Radar z rozproszoną aperturą: nowa era w detekcji pojazdów

Radar z rozproszoną aperturą: nowa era w detekcji pojazdów

Radar z rozproszoną aperturą (distributed aperture radar, DAR) ma zmienić zasady gry w świecie technologii radarowej. DAR wykorzystuje wiele małych czujników radarowych, które współpracują ze sobą jak jeden, spójny system, tworząc dużą ‘wirtualną’ aperturę. Spójne połączenie czujników DAR eliminuje ograniczenia sprzętowe dotyczące rozmiaru apertury, osiągając doskonałą rozdzielczość kątową przy znacznie niższym zużyciu energii niż pojedynczy duży czujnik zawierający tysiące anten. Duża wirtualna apertura DAR zwiększa rozdzielczość azymutu do 0,5 stopnia lub mniej. Ten stopień precyzji jest w stanie wyselekcjonować znajdujące się blisko obiekty, co jest kluczowe dla detekcji na duże odległości, szczególnie przy dużych prędkościach.

Rozmiar systemu radarowego jest bezpośrednio związany z jego wydajnością: większe radary mają większą aperturę, co przekłada się niemal bezpośrednio na wyższą rozdzielczość. Stanowi to wyzwanie we współczesnej motoryzacji, gdzie przestrzeń jest ograniczona ze względu na ograniczenia montażowe i komponenty cyfrowe. Wyobraźmy sobie konwencjonalny radar dalekiego zasięgu z tysiącami wirtualnych kanałów, który teoretycznie może oferować wysoką rozdzielczość detekcji, ale zajmuje dużą powierzchnię. Oprócz ograniczeń montażowych, integracja tak wielu kanałów zwiększa zużycie energii i koszty.

Radar konwencjonalny versus radar DAR

Konwencjonalny paradygmat projektowania radaru polega na zwiększaniu liczby kanałów antenowych, które można zintegrować w jednym czujniku. Tradycyjne radary średniego zasięgu (MRR) z 12-16 kanałami wirtualnymi ewoluowały w kierunku radarów dalekiego zasięgu (LRR) z ~200 kanałami wirtualnymi (wchodzą one dopiero do produkcji). Obecnie na rynku pojawia się nowa generacja radarów obrazowych z ponad 1.000 kanałami.

Alternatywną technologią radarową jest radar z rozproszoną aperturą (DAR), którego pionierem jest firma Zendar. DAR wykorzystuje wiele prostych czujników, działających spójnie, aby uzyskać bardzo dużą aperturę przy użyciu niewielkiej liczby kanałów (30-60). Rozproszona apertura nie jest ograniczona rozmiarem pojedynczego czujnika, dlatego możliwe są bardzo duże wirtualne apertury rzędu 50–80 cm.

Kluczowymi wskaźnikami wydajności radaru, które określają jego użyteczność w warunkach rzeczywistych, są dokładność kątowa i rozdzielczość. Fizyka radaru pokazuje, że najsilniejszym czynnikiem determinującym te wskaźniki efektywności jest apertura czujnika, a nie liczba kanałów. DAR jest wyjątkowy ze względu na możliwość uzyskania dużych apertur przy użyciu małych czujników – otwierając nowe możliwości dla radarów w branżach takich jak motoryzacja i pojazdy autonomiczne, gdzie rozmiar czujnika stanowi ograniczenie projektowe.

Rysunek 1: Standardowe i wysokorozdzielcze wykrywanie radarowe.© NXP

Dokładność kątowa to kluczowa specyfikacja radaru nowej generacji

Jak już zaznaczono, dokładność kątowa i rozdzielczość to kluczowe parametry systemu radarowego. Rozważmy często spotykaną sytuację na drodze: samochód zatrzymał się przy barierce ochronnej na pasie awaryjnym autostrady, a kierowca wysiada z pojazdu. W takiej sytuacji czujnik radarowy musi być w stanie:

• Rozróżnić samochód od barierki i człowieka od obu. Do oddzielenia tych dwóch obiektów wykorzystuje się zarówno rozdzielczość zasięgu, jak i azymutu.
• Określić, czy samochód znajduje się całkowicie na pasie awaryjnym, czy częściowo na pasie ruchu. Dokładność kątowa radaru decyduje o tym, jak precyzyjnie można oszacować położenie samochodu.
• Wszystkie te czynności muszą być wykonywane z odległości ponad 150 m, aby można było podjąć decyzję, czy i jak bardzo zwolnić lub zmienić pas ruchu, aby bezpiecznie wyprzedzić zatrzymany samochód i kierowcę.

Bezpieczne poruszanie się w tym scenariuszu wymaga następujących parametrów radaru:

• Rozdzielczość azymutu < 0,4 stopnia (odległość 1 m między samochodem a barierą ochronną w odległości 150 m)
• Dokładność azymutu < 0,04 stopnia (błąd 10 cm w oszacowaniu położenia samochodu)

Jeśli którakolwiek z tych specyfikacji nie jest spełniona, nie można ufać sygnałowi wyjściowemu radaru w zakresie realizacji funkcji kierowania. W starszych systemach radarowych, takich jak adaptacyjny tempomat (adaptive cruise control, ACC), istotna była jedynie rozdzielczość kątowa. Jednak dla funkcji poziomu L2 i wyższych dokładność staje się krytyczna. Na przykład, jeśli dokładność kątowa nie jest wystarczająca, nie możemy stwierdzić, czy zatrzymany samochód znajduje się bezpiecznie poza torem jazdy, czy też częściowo go blokuje. Podobnie, bez wystarczającej dokładności nie możemy odpowiednio wykryć i zlokalizować kierowcy pojazdu, gdy wysiada i obchodzi pojazd lub stoi w pobliżu. W powyższym scenariuszu człowiek i samochód są oddzieleni maksymalnie o 0,1–0,4 stopnia (25–100 cm).

Rysunek 2: Różnice rozdzielczości obrazu przy zastosowaniu DAR oraz tradycyjnych radarów. © Zendar

Apertura decyduje o kluczowych parametrach radaru

Przechodząc do fizyki radarów, wszystkie te ważne parametry są określane przez aperturę systemu radarowego. Rozdzielczość dowolnego systemu detekcji jest określana przez kryterium Rayleigha, które stwierdza, że rozdzielczość jest proporcjonalna do długości fali (λ) podzielonej przez aperturę czujnika (D). Niezależnie od zastosowanego algorytmu detekcji lub przetwarzania kątowego, system radarowy o większej aperturze zawsze będzie miał lepszą rozdzielczość niż system o mniejszej aperturze.

Dokładność oszacowania kąta jest określana przez ograniczenie Cramera-Rao (CRB) - w odniesieniu do czujnika radarowego, CRB zależy od stosunku sygnału do szumu (SNR) i apertury.

Dokładność kątowa w bardzo dużym stopniu zależy od apertury. Ponownie, niezależnie od algorytmów przetwarzania, system radarowy o większej aperturze będzie znacznie lepszy od systemu o mniejszej aperturze.

Ujęcie dynamiczne

Dodatkowym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę w powyższym scenariuszu, jest różnica w współczynniku odbicia między człowiekiem a pojazdem lub barierą ochronną. Aby zidentyfikować mniejszy obiekt (człowieka) w obecności obiektu większego (pojazdu lub bariery ochronnej), czujnik radarowy musi mieć odpowiedni zakres dynamiki

Co kluczowe, ponieważ wszystkie te cele są rzeczywistymi obiektami, czujnik radarowy oddziela je od siebie jednocześnie pod względem zasięgu i azymutu. Ponieważ nowoczesne czujniki radarowe są w stanie wykorzystać zasadniczo całe pasmo 76-77 GHz, mogą osiągać rozdzielczość zasięgu 20 cm. W rezultacie, w przypadku wszystkich konfiguracji docelowych badanych obiektów, rozdzielczość zasięgu jest wystarczająca do ich oddzielenia jako odrębnych obiektów. Co więcej, w wielu czujnikach radarowych osiągalny jest zakres dynamiki rzędu 60 dB. Podsumowując, zasięg radaru w dużej mierze przyczynia się do zdolności do separacji. Należy jednak dodać, że dokładność kątowa również odgrywa istotną rolę. Dwa obiekty mogą być oddzielone w zakresie zasięgu, ale jeśli ich położenie zostanie słabo oszacowane i tak pojawią się jako jeden obiekt w chmurze punktów. Mając na uwadze powyższe rozważania, najbardziej istotną specyfikacją zakresu dynamiki jest łączna separacja zasięgu i azymutu.

Rola SNR i liczby kanałów

Powyższa dyskusja koncentrowała się na roli apertury w określaniu wydajności systemu radarowego. Prawdą jest, że SNR (signal-to-noise ratio) i liczba kanałów również mają znaczenie. Wyższe SNR poprawiają wykrywalność i zdolność separacji celów oraz zmniejszają błędy w estymacji parametrów. Jedną z potencjalnych korzyści wynikających z większej liczby kanałów, w zależności od schematu multipleksowania, jest wzrost SNR. Drugą korzyścią z dodania kanałów jest uproszczenie przetwarzania kątowego, na przykład poprzez zmniejszenie poziomu płatów bocznych (Pojęcie to odnosi się do lokalnego maksimum w charakterystyce promieniowania anteny, które nie jest głównym płatem promieniowania. Innymi słowy, to słabsze wiązki promieniowania, które wychodzą z anteny w innych kierunkach niż główna wiązka), co pozwala na zastosowanie prostszych algorytmów detekcji. Natomiast rzadsza geometria anteny systemu DAR wymaga bardziej zaawansowanych algorytmów detekcji i estymacji parametrów.

Jednak z teorii radaru jasno wynika, że apertura jest wciąż najważniejszym czynnikiem decydującym o rozdzielczości i dokładności. Specyfikacje te w niewielkim stopniu zależą od SNR i liczby kanałów. Dlatego, chociaż nadal ważne jest dokładne zaprojektowanie radaru pod kątem wysokiej czułości, sensowne jest wybranie architektury systemu skoncentrowanej na aperturze, a nie na kanale. DAR to jedyne podejście do projektowania systemów radarowych skoncentrowane na aperturze. Projektanci systemów dobierają liczbę czujników i ich rozmieszczenie, aby uzyskać pożądaną aperturę w oparciu o specyfikację radaru docelowego i wymagania pojazdu. Ponieważ apertura jest określana przez odstęp między czujnikami, a nie przez ich rozmiar, nie jest ona ograniczona żadnymi ograniczeniami sprzętowymi. W rzeczywistości, dzięki podejściu DAR, w przyszłości będzie można tworzyć apertury rzędu 1 m lub większe.

DAR jest bardziej opłacalny niż monolityczne alternatywy

Oprócz zapewnienia najlepszej wydajności radaru, systemy DAR są znacznie bardziej opłacalne niż radary obrazowe. Radar obrazowy, koncentrując się na liczbie kanałów antenowych, podnosi koszty. Każdy kanał antenowy wymaga powierzchni krzemowej i płytki drukowanej, zużywa energię i generuje duże prędkości transmisji danych, które muszą być przetwarzane wewnątrz czujnika. Dodanie większej liczby kanałów zwiększa te źródła kosztów i złożoności. Podczas gdy każda poprzednia generacja radarów zużywała mniej energii i wykorzystywała mniej chipów niż poprzednia, radary obrazowe, paradoksalnie, odwracają te trendy.

W przeciwieństwie do tradycyjnych radarów, systemy DAR wykorzystują mniej kanałów i zamiast tego są ‘sprytnie’ rozmieszczone, tak aby zmaksymalizować aperturę. Maksymalizuje to wydajność radaru bez zwiększania kosztów.

DAR jest definiowany programowo

Wreszcie, DAR jest z natury definiowany programowo. Cały wzrost wartości i wydajności jest generowany przez oprogramowanie, które łączy czujniki radarowe. Dzięki temu DAR jest bardzo skalowalny – różne ustawienia i poziomy wydajności można wdrożyć wyłącznie programowo, bez konieczności projektowania nowego hardware. Podobnie, harmonogram rozwoju systemu i produktu można oddzielić od czasu potrzebnego na opracowanie i udoskonalenie nowego sprzętu. DAR wykorzystuje proste MRR, które są już produkowane w bardzo dużych ilościach i na bardzo wysokim poziomie dojrzałości, jako elementy składowe apertury. Wraz z wprowadzaniem nowych technologii sprzętowych, harmonogramy rozwoju sprzętu są łatwiejsze do oddzielenia od generacji platform pojazdów.

Przejście na rozwiązania definiowane programowo pomaga producentom OEM przyspieszyć cykle rozwoju rozwiązań ADAS i przyspieszyć aktualizacje produktów. Przewaga pojazdów definiowanych programowo będzie się pogłębiać z upływem czasu. Producenci OEM, którzy zdecydują się na rozwiązania radarowe definiowane sprzętowo, ograniczą swoje możliwości w zakresie L2+ do droższych modeli samochodów, co zniechęci do zakupu znaczną część potencjalnych nabywców. Ci, którzy zdecydują się na radary definiowane programowo, będą w stanie wprowadzić funkcjonalność ADAS z obecnych luksusowych modeli do niedrogich pojazdów i zdobyć większy udział w rynku.

Jaki pisze NXP, DAR ma potencjał przyspieszenia rozwoju systemów ADAS i zwiększenia dostępności autonomicznej jazdy. Jest prosty, wydajny i ekonomiczny, oferując producentom OEM możliwość skalowania funkcjonalności systemów ADAS w różnych pojazdach. NXP i Zendar są liderami technologii DAR, ulepszając systemy radarowe o wysokiej rozdzielczości do zastosowań motoryzacyjnych. Wykorzystując powszechnie stosowaną platformę procesora radarowego S32R od NXP oraz jednoprocesorowe układy SoC RFCMOS SAF8xxx, zaspokajają zróżnicowane potrzeby producentów samochodów. Oprogramowanie DAR firmy Zendar zostało zaprojektowane do działania na procesorach radarowych, takich jak referencyjny projekt PurpleBox firmy NXP oparty na S32R, zapewniając skalowalne i wydajne rozwiązanie dla rozproszonych systemów radarowych.

Zródła:

Boost Your ADAS Performance with Distributed Aperture Radar, autor: Karthik Ramesh © NXP

More Aperture or More Channels? The Path Forward for Automotive Radar © Zendar

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 11 września 2025. Zapisz się tutaj!