Системные вопросы проектирования автомобильных радаров

1.

СИСТЕМНЫЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
АВТОМОБИЛЬНЫХ РАДАРОВ
Нижегородский государственный
технический университет
им. Р.Е.Алексеева
Докладчик:
А.В. Мякиньков
[email protected]
Йошкар-Ола, 2019

2. Преимущества радиолокационных датчиков систем помощи водителю

Optical systems (video cameras, lidars):
loss of the efficiency in conditions of poor
optical visibility (night, fog, rain, snow);
small distance of detection and recognition
(tens of meters).
Radar systems:
distance up to 300 m;
работает при любых скоростях (до 200
км/ч);
сохраняют работоспособность вне
зависимости от освещения и в любых
погодных условиях;
обеспечивают измерение координат и
скорости объектов.

3. Основные функции ADAS, реализуемые на основе авторадаров

Адаптивный
круиз-контроль (ACC)
V1
Автоматическое экстренное
торможение (AEB)
V2
r1
r4

4. Развитие технологий – повышение несущей и разрешения

f, ГГц
300, 650
2022
2030 (?)
77
77
24
150 (?)
24 (?)
2019
δα
Элементы разрешения
δr
t, годы

5. Развитие элементной базы: от одноканальных ППМ к многоканальным системам на кристалле

Приемо-передающий
Модуль Infineon
диапазона 24 ГГц
Система на кристалле от TI:
- 4 канала ППМ;
- АЦП;
- ПЛИС;
- МК;
- Интерфейсы.
ППМ диапазона 77 ГГц в
составе радара средней дальности
(Bosch)

6. Основные виды автомобильных радаров

Радар
переднего обзора
дальнего действия диапазона
76-77 или 24-24,25 ГГц с
дальностью действия до 300 м
и шириной сектора обзора
около 15 градусов.
Радары среднего радиуса
действия с дальностью
обнаружения до 100-120 м в
секторе около 30 градусов.
Радары ближнего действия с
дальностью обнаружения до
50 м в секторе до 120 градусов.

7. Типовые значения параметров современных авторадаров средней и большой дальности ведущих производителей

Y, м
легковой
автомобиль
велосипедист
±60°
мотоциклист
пешеход
±45°
±9°
±4°
R, м
Дальность действия:
- до 150-250 м по автомобилям,
- до 60-100 м по пешеходам.
Разрешающая способность:
- по дальности 0,5 – 1,0 м;
- по азимуту 1 – 6 градусов;
- по скорости около 1 км/ч;
Точность измерения параметров:
-дальности 0,1 – 0,5 м;
-азимута 0,1 – 1,0 градуса;
- скорости 0,1 – 0,2 м/с.
Число одновременно
обнаруживаемых целей
до 64
Период обзора зоны обнаружения
- 50 – 100 мс.

8. Основные функциональные узлы авторадара

9. Зондирующий сигнал с медленной перестройкой частоты

Структурная схема одного
канала
ГКЧ
ПФ
Передающая
антенная
Tп ≈ 10 мс
f
ЦОС
АЦП
ФНЧ
СМ
ПФ
Приемная
антенная
Fд = 200 кГц
fц
Базовый принцип обработки
сигналов при использовании
медленной перестройки
частоты
c tн
R
f 2 f1
4 Δf
c
V
f 2 f1
4 fц
Δf
f2
f1
БПФ
tн
t
БПФ
A
A
f1
f, Гц
f2
f, Гц

10. Проблема идентификации отметок в многоцелевой ситуации

I
II
A
A
1
2
3
Отметки в первой и второй зонах,
полученные в реальной дорожной
обстановке
4
0
fд/2
fд
f
0
fд/2
fд
f
f, кГц
f, кГц
70
0
60
-10
50
-20
40
-30
30
-40
20
-50
10
-60
500
1000
1500
n
500
1000
1500
n

11. Зондирующий сигнал с быстрой перестройкой частоты и алгоритм его обработки

f
1
2
3
n
N
……..
Tп ≈ 10 мкс
……..
t
1
2
3
n
N
t
Fд = 20 МГц
……..
k
FFT
FFT
FFT
FFT
FFT
дальность
FFT
FFT
FFT
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
……..
.
.
.
.
……..
.
.
.
.
.
.
.
.
FFT
k
двумерная
матрица
дальность/
скорость

12. Иллюстрация к вычислению двумерного БПФ

Амплитуда
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
30
20
Скорость, 10
м/с
25
0
0
5
10
20
15
Дальность,
м/с
30

13. Технологии изготовления антенн

Радар дальнего действия
Bosch (77 ГГц) с фокусирующей
диэлектрической линзой
Антенна с ДОС в виде
линзы Ротмана

14. Технологии изготовления антенн. Антенна с частотным сканированием

Длина линии
задержки L, см
Диапазон углов
сканирования, °
0,8
1,5
2,9
7,3
5,3
11,8
7,65
17
10
22,75
11,51
29,54
15,7
30

15. Технологии изготовления антенн: ФАР

ФАР с цифровым
диаграммообразованием
Радар дальнего действия (Denso)
Радар ближнего действия

16. Антенны для авторадаров: MIMO решетка (Continental)

Continental ARS - 408
Подрешетки радара
дальней зоны
Легковой автомобиль
50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
Мотоциклист
Подрешетки радара
ближней зоны
Велосипедист
Пешеход
±6º
±60º
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240

17. Вопросы вторичной обработки

Проблемы сопровождения наземных объектов:
- сложная фоновая обстановка – множество местных объектов;
- распределенный характер целей, размер цели одного порядка с дальностью;
- сложный (квазислучайный) характер движения целей;
- быстрое перемещение объектов относительно зоны обнаружения и быстрое
изменение ракурса.
«облака» отметок от
распределенных целей
за 50 периодов обзора
Основные этапы обработки:
- кластеризация;
- ассоциация (привязка);
- фильтрация.

18. Ключевые вызовы при разработке авторадаров

1. Доступ к технологии производства приемо-передающих модулей,
а в перспективе – систем на кристалле для диапазона частот,
соответствующего современным требованиям. При отсутствии –
неконкурентная стоимость даже при приемлемых параметрах.
2. Использование сигнала с быстрой перестройкой частоты, обеспечивающей
однозначное измерение дальности и скорости и требующей высокой
вычислительной мощности системы ЦОС – система на кристалле,
включающая СВЧ ППМ, ПЛИС, ядро DSP, ОЗУ, контроллер, интерфейсы.
3. Разработка оптимальной конфигурации фазированной антенной
решетки, обеспечивающей компромисс между угловым разрешением
(апертурой решетки) и количеством каналов – использование
технологии MIMO (возможно только при быстрой перестройке частоты
для разделения ортогональных сигналов).
4. Эффективная система траекторной обработки и распознавания, требующая
оптимального алгоритма кластеризации, фильтрации и распознавания целей
(с применением нейросетей).

19.

Автомобильный радар «Обзор-24»
Автомобильный радар разрабатывается совместно с ПКК «Миландр»
(Зеленоград). Предназначен для использования в системах ADAS для
реализации функций адаптивного круиз-контроля и автоматического
экстренного торможения.
В основе радара – многолучевая
цифровая фазированная антенная
решетка
19

20.

Система цифровой обработки сигналов на отечественной элементной
базе (цифровой сигнальный процессор от «Миландр»)
20

21. Автомобильный радар:: Характеристики

Основные технические характеристики
Дальность действия
До 200 м
Диапазон частот
24 ГГц
Разрешение по дальности
1,5 м
Точность измерения дальности
Ширина сектора обзора
(дальняя зона/ближняя зона)
Разрешение по азимуту
0,4 м
Точность измерения азимута
1º
Разрешение по скорости
1 км/ч
Точность измерения скорости
0,2 км/ч
Число сопровождаемых целей
До 32
Функция распознавания целей
есть
±6º/±60º
5º
21
21

22. Испытания на тестовых автомобилях

23.

Оценка углового разрешения и точности
измерения угла по уголковым отражателям
23

24. Натурные эксперименты по сопровождению целей

отметки цели
Первичное
измерение в
ближней зоне
автомобиль
Первичное
измерение в
дальней зоне
Отметка
вторичной
обработки
Цель «попутный автомобиль» на расстоянии 75 м
24

25. Испытания в дорожных условиях: объединение данных радара с видео

26. Перспективные направления развития автомобильных радаров: радиолокационная система кругового обзора

Радар переднего обзора диапазона 76-77 или
24-24,25 ГГц на базе многолучевой или
сканирующей фазированной антенной решетки с
дальностью действия до 300 м и шириной сектора
обзора около 30 градусов.
Система датчиков, расположенных по периметру
автомобиля. Диапазон частот 24-25 или 77-81 ГГц,
дальность действия около 25 м при обнаружении
пешеходов и около 45 м при обнаружении
легкового автомобиля.
Система разнесенных датчиков, расположенных в
передней части автомобиля (на бампере, внешних
зеркалах заднего вида, салонном зеркале).

27.

Спасибо за внимание !