各個雷達檢測結(jié)果進行微調(diào)時也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。如圖 6 所示，雷達可以采集行人手臂和腿部的各種信息，包括速度、距離、橫截面（大小）和角度（水平和垂直）等。這些信息對于訓(xùn)練雷達算法識別行人（而不是像過馬路的寵物狗這樣的數(shù)字 4D 形狀）至關(guān)重要。

圖6 使用雷達場景仿真的高速數(shù)字處理技術(shù)可對動態(tài)目標進行更加精細的數(shù)據(jù)分析，例如移動的行人等

超級傳感器的崛起始于可靠的測試

從芯片設(shè)計到制造再到后續(xù)的雷達模塊測試，汽車雷達設(shè)計、開發(fā)和制造生命周期的每一個環(huán)節(jié)都需要經(jīng)過嚴格的測試。

將毫米波頻段用于汽車雷達應(yīng)用會遇到許多測試方面的挑戰(zhàn)。工程師需要考慮測試設(shè)置、確保測試設(shè)備能夠進行超寬帶毫米波測量、減少信噪比損失，并滿足不同地區(qū)和市場對于干擾測試的新標準要求等。

在雷達模塊層面，現(xiàn)代 4D 和成像雷達模塊測試需要具有更大帶寬和更高距離分辨率的測試設(shè)備。

最后一個難題是將汽車雷達集成到 ADAS 和自動駕駛系統(tǒng)中并使標準駕駛情況中的算法適用于百萬分之一的極端情況。未來，隨著越來越多的駕駛員退居二線，訓(xùn)練有素且經(jīng)過測試的雷達超級傳感器系統(tǒng)將為乘客帶來更加平穩(wěn)、安全的乘坐體驗。