O estudo conduzido pela IDTechEx, intitulado "Radar Automóvel 2024-2044: Previsões, Tecnologias e Aplicações", mostra que, em média, 70% dos automóveis novos vendidos em 2022 possuíam radar frontal, enquanto 30% possuíam radar lateral. Contudo, com a chegada ao mercado de sistemas ADAS cada vez mais sofisticados e sistemas de condução autónoma de Nível 3, a tecnologia de radar precisa evoluir para atender às novas exigências de desempenho destes sistemas. Por isso, o setor está a assistir ao lançamento e à instalação das primeiras gerações de radares com "imagem 4D" nos veículos. Com isto em mente, a IDTechEx analisa o que é um radar com imagem 4D, porque é necessário e que novas tecnologias utiliza.
A IDTechEx ilustra as diferenças entre os radares de imagem 3D, 4D e 4D. Fonte: IDTechEx
O que é um radar de imagem 4D?
Em primeiro lugar, um radar 4D não é automaticamente um radar de imagem. Por vezes, os dois termos podem parecer intercambiáveis; no entanto, a IDTechEx acredita ser importante distingui-los. No passado, a maioria dos radares estava limitada a três dimensões: azimute (ângulo horizontal), alcance e velocidade. Um radar 4D significa simplesmente a adição de alguma capacidade de resolução na direção da elevação.
Um exemplo clássico da necessidade desta quarta dimensão é a detecção de um automóvel estacionado à entrada de um túnel. Um radar 3D irá devolver os mesmos resultados, independentemente de haver ou não um carro à entrada. Normalmente, o veículo assumirá que o grande reflexo é um túnel e o sistema de cruise control adaptativo continuará a operar. Este comportamento é perfeitamente aceitável se houver um condutor humano que possa substituir o sistema ACC adequadamente, mas torna-se um problema para os veículos que operam no nível 3 da SAE e acima, o que se tornou uma realidade nos últimos dois anos.
Em teoria, um radar 4D ultrapassa este problema. A adição de resolução vertical significa que o radar deveria ser capaz de distinguir um veículo parado ao nível do solo do túnel a poucos metros acima do teto. No entanto, se a resolução vertical for tão baixa que o túnel e o carro se mantenham no mesmo "pixel", a situação não melhora. É aqui que entra a distinção entre radar 4D e radar de imagem 4D. O radar de imagem deve ter uma resolução angular suficiente para distinguir o túnel e o veículo mesmo a distâncias muito longas. De facto, a IDTechEx acredita que o radar de imagem deve ter resolução suficiente para distinguir obstáculos muito mais pequenos a longas distâncias — por exemplo, uma pessoa na estrada a 100 metros de distância. Mas qual a resolução necessária para tal? Supondo que a pessoa tem entre 1,5 e 1,8 metros de altura, seria necessária uma resolução de aproximadamente 1° para a distinguir da estrada. Neste cenário, o sistema teria tempo suficiente para acionar os travões e parar o veículo, evitando uma colisão, mesmo a velocidades de autoestrada.
No entanto, detetar uma pessoa é uma coisa, mas identificá-la corretamente utilizando apenas dados de radar é outra. É por isso que o radar é frequentemente combinado com câmaras frontais para aplicações como a travagem automática de emergência. À noite, com nevoeiro ou chuva forte, a câmara também pode não ter uma visão clara. Nestas situações, existem várias opções: adicionar deteção infravermelha de ondas curtas ou longas ao veículo, que oferece uma resolução semelhante à da câmara e é mais robusta em condições de baixa visibilidade; adicionar LiDAR ao veículo, que tem um alcance semelhante ao do radar, mas a um custo elevado; ou melhorar ainda mais a resolução do radar.
Atingindo uma resolução de 1° ou superior:
O radar possui um limite físico natural para a sua capacidade de resolução, conhecido como critério de Rayleigh, que é inversamente proporcional à frequência multiplicada pelo tamanho da abertura (1/fd). Em resumo, um radar automóvel típico a operar a 77 GHz com uma antena de 10 cm de largura deve ser capaz de atingir uma resolução de 2,8°. Por exemplo, o olho humano normal tem uma resolução entre 0,005° e 0,01°, suficiente para ver um objeto de 1 cm a 100 metros. Para melhorar a resolução do radar, a sua frequência de operação poderia ser aumentada; afinal, os humanos utilizam luz visível, que se encontra na ordem das centenas de terahertz. No entanto, a frequência do radar é limitada por regulamentos e não é algo que possa ser facilmente alterado.
A opção seguinte é aumentar o tamanho do diafragma. Embora tecnicamente possível, isto é complicado na prática. Para passar de 2,8° para 1°, a abertura necessita de aumentar de 10 cm para 28 cm. Para atingir esta resolução tanto em azimute como em elevação, o radar passa a medir 28 cm x 28 cm, o que dificultará a integração no pára-choques dianteiro. Provavelmente causará problemas de fluxo de ar ao radiador, poderá ser difícil de proteger contra danos e dará algumas dores de cabeça às equipas de estética dos fabricantes de automóveis. A IDTechEx já viu radares cada vez maiores, com exemplos como o Continental ARS540, o Bosch FR5+ e o Arbe Phoenix, todos com mais de 10 cm, mas o maior deles, o Phoenix, ainda só mede 12,7 cm x 14,3 cm.
Outro problema na criação de radares de maiores dimensões é o preenchimento com canais. Criar um radar de 28 cm x 28 cm sem a tecnologia de semicondutores necessária seria como construir uma lente de câmara DSLR de 10.000 dólares e combiná-la com um sensor de câmara de telemóvel de 1 MP de 2001. Neste caso, o equivalente aos pixéis são os canais virtuais, que são múltiplos dos canais de transmissão e receção (Tx e Rx) de um radar. No passado, um radar 3D podia ter um canal de transmissão e três canais de receção (1Tx/3Rx). Um radar 4D básico utilizaria provavelmente um transceptor de radar com um arranjo de 3Tx/4Rx, enquanto alguns radares de topo combinam quatro destes chips para conseguir um arranjo de 12Tx/16Rx com 192 canais virtuais. A Arbe desenvolveu um chipset que escala para 48Tx/48Rx num único radar, fornecendo 2.304 canais virtuais. Desta forma, o Arbe consegue uma resolução de 1° em azimute e 1,7° em elevação.
Uma forma de ultrapassar os desafios da construção de um radar de grandes dimensões é distribuir a sua potência. A IDTechEx identificou algumas abordagens para tal. Uma delas, proposta pela Zendar, passa pela utilização de dois radares de menor potência posicionados em extremidades opostas do pára-choques e operando em conjunto. No entanto, o tamanho da abertura aumentou de menos de 10 cm para 1,5 a 2 m. Consequentemente, a resolução destes dois radares a trabalhar em conjunto é de pouco mais de 0,1° em azimute. A outra abordagem observada pela IDTechEx consiste em construir placas de antena separadas para cada canal (num radar 3Tx/4Rx) e posicioná-las ao longo do pára-choques. Este é o caminho de desenvolvimento que está a ser explorado pela Plastic Omnium e pela Greener Wave.
O software é outro aspeto fundamental desta discussão, e quase todas as empresas aqui mencionadas utilizam alguma forma de software de super-resolução para melhorar o seu desempenho. Retomando a analogia com as câmaras fotográficas, as câmaras DSLR modernas vêm com processadores potentes que conseguem extrair o máximo desempenho de uma imagem, enquanto as câmaras dos telemóveis modernos beneficiaram de anos de desenvolvimento de software para produzir resultados mais nítidos e com um aspeto mais natural. No setor dos radares, existem alguns exemplos de startups que criam algoritmos exemplares para melhorar a resolução do radar sem realizar alterações físicas. A Zadar Labs utiliza tecnologias como a aprendizagem automática, a IA e os sinais de transmissão codificados para melhorar o desempenho do radar. A Spartan, por sua vez, utiliza um algoritmo baseado em investigação para aplicações nos caças F-18 e F-35. O software de super-resolução pode quadruplicar a resolução angular, reduzindo um radar padrão com uma resolução angular de 2,8° para 0,5–1°, ou até menos se já empregar uma das outras técnicas aqui discutidas.
A varredura é outra opção promissora para os radares. A antena metamaterial da Metawave utiliza tecnologias de formação e direcionamento do feixe para concentrar o desempenho do radar num feixe estreito. Este feixe é então varrido ao longo do campo de visão de elevação desejado, proporcionando uma melhor resolução tanto em elevação como em azimute. Outra vantagem desta tecnologia é que a energia emitida é distribuída por uma área muito mais pequena do que um foco do tipo flash, o que significa que pode alcançar alcances maiores do que um equivalente sem varrimento.
Com tantas opções para construir a próxima geração de radares, como saber qual é a melhor? O relatório da IDTechEx "Radar Automóvel 2024-2044: Previsões, Tecnologias e Aplicações" detalha o funcionamento destas tecnologias e como melhoram o desempenho do radar. O relatório apresenta também uma análise comparativa destas tecnologias em relação a indicadores-chave de desempenho, como a resolução angular, o alcance, o campo de visão e a taxa de fotogramas, identificando qual a tecnologia que oferece o melhor conjunto de funcionalidades — com alguns resultados inesperados.
Autor: Dr. James Jeffs, Analista de Tecnologia Sénior da IDTechEx
