Signaalinterferentie brengt de veiligheid van autoradars in gevaar

Het weinig opgemerkte probleem van radarveiligheid komt naar voren als een potentiële achilleshiel van bestuurdersassistentie en sterk geautomatiseerde voertuigen:radarsignalen interfereren met elkaar.

Radar is een essentiële detectiemodaliteit geworden als aanvulling op CMOS-beeldcamera's. Radar werkt onder alle weersomstandigheden en maakt een reeks geautomatiseerde rijfuncties mogelijk, waaronder automatische noodremmen (AEB). Maar radars kunnen worden verijdeld of defect raken als ze, zoals de deeltjesversnellers van Ghostbusters, elkaars stromen kruisen.

Hoewel dit nog geen fenomeen is dat publiekelijk wordt gewaarschuwd door autofabrikanten of dat vaak wordt waargenomen door bestuurders, zullen autoradars die in drukke omgevingen werken, met aanzienlijke interferentie te maken krijgen.

Het toepassingssegment van Radar varieert van adaptieve cruisecontrol en dodehoekdetectie tot waarschuwingssystemen voor aanrijdingen en intelligente parkeerhulp. Om een ​​voertuig een 360-graden zicht te geven, heeft het zowel korte- als langeafstandsradarchips nodig. AEB gebruikt meestal radar (all-weather) en soms lidar en camera's om een ​​dreigende crash te detecteren.

De snelle verspreiding van AEB op de wereldmarkt is een tweesnijdend zwaard geworden voor leveranciers van radarsensoren. Het is zowel een reden tot feest als een bron van zorg.

Zo heeft het China New Car Assessment Program (NCAP) AEB al verplicht gesteld voor alle vrachtwagens die in 2020 uit de fabriek op de markt komen. Nieuwe auto's in Japan moeten vanaf dit jaar de AEB-functies voor en achter hebben. In de Verenigde Staten hebben 20 autofabrikanten ingestemd met een vrijwillige "100 procent AEB fit rate in nieuwe auto's in 2022". Geconfronteerd met de vereisten van Euro NCAP voor 2019, is 90 procent van de auto's die in Europa worden verkocht, al uitgerust met de nieuwste technologie om botsingen te voorkomen voor botsingen tussen auto's.

NXP Semiconductors voorspelt dat de penetratiegraad van autoradars in 2030 naar 55 procent zal stijgen. In een recent interview met EE Times , Huanyu Gu, senior productmarketingmanager van NXP Semiconductors, verantwoordelijk voor ADAS en V2X, waarschuwde dat radarinterferentie onvermijdelijk is. zichtbaar pad.”

NXP's Gu is niet de enige die zich zorgen maakt. Martin Duncan, algemeen directeur van de ADAS- en ASIC-divisie van ST Microelectronics, vertelde ook aan EE Times ,,Het feit dat we nu 25% van de nieuwe voertuigen met radarsystemen hebben, is nu al een issue. Als u in realtime wegomstandigheden probeert vast te leggen, is het heel gemakkelijk om uitzendingen van meerdere voertuigen te zien. Aangezien we allemaal dezelfde frequentieband gebruiken, zal dit mogelijk verslechteren naarmate de montagesnelheid toeneemt."

Een voorbeeld van inzet van meerdere radarsensoren die worden gebruikt voor actieve veiligheid en geassisteerde rijsystemen (Kissinger, 2012)

Het principe van radarcongestie is eenvoudig. De National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) schreef in haar "Radar Congestion Study" uitgegeven in september 2018:

Radars gebruiken kennis van uitgestraalde signalen om echo's te identificeren en het bereik en de snelheid van objecten in de omgeving te schatten. Deze echo's zijn geen perfecte kopieën van het originele signaal, maar een som van meerdere retouren die constructief en destructief interfereren met het signaal. Het is belangrijk om te begrijpen dat het rendement van objecten die worden verlicht door radar fluctueert, vooral wanneer het relatieve bereik, aspect en andere objecten in de scène veranderen. Met meerdere radars die in de buurt werken en een omgeving met meerdere bronnen van verstrooiing, nemen de prestaties van elke radar af naarmate het interferentieniveau stijgt.

Dat zou kunnen leiden tot een gecompromitteerde veiligheid. “In het slechtste geval zouden er dodelijke slachtoffers vallen als gevolg van radarinterferentie. Er wordt tegenwoordig al meer gebruik gemaakt van filtering tegen valse positieven in de radarstack, ongeacht de oorzaak”, aldus Phil Magney, oprichter en president van VSI Labs.

De branche was gewaarschuwd

Hoe meer met radar uitgeruste auto's de weg opgaan, hoe sneller elke radar moet leren omgaan met de aanwezigheid van andere radars. Radarleveranciers staan ​​onder druk.

Het eenvoudige algemene verkeersscenario waarbij de interferentie wordt berekend op de slachtofferradar (groen) en wordt gegenereerd door de andere voertuigen (rood)3. (Bron:NXP)

Radarinterferentie is nauwelijks een onverwacht gevolg van radarproliferatie. De auto-industrie was gewaarschuwd. Meer dan tien jaar geleden heeft Europa een project opgezet met de naam MOSARIM (MOre Safety for All by Radar Interference Mitigation) en in 2012 een rapport uitgebracht. Het project onderzocht "wederzijdse radarinterferentie door voertuigen en de definitie en uitwerking van effectieve tegenmaatregelen en mitigatietechnieken. ”

Meer recentelijk heeft de NHTSA een "Radar Congestion Study" uitgevoerd, waarbij radarinterferentie werd gemodelleerd en gesimuleerd met twee vragen in gedachten:

• Hoeveel vermogen ontvangt een bepaalde radar van andere radarzenders?
• Hoe beïnvloedt dit de prestaties van een waarschuwingssysteem voor botsingen?

Het rapport concludeerde:

...Systemen die goed werken in omgevingen met weinig andere radars kunnen aanzienlijke prestatieverminderingen ondergaan in omgevingen met overbelaste radars. De resultaten van de studie laten zien dat de interferentieniveaus op basis van de werking van huidige systemen in drukke omgevingen aanzienlijk zullen zijn. In scenario's waarin veel voertuigen radars in de 76-81 GHz-band gebruiken, zal het vermogen van andere radars waarschijnlijk het vermogen van echo's van doelen die nodig zijn voor gespecificeerde prestaties, met verschillende ordes van grootte overschrijden.

Samenwerking tussen radars?

De industrie is dus al tien jaar op de hoogte van de dreigende radarfiles. Welke acties heeft het ondernomen?

Met al deze doorlooptijd zou je kunnen verwachten dat auto-OEM's en Tier 1's een robuuste strategie ontwikkelen om interferentie te voorkomen. U kunt zich een radarsensor voorstellen die interferentie vermijdt door de golfvormparameters dynamisch aan te passen.

Dit is geen raketwetenschap. De radargemeenschap heeft de knowhow om soortgelijke soorten kanaaltoegangsregels te lenen die al door de telecommunicatie-industrie zijn gebruikt (zoals in TDMA, FDMA en CDMA). Zo'n "listen-before-talk"-schema zou meer gestructureerde communicatie tussen radars mogelijk moeten maken, zei NXP's Gu.

Helaas is dat niet de interferentiebeperking die door de industrie wordt toegepast. Afgezien van het feit dat autoradars hetzelfde toegewezen frequentiespectrum gebruiken (76GHz~81GHz), is er voor de radargemeenschap geen regelgeving. "De parameters van de radargolfvorm zijn niet gereguleerd", merkte Gu op.

Industrieovereenkomsten, standaardisatie en regelgeving hebben nooit deel uitgemaakt van het DNA van de auto-industrie.

Een veelgebruikte benadering die tegenwoordig wordt aangenomen, is "om de interferentie te beperken door de verzonden signalen willekeurig in tijd of frequentie te verdelen", aldus Gu. De onlogische achter deze randomisatie erkennend, zei Gu:“Vandaag doe je dit blindelings. Zeker als er niet zoveel auto's met radar op de weg zijn, is dit zeker fijn. Maar als je de robuustheid van radarsensoren tegen storingen wilt verbeteren, moet je samenwerking zoeken tussen radarsensoren.”

Maar daarvoor zou regulering nodig zijn.

Desalniettemin concludeerde NXP in zijn eigen witboek over radarinterferentie:

Uiteindelijk, om een ​​hoge marktpenetratie te ondersteunen, zal een of andere vorm van overeenkomst tussen de fabrikanten nodig zijn om de detectiebronnen op een eerlijkere manier te verdelen. Deze laatste stap betekent dat alle spelers op de markt bij elkaar moeten zitten om een ​​gestandaardiseerde manier te definiëren om toegang te krijgen tot het kanaal, terwijl tegelijkertijd de mogelijkheid behouden blijft om onderscheidende detectieprestaties te hebben.

Gratis voor iedereen

Radar is altijd een "gratis voor iedereen" geweest, merkte Egil Juliussen op, een onafhankelijke ervaren analist in de auto-industrie. Bij het nastreven van innovaties zijn radarsensorbedrijven doorgaans geneigd om nieuwe, gepatenteerde algoritmen te ontwikkelen die draaien op DSP's of MCU's die zijn gekoppeld aan sensorchips, zodat hun radar de beeldresolutie kan verbeteren en interferentie kan verminderen, legde hij uit.

Met andere woorden, voor velen in de auto-industrie is meer signaalverwerking naar de radarinterferentieproblemen een meer geprefereerde benadering dan welke sectorovereenkomst of -regel dan ook.

Een radarsensor met een digitaal gedeelte (DSP), de zender en ontvanger front-end. Interferentietechnieken kunnen worden gegroepeerd in technieken die zijn ontworpen om verzadiging van de front-end te voorkomen, technieken die de interferentie digitaal beheren en technieken die interferentie proberen te vermijden voordat het daadwerkelijk gebeurt. (Bron:NXP)

Tijdens ons interview stelde Gu van NXP drie verschillende benaderingen voor het verminderen van radarinterferentie:1) vermijd verzadiging aan de voorkant; 2) beheer van digitale interferentie door interferentie in het digitale domein te herkennen en te verwijderen; 3) vermijd interferentie door de golfvormparameters dynamisch aan te passen.

De derde benadering wordt al het minst waarschijnlijk geacht in het huidige 77GHz-spectrum. Gu legt uit:"Mensen denken dat het te laat is omdat we al te veel radarsensoren op de weg hebben en die sensoren zouden niet samenwerken." Hij voegde eraan toe dat het schema "in de toekomst kan worden toegepast op de 140 Ghz-frequentie, als die band beschikbaar wordt gemaakt voor radar."

De eerste - waarschijnlijker - benadering is om technieken te bedenken die verzadiging van de voorkant voorkomen. Hier kan in ieder geval een deel van het gewenste signaal worden opgevangen en de juiste tegenmaatregelen worden genomen. "Je kunt dit doen door de radarontvanger te voorzien van twee verschillende versterkingsinstellingen", zei Gu. Als alternatief kan het systeem "spatial nulling" bevatten, waarbij de front-end meerdere antennes gebruikt om zichzelf te verblinden in de richting die interferentie veroorzaakt. Deze aanpak probeert een storend signaal te elimineren voordat het de front-end verzadigt, legt Gu uit.

Leveranciers van radarchips zoals NXP hebben de neiging zich te concentreren op het omgaan met interferentie in het digitale domein - in DSP. "Natuurlijk is de voorwaarde dat het gewenste signaal niet wordt begraven door de sterke signalen", zei Gu.

Nadat is vastgesteld dat het storende signaal relatief zwak is, kan het samen met het gewenste signaal worden gedigitaliseerd, zonder dat de front-end verzadigt.

Maar de naam van het spel is eerst herkennen of het signaal is beschadigd, wat volgens NXP makkelijker gezegd dan gedaan is. De technieken om dit te doen zijn afhankelijk van de specifieke radargolfvorm van zowel de slachtofferradar als de interferentie. Omdat het huidige regelgevingskader verschillende manieren toestaat om radargolfvormen te bouwen, kiest elke fabrikant van radarsensoren zijn eigen, waardoor het proces niet alleen divers maar ook lastig wordt.

De de facto standaard in automotive radar is frequentiegemoduleerde continue golf (FMCW) radar. FMCW biedt zeer goede prestaties die relatief eenvoudig en elegant zijn. Het bestrijkt een grote bandbreedte met een ADC met lage bandbreedte en biedt volgens NXP een robuuste schatting van de doelsnelheid. Maar er zijn enkele kanttekeningen bij.

Verschillende fabrikanten gebruiken verschillende parameterinstellingen van FMCW-golfvormen om hun productpropositie te differentiëren en om verschillende toepassingsvereisten te dekken, zoals draaggolffrequentie, bandbreedte, chirpduur, bemonsteringstijd, duur van de detectiecyclus en verschillende manieren om parameters te wijzigen tijdens een detectieperiode.

Samenvattend:de radarsensor moet eerst herkennen of er een storing is. De detectie van interferentie werkt door het herkennen van unieke kenmerken van het buitenaardse signaal. Zodra de interferentie is gedetecteerd, moeten systeemalgoritmen deze zo volledig mogelijk uit het ontvangen signaal verwijderen zonder het gewenste signaal te beschadigen of te verwijderen.

Niets van dit alles zou iemand in de radargemeenschap moeten verbazen. "Er zijn handboek-algoritmen voor signaalverwerking op de markt, en die worden al door de industrie gebruikt", zegt Gu.

Leerboekalgoritmen hebben echter grenzen, merkte hij op. "Ze zijn vaak beperkt tot het omgaan met lage gecorreleerde interferenties. En ze zijn ook in staat om slechts een zeer beperkt aantal interferenties aan te pakken — een of twee tegelijk.”

Het doel van NXP is om zijn gedifferentieerde geavanceerde digitale signaalalgoritmen voor het verwijderen van interferentie verder te ontwikkelen.

ST werkt aan een eigen methodiek. Duncan zei:"Als je weet wat de radarpiep is, kun je gemakkelijk valse signalen filteren/negeren. Het is ook mogelijk om handtekeningen tussen chirps in te voeren.”

Duncan voegde er echter aan toe:"Als er meer standaardisatie/uitwisseling zou zijn over wat wordt verzonden, zou het helpen bij de tegenmaatregelen om ongewenste signalen te verwijderen."

Voel je radarstoring?

De NHTSA heeft een aantal scenario's opgesteld die de verwachte interferentie bij radarcongestie simuleren.

• In het geval van verkeer op een snelweg met twee rijstroken, ervan uitgaande dat de radars willekeurig geselecteerde draaggolffrequenties gebruiken, voorspelde de NHTSA dat "een autoradar een vermogen van andere radars zou tegenkomen dat veel groter is dan de echo's van zijn eigen transmissies die nodig zijn om te volgen andere voertuigen. De interferentie benadert vier ordes van grootte, of bijna 40 dB, meer dan de echo's die typisch zijn voor een referentiedoel, zoals gespecificeerd voor het systeem."
• In radars die naar achteren gericht zijn (zoals in dodehoekdetectiesystemen), "zijn deze eenheden kwetsbaar voor de directe aankomst van voorwaartse botsingsvermijdende radars die een hoger vermogen en antenneversterking gebruiken." De studie zei:"Onze analyse toont aan dat deze eenheden interferentie kunnen ondervinden van een radar die voorwaartse botsingen vermijdt die bijna vijf orden van grootte of 50 dB groter is dan de reflecties van hun gespecificeerde referentiedoel."

Tot nu toe is de impact van radar echter niet gevoeld op echte wegen.

"Radar-naar-radar-interferentie is nog steeds een onbekende en aangezien toegepaste onderzoekers die bijna elke dag met radar werken, kan VSI niet zeggen dat we ooit radar-naar-radar-interferentie van een ander voertuig hebben ervaren tijdens het testen op de openbare weg", zegt Magney van VSI Labs. . "We kunnen aannemen dat we worden blootgesteld omdat zoveel voertuigen op de weg tegenwoordig een mix van radars hebben voor korte tot lange afstanden", voegde hij eraan toe.

Tijdens het financiële Q1-gesprek van maandag herhaalde CEO Elon Musk plannen om radars van Tesla-voertuigen te elimineren, waardoor het probleem van radarinterferentie ter discussie wordt gesteld - althans voor Tesla-voertuigen.

Andere auto-OEM's, Tier 1's en leveranciers van autotechnologie zullen echter niet snel van radar afstappen.

Vooral radars zijn van cruciaal belang omdat ze weerbestendig zijn, benadrukte VSI's Magney. "Radar is een van de meest kosteneffectieve ADAS-sensoren en de penetratie zal de komende jaren enorm toenemen."

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, EE Tijden.

Verwante inhoud:

• ADAS-experts denken na over sensorintegratie in toekomstige voertuigen
• ADAS-voertuigen scoren slecht op voetgangersveiligheid
• Geautomatiseerde voertuigtoekomst staat voor onbeantwoorde sensorvragen
• Verbetering van wegdetectie die verder gaat dan alleen visueel met slimme gegevensverwerking
• 60-GHz radar-op-chip ondersteunt de vereisten van de automobielindustrie
• Automotive mmWave-sensoren maken slimmere radar mogelijk

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.