В предыдущей части статьи, было рассказано об основных принципах работы и особенностях проектирования радаров для применения в дорожной инфраструктуре. Теперь попробуем разобраться с радарами для автомобильного транспорта.

Основная задача

В АО «ПКК Миландр» идет разработка автомобильных радаров и интеллектуальной системы помощи водителю (Рисунок 1) Advanced Driver-Assistance Systems (ADAS), предназначенных для выполнения основных функций дополнительной безопасности:

• FCW – предупреждение о лобовом столкновении;

• AEBS – автоматическое экстренное торможение;

• ACC – адаптивный круиз-контроль.

Согласно классификации Society of Automotive Engineers J3016 существует шесть классов автономности системы помощи водителю ADAS (Рисунок 2). По данной классификации, совокупность уровней 0-2 можно определить как «контролируемое вождение» - водитель должен постоянно контролировать управление транспортным средством (ТС), в том числе, когда используются системы помощи водителю. Уровень 3 можно обозначить как «переходный» - водитель в праве не осуществлять непрерывный контроль, но должен взять управление над ТС в случае отказа системы помощи водителю. Совокупность уровней 4-5 считается «беспилотным управлением ТС» - водитель не осуществляет контроль над управлением ТС.

Как видно из таблицы, выбранные нами функции необходимы для обеспечения «Level 0» и «Level 1» как базовых уровней дополнительной безопасности. За 3,5 года жизни система ADAS Миландр трижды подвергалась кардинальным изменениям.. От «мы делаем только радар и так задача неподъемная, а блок управления и камеры разрабатывают партнеры» в «мы делаем только радар и блок управления, хорошо, что камеры есть отечественные, эх.. жалко, что аналоговые» и, в конце концов, «мы делаем всё ура?». Про первый вариант системы рассказать почти нечего, про остальные варианты ускорим время и посмотрим, что получалось:

Думаю, «ВАУ эффекта» не произошло =) Если быть честным, – мы с коллегами тоже можем «подготовить красивые картинки как у других», с сегментатором и продвинутым детектором, будет «классно», но какой в этом смысл? Когда начинаешь общаться с теми, кто «уже закончил» и везде рассказывает про свою ADAS систему, оказывается, что она выполняется или на дискретных видеокарточках, или на одном из поколений Jetson. Хорошо, конечно, и уверен где-то это применимо, но не в автотранспорте, где требования к системе - это ISO26262, температурный диапазон от -40 до +85 и серьёзные механические воздействия по ISO 16750 (если интересно, то отечественный стандарт пока в рассмотрении ПНСТ 413—2020)..

А статья, о чем?

Простите, давайте вернемся к радарам.. Сразу оговорюсь про последние технические решения я написать не могу.. но напишу про предпоследние, что тоже интересно. Есть два основных направления - это 24 и 77 ГГц.

По ГКРЧ (РЕШЕНИЕ от 7 мая 2007 года N 07-20-03-001 «О выделении полос радиочастот устройствам малого радиуса действия» с дополнениями) разрешены полосы 24.05-24.25 ГГц и 76.0-77.0 ГГц ( и отдельно 77.0-81.0 ГГц) допустимо использовать все три диапазона. Основным преимуществом использования диапазонов 76-77 ГГц или 77-81 ГГц является – пропорциональное увеличение разрешающей способности радара, по сравнению с диапазоном 24,05 – 24,25 ГГц (в пять раз при использовании диапазона 76-77 ГГц и в двадцать при использовании раз диапазона 77-81 ГГц) Рисунок 7.

Правда тут не всё так просто.. как мы знаем, промежуточная частота f_if складывается из двух компонентов: доплеровского сдвига частоты, зависящего от скорости объекта:

 и разностной частоты, вызванной временной задержкой:

Соответственно, если пренебречь влиянием скорости объекта, легко заметить, что при изменении ширины полосы f_BW излучаемого сигнала в двадцать раз, разностная частота f_if , для той же дальности, увеличится также в двадцать  раз.. Так как мы ограничены частотой семплирования АЦП, увеличение ширины полосы f_BW излучаемого сигнала приводит к снижению максимальной дальности обнаружения радара (так как это никак не связано с радиолокацией, в описаниях на радары иногда встречается понятие «инструментальная» дальность). "Но что тут сложного? Возьмите АЦП побыстрее" - согласен, логично, но, как правило, АЦП далеко не один (для типовых решений нужно от 4 до 8 штук) и обычно они уже встроены в специальный процессор, имеющий ускоритель радарных вычислений (так заметно дешевле). А, если при увеличении f_BW нет смысла гнаться за максимально возможной дальностью, то можно по-другому спроектировать антенную решётку (АР), изменить зоны обзора и т.д. Из этого и появились популярные аббревиатуры: LRR (Long Range Radar), SRR (Short Range Radar), USRR (UltraShortRange Radar).

Современные радары имеют несколько секторов обзора и, как правило, содержат несколько приёмных и несколько передающих антенн. Пару лет назад, у многих технических специалистов нашего направления появилась твердая уверенность, что все автомобильные радары умеют строить трёхмерную картинку дорожной обстановки. Причиной стала популяризация термина 3D Hight Definition (3DHD) Radar одной из немецких компаний. Но всё не так просто, вернее, они имели в виду немного другое, привожу описание их документации.

Получается, что 3DHD радар — это просто LRR, рассмотренный ранее. Тут нужно дать пояснение: радары, позволяющие измерить Elevation Angle объекта, действительно существуют, данную возможность реально попробовать, добавив ещё один передатчик (это решение, которое я видел чаще других, в серийных изделиях), и вы сможете сами ощутить все плюсы и минусы такого измерения.. но, если в двух словах, то в серийных LRR радарах данная возможность не используется там и на более важном экономят, используется данное решение для проектирования радарных датчиков BSD и более продвинутые варианты уже под нужды Level 3 и Level 4 (но в своём автомобиле мы увидим эти системы через 15-20 лет, серийного их выпуска, сегодня, я не встречал.)

С терминологией разобрались.. рассмотрим подробнее АР, для примера привожу несколько вариантов импортных аналогов.

Вариант 1 и Вариант 2 - это настоящие серийные LRR радары, Вариант 3 - это «прогрессивный» LRR радар, но серийно он не производится. Как видно используется везде один и тот же подход, но с вариациями.. Чтобы понять почему именно так нужно посмотреть Рисунок 8. Основная задача LRR радара - видеть максимально далеко в узком угле обзора (дальняя зона) и достаточно далеко в широком угле обзора (ближняя зона). Соответственно, нужно минимум два передатчика - с узкой диаграммой направленности (ДН) и широкой.

Для Варианта 1 ДН передатчика - дальняя зона, примерно(~), 20 градусов, ближняя зона составляет ~50 градусов. Для Варианта 2 ДН передатчика - дальняя зона составляет ~10 градусов, ближняя зона ~50 градусов. Для Варианта 3 ДН передатчика - дальняя зона составляет ~10 градусов, ближняя зона ~85 градусов (потому что это MIMO и в каждый момент времени работает один из трёх передатчиков ближней зоны). Расчеты значений углов указаны без амплитудных распределений, так как в передатчиках это, обычно, не используется.. На 77 ГГц относительно небольшое амплитудное распределение обычно получается автоматически из-за потерь в диэлектрике, а оставшиеся боковые лепестки ДН не сильно мешают так как ДН приемника может быть правильно сформирована цифровым способом.

На приёмниках ДН уже интереснее.. Для Варианта 1 ДН центрального луча приемника - дальняя зона, примерно, 8,5 градусов, ближняя зона составляет ~25 градусов. Для Варианта 2 ДН центрального луча приемника - дальняя зона составляет ~6,4 градусов, ближняя зона ~25 градусов. Для Варианта 3 ДН центрального луча приемника - дальняя зона составляет ~7 градусов, ближняя зона ~12 градусов (информация от производителя).

Почему именно так?.. Варианта 1 дальняя зона использует все приёмные элементы (8 каналов приемника), так как угол сканирования, который необходимо обеспечить по азимуту, достаточно небольшой (в данном случае, скорее всего, даже меньше диаграммы передатчика). Ближняя зона использует 4 центральных приёмных подрешетки, используются 4 канала приёмника. Так получается, потому что угол сканирования, который необходимо обеспечить по азимуту, должен быть порядка от -45 до +45 градусов, значит, шаг, между фазовыми центрами приёмных элементов, должен быть в половину длины волны, а крайние (два слева и два справа) элементы этому условию не соответствуют. Хочу сразу обратить внимание, что от -45 до +45 градусов у них не получится, а получится от -30 до +30 градусов, так как передатчик ближней зоны всего 50 градусов и суперпозиция боковиков передатчика и приёмника будет порождать слишком много ложных целей.. мне можно не верить! наши "грабли" всегда в свободном доступе =)

Варианта 2 - дальняя зона использует 4 крайние справа приёмные подрешетки и 4 канала приёмника, ближняя зона - 4 крайние слева приёмные подрешетки и 4 канала приёмника. Здесь всё аналогично Варианту 1, только энергетика намного лучше. Если бы они расположили приёмники ближней зоны между приёмниками дальней зоны, как в Варианте 1, можно было бы их тоже задействовать при диаграмоформировании, но, скорее всего, в таком случае, их вычислитель не справлялся с возросшим в два раза потоком данных, а энергетики в Варианте 2 и так достаточно. 

Вариант 3 прекрасен=) Производитель сообщает, что использует 4 приёмные подрешетки и 4 канала приёмника, как в ближней, так и в дальней зоне, и дополнительно имеет возможность измерения угла по вертикали.

Вариант 1 и Вариант 2 - это классические LRR радары.. Классические они потому, что обычно мы ограничены вычислительными ресурсами и выпускаемыми СВЧ микросхемами. Если конкретнее, то процессор должен быть массовым, недорогим, иметь группу по ASIL и быть специализированным под радарные вычисления. Микросхемы СВЧ должны содержать ГУН, МШУ, квадратурные смесители, ФАПЧ, программируемые усилители передатчика и приёмника.. Разработчики радаров весьма ограничены в выборе и того и другого..

Сегодня, в 90% радаров используется одна компания - производитель DSP вычислителей и одна компания - производитель микросхем СВЧ. Если быть до конца честным, то нельзя сказать, что везде стоит один и тот же процессор. У каждого из производителей радаров используется своя уникальная серия процессоров, но производитель один.. с СВЧ всё почти аналогично. В данных DSP процессорах 8 отдельных каналов АЦП и именно поэтому приемных СВЧ каналов тоже 8.

Концепция MIMO действительно уже много, где применяется, но не так радикально, как в Варианте 3. Потому что «виртуальные» приёмные каналы действительно дают возможность получить очень узкую ДН, но суммарная энергетика радара (дальность действия) страдает, так как заметно проседает апертура приёмной антенны. Дополнительно на вычислитель радара возлагаются повышенные требования по хранению в памяти всех «виртуальных» каналов, пока они формируются, в данном случае, 8 «виртуальных» каналов из 12 участвующих в построении ДН дальней зоны. В последних версиях DSP процессоров даже появилась функция архивации данных.

Пока мы затронули тему архитектуры радара, так и напрашивается вопрос: "а у Вас так же сделано?" Нет.. у нас свой путь Причина в том, что почти изначально была поставлена задача разработки собственного DSP процессора, оптимального для построения рассмотренных ранее радарных датчиков. Но возникает вопрос: "а что считать оптимальным решением?" Работа по производству велосипедов закипела. Сейчас уже понятно, что к чему, а в начале пути шишек было собрано не мало. Начали мы с четырех ядерного вычислителя на процессорах 1967ВН028, 16 каналов АЦП  и очень производительной ПЛИС - потребляемая радаром мощность составляла почти 20 ВТ. На четыре процессора 1967ВН028 были возложены задачи цифрового формирования лучей ДН АР, пороговый анализ, измерение первичных параметров цели (скорости и координат), устранение ложных отметок и траекторное сопровождение целей. В качестве периферийного микроконтроллера выбран 1986ВЕ1Т, который обеспечивал взаимодействие с внешними устройствами по шине CAN и, при необходимости, Ethernet.

Сейчас мы пришли к двухядерной архитектуре, 8 каналам АЦП и простенькой ПЛИС (Рисунок 14). Сделано всё именно так, потому что основная идея данного решения в том, что все АЦП, код ПЛИС, два процессора и периферийный микроконтроллер превратятся в одну микросхему DSP процессора с ускорителем радарных вычислений. Кстати, архитектуру мы разрабатывали совместно с компетентными в разработке военных РЛС коллегами из Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева.

Вернемся к АР и рассмотрим внимательнее излучаемые сигналы, основным используемым типом сигналов является Fast FMCW. Основная причина отказа от обычного FMCW вызвана неоднозначностью в разделении компонентов обусловленных скоростью и дальностью при использовании длительного периода Т излучаемого сигнала. С этой проблемой борются снижением длительности периода излучаемого сигнала до таких значений, когда значительная скорость приводит к незначительному изменению дальности. Например, мы долгое время использовали в наших радарах длительность излучаемого сигнала 70 мкс, тогда частота первого бина FFT по дальности составит ~14 285 Гц, в таком случае при скорости 100 км/ч 

или, другими словами, каждые 100 км/ч искажают измерение дальности всего один бин FFT или, в нашем случае, на 0,5 метра.

Но тут тоже не всё так просто.. от качества излучаемого сигнала зависят многие практические характеристики. Например, нелинейность частотной модуляции приводит к расширению спектра цели, фазовый шум излучаемого сигнала значительно повышает уровень шумов АЦП, а быстрое перестроение ГУН вызывает выход частоты из разрешенного диапазона.

При измерениях на 77 ГГц мы сейчас используем анализатор спектра UXA N9040B (с опцией расширения полосы принятого сигнала и гармоническим смесителем M1971E), измерительная рупорная антенна П6-135, безэховая камера (аттестат № 10/133/1179 В), программное обеспечение VSA 89601B (+опция FMCW radar).

Рассмотрим пару моментов..

Шум передатчика, вызванный наводками модуля вычислителя на схему питания СВЧ микросхемы, - при работе с радаром это повлияло на снижение уровня шума АЦП на 14,3 дБ.

В следующем варианте из-за неправильной настройки ФАПЧ в радаре на 24 ГГц периодически появлялся «отстрел» несущей частоты вниз по диапазону.

В результате получилось настроить наш 77 ГГц радар на необходимые для корректной работы параметры -без перерегулирования, с минимальной паузой стабилизации частоты 2.59 мкс и достаточно низкой ошибкой частоты FMCW сигнала (отклонением реального FMCW сигнала от идеального ЛЧМ).

Проблемы возникают разные, но разработать тракт передатчика и АР на 77 ГГц непринципиально сложнее, чем на 24 ГГц. Главное, чтобы были все необходимые измерительные приборы, средства проектирования и желание сделать что-то хорошо. Чем уже ДН передатчика дальней зоны, тем легче. Про основные сложности, которые возникают при проектировании широкой ДН передатчика ближней зоны, я рассказывал в прошлой статье.

Есть ещё один важный нюанс, который узнаёшь уже после того, как радар на 77 ГГц изготовлен и собран, – это разброс технологических параметров производителя печатных плат.. Важно, что это касается любого производителя, просто у всех разные «особенности», а длина волны всего ~3,9 мм.. Основные сложности, с которыми мы столкнулись: недостаточное или избыточное травление внешних слоёв металлизации. И речь сейчас именно об отклонениях от заявленных производителем норм «типового» для них производства..

Дополнительно, компания Rogerscorp не характеризует диэлектрическую константу (Dk) на свои популярные материалы выше чем 50 ГГц, а по стандарту IPC для печатных плат они должны проводить измерения только на 10 МГц.

По этой причине многие импортные производители АР встраивают тестовые структуры (определения диэлектрической константы - по частоте резонанса) в каждое изделие и проводят дополнительный входной контроль до начала сборки СВЧ модуля радара. Это крайне затратная мера, но, судя по всему, она себя оправдывает при крупно серийном производстве (несколько сотен тысяч изделий в год).

К сожалению, не получается успеть включить в данную статью ответы на вопросы о цифровом формировании лучей приёмной АР и построения модели приёмного тракта радара, но, думаю, это достаточно интересный материал для следующей статьи.

Спасибо, что дочитали..

Все материалы, использованные в статье, найдены на просторах сети интернет.