Автомобильные радары: история, практика, перспектива (до 2006)

19 августа 2016

Аннотация
Данная статья освещает основные стадии внедрения радарных датчиков в транспортные технологии, виды используемых радаров и перспективы их использования.

Введение
Вопрос применения радаров и радарных систем в автомобилях и прочих транспортных средствах стал занимать умы учёных уже в XX веке. Естественно, главной задачей таких систем стало бы предотвращение автомобильных аварий, однако это лишь первый шаг - идея создания «умного», не нуждающегося в водителе транспорта будоражит фантазию учёных и по сей день.

История внедрения радарных систем
Первые испытания автомобильных радарных датчиков датируются второй половиной 50-х, а в 70-е годы всё внимание было сконцентрировано на исследованиях применения радара в микроволновом частотном диапазоне. В последующие десятилетия учёные экспериментируют с устройствами, работающими на частотах в 17 ГГц, 24 ГГц, 35 ГГц, 49 ГГц, 60 ГГц и 77 ГГц. Столь пристальное внимание принесло огромное множество открытий в сфере обработки сигналов радара на микроволновой частоте. В 90-е годы концепция предотвращения аварий стала не только вполне осязаемой, но и готовой к выходу в массовое производство. Так, американская компания Greyhound встроила в начале 90-х годов более 1600 радарных систем (24 ГГц) в линейку своих автобусов. Как показала практика, это новшество сократило количество аварий за год на 21%.

Но производители на этом не остановились, включив в перечень задач не только безопасность, но и комфорт. При этом стоимость конечного продукта должна была оставаться достаточно привлекательной для потребителя. В скором времени сенсорные технологии нашли применение в системе автоматической парковки, системе предотвращения аварий и адаптивном круиз-контроле (АКК). Впервые японские автомобильные компании представили систему АКК в 1995 году.

Конкурентоспособными продуктами, вышедшими на рынок, на основе сенсорных технологий и технологий видеонаблюдения стали:

1. системы безопасности Лидар (Lidar, Light Identification Detection and Ranging) — технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем;
2. ультразвуковые датчики;
3. автомобильные видеокамеры:
   • ПЗС-матрица (ПЗС – прибор с зарядной связью, английская аббревиатура CCD – Charged Coupled Device) состоит из множества фотодиодов – пикселей. При попадании фотонов света на фотодиод в нем образуются носители заряда – электроны. Величина заряда пропорциональна интенсивности освещения. Заряды передаются по матрице от одного пикселя к другому построчно сверху вниз. На выходе снимается электрическое напряжение, соответствующее количеству света, попавшего на пиксель.
   • КМОП-матрица (КМОП – комплементарный металл-оксидный-полупроводник, английская аббревиатура CMOS – Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). В отличие от CCD CMOS-матрица обеспечивает одновременное (параллельное) считывание данных всех пикселей, что значительно повышает скорость работы.

Тем временем европейские и американские компании продолжали разработки, взяв за основу радарную систему АКК. И уже в 1999 году Mercedes представил 77-гигагерцовый радар Distronic для машин класса S. В дальнейших линейках АКК можно было встроить по желанию покупателя.

Однако их японские конкуренты Honda и Toyota взглянули на АКК под другим углом, совместив комфорт и безопасность. Стандартные АКК предлагали систему гладкого торможения, а Honda и Toyota в 2003 представили систему помощи при экстренном торможении (Brake Assist System) для предотвращения столкновений (в дополнение к АКК) на основе 77-ГГц радара дальнего диапазона. Система обеспечивала эффективную работу вакуумного усилителя тормозов, которая срабатывала при распознании угрозы, снижая возможность аварии, даже если водитель начинал торможение поздно.

Европейский рынок тоже перешёл от решения задач комфорта к созданию систем активной безопасности. Компания Mercedes запустила первую серию своей системы превентивной безопасности Presafe в машинах S класса в 2003 году. В первых моделях эта система базировалась не на технологиях обнаружения и распознавания объектов, а лишь на данных электронного контроля устойчивости (Electronic Stability Control, ESC; ЭКУ) и антиблокировочной системе торможения (Anti-lock braking system). Если контрольный блок распознавал неминуемой угрозу аварии при текущей динамике продвижения машины, то принимался ряд мер по защите водителя: реверсивное преднатяжение ремней безопасности, закрытие, при необходимости, открытых окон и люков на крыше, а также электрорегулировка сидений.

Следующим шагом эволюции систем безопасности является переход от защитных мер к прогностическим, т.е. получение дополнительных миллисекунд в запасе для реагирования и автоматической активации соответствующих мер защиты. Компания Bosch назвала такую систему прогностической системой безопасности (Predictive Safety System - PSS). План развития систем Bosch PSS включает три этапа. В начале 2005 г. в серийное производство была запущена система экстренного торможения Predictive Brake Assist (PBA) для модели Audi A6, представляющая собой первое поколение PSS. На основании информации, поступающей от датчиков AКК, система распознает критическую ситуацию и незаметно для водителя перемещает тормозные колодки ближе к дискам, готовясь к возможному аварийному торможению. Следующим этапом развития подобных систем стала функция превентивного реагирования на столкновение Predictive Collision Warning (PCW): если после вмешательства PBA вероятность тылового столкновения все еще сохраняется, система предупреждает водителя об опасности, инициируя легкое, но ощутимое торможение. Выход PCW на рынок состоялся в 2006. Третье поколение PSS получило название Predictive Emergency Brake (PEB). В этой версии наряду с радаром дальнего действия используется дополнительная сенсорная система – видеодатчики. Bosch уже удостоился награды «Gelber Engel» за свою систему PSS немецкой автомобильной организацией ADAC в категории «Инновации».

Радары ближнего действия для пассажирского транспорта были впервые установлены в моделях премиум-класса в ряде систем активной безопасности для автоматического экстренного торможения, помощи при перестроении, помощи движению по полосе, автоматической парковки, режиме Stop and Go адаптивного круиз-контроля. Рекомендуемая используемая частота радара – 24 ГГц для получения широкого угла обзора с разрешением в сантиметрах.

Стандартизация частоты Вопрос стандартизации радиочастот для радаров и радарных систем стал весьма актуальным в современном мире. В Европе для радаров, работающих в диапазоне 76-77ГГц, был выделен и закреплён канал ещё в 90-е годы (ETSI EN 301 091). Сейчас этот канал выделен для Интеллектуальных Транспортных Систем (ИТС) в Европе, Северной Америке и Японии.

В феврале 2002 Федеральная Комиссия Связи США (FCC) одобрила частоту от 22 до 29 ГГц для автомобильных радаров ближнего действия. В Европе для решения этого вопроса был создан комитет SARA. 17 января 2005 года комиссия Евросоюза наконец приняла решение выделить диапазон частот 21.56-26.65 ГГц для радаров ближнего действия. Вывод на рынок этих систем разрешён с июля 2005 по июнь 2013. Скорость распространения ограничена до 7% всех машин во всех странах Евросоюза. Считается, что этих восьми лет должно было хватит, чтобы разработать недорогой радар ближнего действия, который будет работать на новой частоте, не затрагивая прочие коммерческие, научные или военные структуры и службы. Затем в марте 2004 Евросоюз выделил частотный диапазон 77-81 ГГц для радаров ближнего действия с выходом на рынки не ранее 2005 года.

Выбор типа устройств Основными параметрами автомобильного радара являются: дальность обнаружения, диапазон определяемой скорости, угол обзора, разрешение. В зависимости от значений указанных характеристик автомобильные радары подразделяются на устройства ближнего, среднего и дальнего действия.

Выбор радара зависит от ряда факторов: функциональных требований, ограниченного места для монтирования датчиков, стандартизации используемых радиочастот, стоимости компонентов и сборки, рыночных сроков.

Одно из главных требований к радарам дальнего действия – покрытие зоны до 150…200 м.

Принимая во внимание основное уравнение радиолокации для моностатического радара:

получаем, что Rmax пропорционален квадратному корню эффективной величины апертуры антенны A и квадратному корню частоты.

σ – степень отражения объекта
PTx – минимальная мощность для распознавания.

Таким образом, датчики дальнего действия предпочтительнее для моделей маленького размера. Но это требование не выполняет условия использования доступных по стоимости технологий микроволновых частот. Размер антенны 77-гигагерцового датчика дальнего действия можно уменьшить до размеров 50 х 50 мм2. Но даже при достаточной чувствительности высокая направленность антенны и низкий уровень бокового обзора необходимы в любом случае для решения проблемы дорожных ограждений и несущественных окружающих объектов на обочине дороги.

24-гигагерцовые радары
Радары ближнего действия не нуждаются в покрытии большой дистанции, поэтому для их использования предпочтительнее использовать низкие частоты, что в свою очередь, позволяет добиться снижения цены за счёт применения недорогой планарной конструкции антенн. Как правило датчики ближнего действия не определяют угловое положение обнаруженных объектов, и у них очень широкое покрытие бокового обзора.

Проблема измерения углового положения может быть решена за счёт применения дополнительных датчиков. Так, измерение угла и расстояния до помехи входит в алгоритм трилатерации. Компания Valeo-Raytheon разрабатывают датчик ближнего действия с многолучевой фазированной решёткой, в функционал которого также входит предоставление дуговых координат.

Для увеличения коэффициента направленного действия антенны и минимизирования помех, создаваемых на дорожном полотне, лучи направляются вертикально.

Радары ближнего действия могут использовать методы как импульсные (доплеровский импульс), так и непрерывного действия (CW, FMCW, FSK, FMCW и FSK). Также зачастую используются системы с рассеянным спектром. Например, у компании Delphi 17-гигагерцовый радар является фазово-кадровым CW радаром с BPSK модуляцией псевдо-помех (PN). Радар компании M/A-Com является импульсным. Компания Hella разрабатывает 24 ГГц UWB частотно-модулированный (FMCW) радар ближнего действия с узким покрытием, работающий в свободном диапазоне 24 ГГц ISM c предельной дистанцией в 70 м.

На данный момент радары 24 ГГц признаны оптимальным решением по соотношению цена-качества для радарных систем ближнего действия. 77-гигагерцовые радары

Главные компании-производители радаров, работающих на частоте 77 ГГц – ADC (дочерняя компания Continental Temic в сотрудничестве с M/A Com), Bosch, Delphi, TRW (Autocruise), Fujitsu Ten и Hitachi.

На рис. 1 представлен радар дальнего действия второго поколения от компании Bosch. Он был запущен в производство в 2004 году. Размеры системы составляют 74 х 70 х 58 мм3 (В х Ш х Г), в заявленный функционал входит полная система обнаружения и распознавания объектов и АКК. Схема радара включает в себя 4 питающих элемента (поликристаллы), прикреплённых напрямую к 4-м резонаторам (патчам) платы RF-диапазона, освещающих диэлектрическую линзу. Моностатический аналог датчика с цифровым лучом работает по принципу формирования одного передающего пучка и четырёх отдельных принимающих, которые частично накладываются друг на друга в азимуте, таким образом, достигается итоговое покрытие азимута в ±8 градусов, см. рис.1. Частотно-модулированный сигнал непрерывного колебания имеет форму треугольника.

Рис. 1 АКК компании Bosch (второе поколение)

Рис. 2 График приёма сигнала АКК компании Bosch (второе поколение)

Компания TRW также использует диэлектрические линзы, в то время как ADC (M/A COM) старается найти выгоды в складчатой конструкции с очень низким профилем датчика глубиной всего в 5 см. Другие компании (Delphi, Fujitsu Ten, Mitsubishi electric, Celsius Tech) прибегают к механическим средствам решения управления лучом. Хотя механические сканеры показывают весьма высокий процент обнаружения целей, они бывают слишком чувствительны и теряют со временем показатель надёжности. К тому же, они ограничены в использовании, учитывая дальнейшую тенденцию к миниатюризации устройств.

Радары с технологией «Digital Beam Forming» Радары фронтального обзора с технологией «Digital Beam Forming» (DBF) с 77-гигагерцевым частотным диапазоном были представлены впервые на рынке автомобилей в 2003 году японскими компаниями. Denso разработал бистатичный радар дальнего диапазона с планарными антеннами, который способен обнаруживать и распознавать объекты на расстоянии 150 м с углом обзора ±10 градусов. Девять 77 ГГц антенн-ресиверов объединены SP3T переключателями в одну полосу частот, см. рис. 3.

Рис. 3 Радар 77 ГГц компании Denso с технологией «Digital Beam Forming»

Рис. 4 Радар 77 ГГц компании Denso с технологией «Digital Beam Forming»

Радарный датчик дальнего действия CRDL компании Toyota с частотным диапазоном 77 ГГц, (см. рис 5-6) объединяет 3 одинаковые антенны-трансмиттера и 3 антенны-ресивера в одну частотную полосу и 9 принимающих цифровых каналов для DBF после разделения в цифровом блоке.

Рис. 5 Радар дальнего действия CRDL компании Toyota, работающий на частоте 77 ГГц

Рис. 6 Радар дальнего действия CRDL компании Toyota, работающий на частоте 77 ГГц

Методы оценки угловых положений Все общепринятые методы оценки угловых положений такие, как моноимпульсные техники (сравнение амплитуд и фаз полученных сигналов частично пересекающихся диаграмм направленности антенны (ДНА)) или фазовые методы и механическое сканирование действительно измеряют разрешающую угловую способность, но в пределах половины ДНА. Таким образом, угловое разрешение напрямую зависит от величины апертуры, ведь 3-децибеловый диапазон луча антенны с диаметром D и постоянным излучением приблизительно равен:

Таким образом, угловое разрешение для 77-гигагерцовых радаров дальнего действия обычно лежит в пределах от 2 до 5 градусов. Для увеличения этого предела стоит обратиться к пространственной обработке сигнала на основе подпространственных технологий. Принцип этих методов строится на разложении шумового подпространства из массива множества элементов антенны. Используя характеристическое число разложения автокорреляции можно узнать матрицу полученных шумов линейной антенны и сигнальное подпространство. Зная эти подпространства, можно оценить угловое положение.

В теории обработки матрицы сигналов хорошо известны алгоритмы MUSIC и ESPRIT. Научный сотрудник компании Bosch, Мартин Шнейдер, поставил серию экспериментов на основе этих алгоритмов для 24 ГГц радаров ближнего действия в 2002 году. Результаты оправдали себя [2]. В 2005 году Мартин Шнейдер провёл эксперименты для радаров, работающих на частоте 77 ГГц, с технологией «Digital Beam Forming» [1]. Основная задача этих исследований – выявить способы повышения эффективности функций обнаружения и распознавания объектов работы радаров 77 ГГц, используя метод или комбинацию методов для увеличения точности измерения углового разрешения.

На рис. 7 изображён один из радаров фронтального обзора на 77ГГц с линейной антенной, состоящей из 8-ми параллельных принимающих полос. Передающая антенна состоит из 4-х полос с сужающимся распределением питания, которое даёт низкий уровень боковой направленности антенны (приблизительно -27 дБ). Ширина пучка 3 дБ передающей антенны составляет 26 градусов, коэффициент направленного действия антенны – 20, 5 дБ.

Рис. 7 Бистатический радар фронтального обзора, работающий на частоте 77 ГГц, с 8-ю патч-антеннами ресивера и 4-мя антеннами трансмиттера (питание от разветвителя мощности) и технологией «Digital Beam Forming»

Другой радар фронтального обзора с расширенными массивами для дальнего обнаружения помещён в водонепроницаемый кожух и установлен на тестовый автомобиль, см. Рис 6. Первые результаты применения техник оценки параметров показаны на рис. 7. Отметки 1 и 2 означают оценку по алгоритму ESPRIT. Хотя половина спектра ДНА датчика с технологией «Digital Beam Forming» составила всего около 8,5 градусов, угловое разделение обеих машины менее 4 градусов, и никаких призрачных помех между объектами зафиксировано не было.

Рис. 8 Тестовый образец с 77 ГГц радаром (крупно в нижнем левом углу)

Рис. 9 Измерение углового положения на одинаковом расстоянии (радиус 4 м, боковое расстояние – 4 м.)

Заключение
На протяжении уже более 20-летней истории использования автомобильных систем активной безопасности радары и радарные системы показали себя очень многообещающей технологией. Они уже нашли своё применение в поддержке работы АКК, системах предупреждения аварий, автоматической парковке и мониторинге «мёртвых зон».

Низкочастотные UWB радары на 24 и 79 ГГц уже используются в машинах премиум-класса. Модели 24 ГГц радаров ближнего действия вышли на рынок в 2005 году и стали оптимальным вариантом для легковых машин. Низкочастотные датчики первого поколения не могли измерить угловое положение (кроме Valeo-Raytheon), но в новых образцах эта функциональность уже доступна.

Функциональность 77-гигагерцовых систем АКК расширена до такой степени, что включает даже возможность полной остановки транспорта. Данное нововведение, несомненно, упрочило позиции АКК на рынке. 77-гигагерцовый датчик нашёл применение не только для повышения комфорта поездки (АКК, Stop & Go), но и для систем предсказания угроз и активных систем безопасности. Точность и эффективность работы датчиков 77-гигагерцовых радаров совершенствуется и развивается, в частности, для снижения частоты ложных тревог и увеличения скорости времени реагирования. Согласно исследованиям, планарные антенны в сочетании с технологией «Digital Beam Forming» могут предложить интересные концепции 77-гигагерцовых радарных датчиков для предотвращения фронтальных аварий. Эти технологии могут стать массовыми в связи с уменьшением стоимости компонентов 77-гигагерцового радара и блоков обработки сигнала.

За счёт совершенствования технологии и снижения себестоимости радарные системы прочно обосновались среди прочих технологий автомобильной безопасности.

Но ещё больше перспектив кроется в сочетании радарных систем с другими датчиками систем помощи водителю. Радар может использоваться для реализации функций безопасного и комфортного вождения, включая датчики окружающей среды с обзором 360° для распознавания пешеходов, а также для обнаружения объектов вне зоны видимости водителя, ассистента смены полосы движения, датчиков бокового удара и системы предупреждения о возможном столкновении при движении с малой скоростью, автоматизированного вождения.

Источник: https://pdfs.semanticscholar.org/eced/be515c77be3922f35623a0b0cf15d6f382a5.pdf

Теги: bosch, crdl, denso, digital beam forming, автомобильные радары, радилокация, рлс