雷达安全问题

雷达安全，这一鲜为人知的问题正在成为驾驶员辅助和高级自动驾驶车辆的潜在致命弱点。雷达信号会相互干扰。

雷达已成为与CMOS成像摄像头互补的必不可少的传感方式。雷达能在所有天气条件下工作，并可提供一系列自动驾驶功能，包括AEB。但如果雷达像Ghostbusters的粒子加速器那样横穿彼此的粒子流，它们可能就会失败或出现故障。

尽管这尚未成为OEM会公开警告或驾驶员普遍感知的现象，但在拥挤的环境中运行的汽车雷达将面临严重的干扰。

雷达的应用范围可以覆盖ACC、BSD到FCW和智能停车辅助系统。360度视野的车辆，它需要短程和远程雷达芯片。AEB通常会使用雷达（全天候），有时还使用激光雷达和摄像头来检测即将发生的碰撞事故。

AEB在全球市场上的迅速发展已成为雷达供应商的一把双刃剑。既值得高兴，也令人担忧。

例如，C-NCAP已要求2020年之后上市的卡车搭载AEB。从今年开始，日本的新车也必须搭载前后向的AEB。在美国，已有20家OEM同意自愿提出“到2022年，新汽的AEB搭载率达到100％”。面对E-NCAP 2019年的要求，在欧洲售出的车辆中，90％已经配备了最新的防碰撞技术。

恩智浦预计，到2030年，汽车雷达的普及率将跃升至55％。在最近的采访中，恩智浦的ADAS和V2X的高级产品营销经理Huanyu Gu警告说：“当多个雷达以相同或重叠的频率同时发射，以及共享一条共同的可见路径时”，雷达干扰是不可避免的。

并非只有恩智浦对此感到担忧。ST的ADAS和ASIC部门总经理Martin Duncan也说：“事实上，我们现在有25％的新车都装有雷达系统，这已经是一个问题。如果你尝试实时捕获路况，很容易看到多辆车的发射。由于我们都使用相同的频段，因此随着搭载率的提高，这种情况可能会恶化。”


主动安全和辅助驾驶系统的多雷达传感器部署示例（Kissinger，2012）

雷达拥堵的原理很简单。NHTSA在2018年9月发布的“雷达拥堵研究（Radar Congestion Study）”中写道：

雷达使用辐射信号的知识来识别回波，估计环境中物体的距离和速度。这些回波不是原始信号的完美复制，而是对信号产生建设性和破坏性干扰的多个回波之和。重要的是要理解，雷达探测物体的返回会发生波动，尤其是当场景中的相对距离、纵横比和其他物体发生变化时。由于多个雷达在近距离和多个散射源的环境中运行，每个雷达的性能随着干扰水平的上升而下降。

这可能会导致安全性问题。VSI Labs的Phil Magney指出，“最坏的情况是雷达干扰造成的致命事故，如今，无论根本原因是什么，都已经在雷达堆栈中增加了针对误报的过滤功能。”

雷达行业已受到警告

配备雷达的车辆越多，每个雷达必须学会更快地应对其他雷达的出现。雷达供应商面临着压力。



雷达干扰几乎不是雷达搭载率增加的意外结果。汽车工业已被警告。十多年前，欧洲组建了一个名为MOSARIM（More Safety for All by Radar Interference Mitigation）的项目，并于2012年发布了一份报告。该项目调查了“车载雷达相互干扰以及有效对策和缓解技术的定义和阐述。”

最近，NHTSA进行了“雷达拥堵研究”，在建模和模拟雷达干扰时要注意两个问题：

•  给定雷达从其他雷达的发射器接收多少功率？

•  这如何影响碰撞预警系统的性能？

该报告的结论是：

…… 在其他雷达很少的环境中运行良好的系统在雷达拥挤的环境中可能会严重降低性能。研究结果表明，在拥挤的环境中，基于当前系统运行的干扰水平将非常显着。在许多车辆使用76-81GHz波段雷达的情况下，其他雷达的功率可能会比特定性能所需目标的回波功率高几个数量级。

雷达之间协作？

因此，该行业十年前就知道雷达拥堵问题的迫切性了。他们采取了哪些行动？

有了这么长的准备时间，你可能希望OEM和Tier 1开发出一种强大的策略来避免干扰。你可能会想到会有一种雷达，它可以动态调整波形参数来避免干扰。

这不是什么深奥的科学。雷达领域有能力借鉴电信行业已经部署的相似的信道访问规则（例如TDMA、FDMA和CDMA）。恩智浦的Gu说，这种“listen-before-talk”的方案应能使雷达之间进行更结构化的通信。

不幸的是，这并不是业界所采用的缓解干扰的方法。除了汽车雷达使用相同的波段（76-81GHz）外，雷达界没有任何规定。Gu指出：“雷达波形参数未得到调节。”

行业协议、标准化和法规等从来都不是汽车行业的DNA。

Gu说，目前普遍采用的一种方法是“通过在时间或频率上随机化发射信号来限制干扰”。Gu承认这种随机化背后的不合理性，Gu说：“今天，盲目地这样做当然很好，尤其是在路上没有那么多雷达的情况下。但如果要提高雷达对干扰的鲁棒性，则必须寻求雷达之间的协作。”

但这需要监管。

尽管如此，恩智浦在自己的雷达干扰白皮书中得出以下结论：

最终，为了支持较高的市场渗透率，需要制造商之间达成某种形式的协议，以便以公平的方式更有效地共享传感资源。这最后一步意味着市场上的所有参与者都必须坐在一起，定义访问通道的标准化方法，同时保持具有差异化传感性能的可能性。

全部免费

独立汽车行业资深分析师Egil Juliussen指出，雷达一直以来都是“所有人都免费”的。他解释说，为了追求创新，雷达公司通常倾向于开发新的专有算法，这些算法可以在与传感器芯片相关的DSP或MCU上运行，以便其雷达可以提高成像分辨率并减轻干扰。

换句话说，对于汽车行业而言，在雷达干扰问题上投入更多的信号处理是比任何行业协议或法规都更可取的方法。



一种带有DSP、发射器和接收器前端的雷达。干扰技术可以分为避免前端饱和的技术、数字化处理干扰的技术，以及在干扰实际发生之前避免干扰的技术（Source：NXP）

在采访中，恩智浦的Gu提出了三种不同的减轻雷达干扰的方法：1）避免前端出现饱和；2）通过识别和消除数字域中的干扰来管理数字干扰；3）通过动态调整波形参数来避免干扰。

第三种方法已经被认为是目前77GHz频段中最不可能被采用的。Gu解释说：“人们认为为时已晚，因为我们已经安装了太多雷达，而这些传感器无法协作。”他补充说，该方案“未来可以应用到140Ghz，如果这个频段可以用于雷达。”

第一种方法（更有可能的方法）是设计避免前端饱和的技术。在这里，可以接收至少一部分有用信号，并采取适当的对策。“你可以通过为雷达接收器提供两种不同的增益设置来做到这一点”，Gu说。或者，该系统可以包括“空间归零”，其中前端使用多个天线在产生干扰的方向上使其自身蒙蔽。Gu解释说，这种方法试图在干扰信号饱和之前消除干扰信号。

像恩智浦这样的雷达芯片供应商倾向于将重点放在处理数字域中的DSP中的干扰上。“当然，它的先决条件是实际上所需信号不会被强信号掩盖”，Gu说。

在确定干扰信号相对较弱之后，可以将其与有用信号一起数字化，而不会导致前端饱和。

但根据恩智浦的说法，首先是要识别信号是否被破坏，说起来容易做起来难。这样做的技术取决于被干扰的雷达和干扰的特定雷达波形。由于当今的法规框架允许采用不同的方法来构建雷达波形，因此每个雷达制造商都选择了自己的方法，使过程变得多样化和棘手。

汽车雷达的实际标准是调频连续波（FMCW）雷达。FMCW提供了相对简单而优雅的非常好的性能。据恩智浦称，它利用低带宽ADC覆盖了大带宽，并提供了对目标速度的可靠估计。但也有一些需要注意的地方。

不同的制造商使用FMCW波形的不同参数设置来区分其产品特性，并涵盖不同的应用要求。例如载波频率、带宽、线性调频脉冲持续时间、采样时间、感知周期的持续时间以及在感知期间改变参数的不同方式。

概述一下，雷达首先需要识别是否存在干扰源。干扰的检测通过识别外来信号的独特特征实现。一旦检测到干扰，系统算法就必须尽可能从接收信号中完全消除干扰，同时不能破坏或消除有用信号。

这些都不会让雷达领域的任何人感到惊讶。Gu说：“市场上有教科书上的信号处理算法，并且已经被业界使用。”

他指出，教科书上的算法也有局限性。“它们通常仅限于处理低相关干扰。而且它们也只能处理非常有限的干扰，一次只能一两种。”

恩智浦的目标是进一步开发其差异化的高级数字信号算法来消除干扰。

ST正在研究自己的方法。Duncan说：“如果你知道雷达的啁啾声意味着什么，则可以轻松过滤/忽略虚假信号。也可以在啁啾之间引入特征。”

但是，Duncan补充说：“如果对传输的内容进行更多的标准化/共享，将有助于消除不必要的信号的对策。”

感受到雷达干扰了吗？

NHTSA提出了几种模拟雷达拥堵中可能出现的干扰。

•  对于在两车道高速公路上行驶的交通情况，假设雷达使用随机选择的载波频率，NHTSA预测：“汽车雷达会遇到来自其他雷达的功率，远大于跟踪其他车辆所需的自身发射的回波。干扰比系统指定的参考目标的典型回波大四个数量级，或接近40dB。”

•  在面向后方的雷达中（例如在BSD系统中），“这些单元很容易受到使用更高功率和天线增益的前避撞雷达的直接影响。”这项研究说：“我们的分析表明，这些装置可能会受到来自前避撞雷达的干扰功率，该干扰功率比来自其指定参考目标的反射要大将近五个数量级（即50dB）。”

但是，到目前为止，还没有在现实世界的道路上感受到雷达的影响。

VSI Labs的Magney说：“雷达到雷达的干扰仍然是个未知的问题，而且作为几乎每天都在使用雷达的应用研究人员，VSI不能说我们曾在公共道路上进行测试时遇到过另一辆车的雷达对雷达的干扰。”他补充说：“我们可以假设我们处于暴露状态，因为当今道路上有如此多的车辆混合使用了短距到长距离的雷达。”

在前不久特斯拉第一季度的财务电话会议上，Elon Musk重申了特斯拉要放弃使用雷达的计划，从而解决雷达干扰的问题。

但其他OEM、Tier 1和汽车技术供应商是不会放弃雷达的。

VSI的Magney强调，雷达尤其重要，因为它们适用于许多恶劣气候条件。“雷达是最具成本效益的ADAS传感器之一，在未来的几年中，渗透率将急剧增长。”



[参考文章]
Radar Safety Warning: ‘Don’t Cross the Streams’ — Junko Yoshida