L'étude menée par IDTechEx, intitulée « Radar automobile 2024-2044 : Prévisions, technologies et applications », révèle qu'en moyenne, 70 % des voitures neuves vendues en 2022 étaient équipées d'un radar frontal, tandis que 30 % disposaient d'un radar latéral. Cependant, avec l'arrivée sur le marché de systèmes ADAS de plus en plus sophistiqués et de systèmes de conduite autonome de niveau 3, la technologie radar doit évoluer pour répondre aux nouvelles exigences de performance de ces systèmes. C'est pourquoi l'industrie voit apparaître les premières générations de radars à imagerie 4D, qui sont progressivement installées dans les véhicules. Dans ce contexte, IDTechEx analyse ce qu'est un radar à imagerie 4D, pourquoi il est nécessaire et quelles nouvelles technologies il met en œuvre.
IDTechEx illustre les différences entre les radars 3D, 4D et d'imagerie 4D. Source : IDTechEx
Qu'est-ce qu'un radar imageur 4D ?
Tout d'abord, un radar 4D n'est pas automatiquement un radar imageur. Bien que les deux termes puissent parfois sembler interchangeables, IDTechEx estime qu'il est important de les distinguer. Auparavant, la plupart des radars se limitaient à trois dimensions : l'azimut (angle horizontal), la portée et la vitesse. Un radar 4D signifie simplement l'ajout d'une capacité de résolution en élévation.
Un exemple classique illustrant la nécessité de cette quatrième dimension est la détection d'une voiture stationnée à l'entrée d'un tunnel. Un radar 3D donnera les mêmes résultats, qu'une voiture soit présente ou non. Généralement, le véhicule interprétera le reflet important comme un tunnel et le régulateur de vitesse adaptatif restera actif. Ce comportement est parfaitement acceptable si un conducteur humain peut reprendre le contrôle du système, mais il devient problématique pour les véhicules de niveau SAE 3 et supérieur, une réalité depuis deux ans.
En théorie, un radar 4D résout ce problème. L'ajout d'une résolution verticale permet au radar de distinguer un véhicule immobile au niveau du sol d'un tunnel situé à quelques mètres au-dessus du toit. Cependant, si la résolution verticale est si faible que le tunnel et la voiture restent dans le même « pixel », la situation n'est pas améliorée. C'est là que la distinction entre radar 4D et radar imageur 4D prend tout son sens. Le radar imageur doit posséder une résolution angulaire suffisante pour distinguer le tunnel et le véhicule, même à très grande distance. En effet, IDTechEx estime que le radar imageur doit avoir une résolution suffisante pour distinguer des obstacles beaucoup plus petits à grande distance, par exemple une personne sur la route à 100 mètres. Mais quelle résolution est nécessaire ? En supposant que la personne mesure entre 1,5 et 1,8 mètre, une résolution d'environ 1° serait nécessaire pour la distinguer de la route. Dans ce cas, le système aurait suffisamment de temps pour actionner les freins et arrêter le véhicule, évitant ainsi une collision, même à vitesse autoroutière.
Détecter une personne est une chose, l'identifier correctement à l'aide des seules données radar en est une autre. C'est pourquoi le radar est souvent associé à des caméras frontales pour des applications telles que le freinage d'urgence automatique. La nuit, par temps de brouillard ou de fortes pluies, la caméra peut également avoir des difficultés à obtenir une image nette. Dans ces situations, plusieurs solutions existent : ajouter un système de détection infrarouge à ondes courtes ou longues au véhicule, offrant une résolution similaire à celle de la caméra et une meilleure fiabilité en cas de faible visibilité ; ajouter un LiDAR, dont la portée est comparable à celle du radar, mais à un coût élevé ; ou encore améliorer la résolution du radar.
Atteindre une résolution de 1° et au-delà : La
résolution d'un radar est limitée par le critère de Rayleigh, inversement proportionnel à la fréquence multipliée par la taille de l'ouverture (1/fd). En résumé, un radar automobile classique fonctionnant à 77 GHz avec une antenne de 10 cm de large devrait atteindre une résolution de 2,8°. À titre de comparaison, l'œil humain possède une résolution comprise entre 0,005 et 0,01°, suffisante pour distinguer un objet de 1 cm à 100 mètres. Pour améliorer la résolution d'un radar, sa fréquence de fonctionnement pourrait être augmentée ; après tout, l'œil humain utilise la lumière visible, dont la fréquence se situe dans la gamme des centaines de térahertz. Cependant, la fréquence des radars est réglementée et ne peut être modifiée facilement.
L'option suivante consiste à augmenter la taille du diaphragme. Bien que techniquement possible, cette solution s'avère complexe en pratique. Pour passer de 2,8° à 1°, l'ouverture doit passer de 10 cm à 28 cm. Afin d'obtenir cette résolution en azimut et en élévation, le radar mesure désormais 28 cm x 28 cm, ce qui compliquera son intégration au pare-chocs avant. Il risque de perturber le flux d'air vers le radiateur, pourrait être difficile à protéger des dommages et posera des problèmes esthétiques aux équipes de conception des constructeurs. IDTechEx a constaté l'apparition de radars de plus en plus imposants, comme le Continental ARS540, le Bosch FR5+ et l'Arbe Phoenix, tous dépassant les 10 cm, mais le plus grand d'entre eux, le Phoenix, ne mesure encore que 12,7 cm x 14,3 cm.
Un autre problème lié à la création de radars de grande taille est le nombre de canaux nécessaires. Concevoir un radar de 28 cm x 28 cm sans la technologie semi-conductrice appropriée reviendrait à concevoir un objectif d'appareil photo reflex numérique à 10 000 $ et à l'associer à un capteur de téléphone portable de 1 mégapixel datant de 2001. Dans ce cas, l'équivalent des pixels est constitué par les canaux virtuels, qui sont des multiples des canaux d'émission et de réception (Tx et Rx) du radar. Auparavant, un radar 3D pouvait comporter un canal d'émission et trois canaux de réception (1Tx/3Rx). Un radar 4D de base utilisait généralement un émetteur-récepteur radar avec une configuration 3Tx/4Rx, tandis que certains radars de pointe combinaient quatre de ces puces pour obtenir une configuration 12Tx/16Rx avec 192 canaux virtuels. Arbe a développé un jeu de puces permettant d'atteindre 48Tx/48Rx dans un seul radar, offrant ainsi 2 304 canaux virtuels. De cette manière, Arbe atteint une résolution de 1˚ en azimut et de 1,7˚ en élévation.
Pour surmonter les difficultés liées à la construction d'un radar de très grande taille, une solution consiste à répartir sa puissance. IDTechEx a identifié deux approches possibles. L'une d'elles, proposée par Zendar, utilise deux radars de faible puissance positionnés aux extrémités opposées du pare-chocs et fonctionnant en tandem. Cependant, la taille de l'ouverture passe de moins de 10 cm à 1,5–2 m. Par conséquent, la résolution de ces deux radars fonctionnant ensemble est d'à peine plus de 0,1° en azimut. L'autre approche observée par IDTechEx consiste à construire des plaques d'antenne distinctes pour chaque canal (dans un radar 3Tx/4Rx) et à les positionner le long du pare-chocs. C'est la voie de développement explorée par Plastic Omnium et Greener Wave.
Le logiciel est un autre aspect essentiel de cette discussion, et presque toutes les entreprises mentionnées ici utilisent une forme ou une autre de logiciel de super-résolution pour améliorer leurs performances. Pour reprendre l'analogie avec les appareils photo, les reflex numériques modernes sont équipés de processeurs puissants capables d'exploiter au maximum une image, tandis que les appareils photo des smartphones modernes ont bénéficié d'années de développement logiciel pour produire des résultats d'une netteté et d'un naturel exceptionnels. Dans le domaine des radars, on trouve quelques exemples de start-ups qui créent des algorithmes exemplaires pour améliorer la résolution radar sans aucune modification physique. Zadar Labs utilise des technologies telles que l'apprentissage automatique, l'intelligence artificielle et le codage des signaux de transmission pour améliorer les performances radar. Spartan, quant à elle, utilise un algorithme basé sur des recherches menées pour les avions de chasse F-18 et F-35. Un logiciel de super-résolution peut quadrupler la résolution angulaire, réduisant celle d'un radar standard de 2,8° à 0,5–1°, voire moins s'il utilise déjà l'une des autres techniques évoquées ici.
Le balayage est une autre option prometteuse pour les radars. L'antenne métamatérielle de Metawave utilise des technologies de formation et d'orientation de faisceau pour concentrer les performances du radar en un faisceau étroit. Ce faisceau est ensuite balayé sur le champ de vision en élévation souhaité, offrant ainsi une résolution améliorée en élévation et en azimut. Un autre avantage de cette technologie est que l'énergie émise est répartie sur une surface beaucoup plus petite qu'avec un faisceau focalisé de type flash, ce qui lui permet d'atteindre des portées supérieures à celles d'un radar sans balayage.
Face à la multitude d'options disponibles pour la conception des radars de nouvelle génération, comment choisir la meilleure ? Le rapport IDTechEx intitulé « Radar automobile 2024-2044 : Prévisions, technologies et applications » détaille le fonctionnement de ces technologies et leurs effets sur les performances radar. Il propose également une analyse comparative de ces technologies selon des indicateurs clés tels que la résolution angulaire, la portée, le champ de vision et la fréquence d'images, afin d'identifier la technologie offrant le meilleur compromis global – avec parfois des résultats surprenants.
Auteur : Dr James Jeffs, analyste technologique senior chez IDTechEx
