Исследование IDTechEx под названием «Автомобильные радары 2024-2044: прогнозы, технологии, приложения» показывает, что в среднем 70% новых автомобилей, проданных в 2022 году, имели передний радар, а 30% — боковой. Однако с появлением на рынке все более совершенных систем ADAS и систем автономного вождения 3-го уровня, радарные технологии нуждаются в улучшении, чтобы соответствовать новым требованиям к производительности этих систем. Поэтому в отрасли появляются и устанавливаются в автомобили первые поколения радаров с «4D-изображением». Учитывая это, IDTechEx анализирует, что такое радар с «4D-изображением», почему он необходим и какие новые технологии он использует.
На выставке IDTechEx показаны различия между радарами с 3D, 4D и 4D-изображением. Источник: IDTechEx
Что такое 4D-радар с функцией визуализации?
Во-первых, 4D-радар не обязательно является радаром с функцией визуализации. Иногда эти два термина могут казаться взаимозаменяемыми; однако компания IDTechEx считает важным различать их. В прошлом большинство радаров были ограничены тремя измерениями: азимутом (горизонтальным углом), дальностью и скоростью. 4D-радар просто означает добавление некоторой разрешающей способности в направлении угла места.
Классический пример необходимости в этом четвертом измерении — обнаружение автомобиля, припаркованного у въезда в туннель. 3D-радар выдаст одинаковые результаты независимо от того, есть автомобиль у въезда или нет. Как правило, автомобиль будет считать, что большое отражение — это туннель, и система адаптивного круиз-контроля продолжит работать. Такое поведение вполне приемлемо, если есть водитель, который может соответствующим образом перенастроить систему адаптивного круиз-контроля, но это становится проблемой для автомобилей, работающих на уровне SAE 3 и выше, что стало реальностью в последние два года.
Теоретически, 4D-радар решает эту проблему. Добавление вертикального разрешения означает, что радар должен быть способен отличать неподвижное транспортное средство на уровне земли от туннеля, расположенного в нескольких метрах над крышей. Однако, если вертикальное разрешение настолько низкое, что туннель и автомобиль остаются в одном «пикселе», то ситуация не улучшается. Именно здесь вступает в игру различие между 4D-радаром и 4D-радаром с визуализацией. Радар с визуализацией должен обладать достаточным угловым разрешением, чтобы отличать туннель и транспортное средство даже на очень больших расстояниях. Фактически, IDTechEx считает, что радар с визуализацией должен обладать достаточным разрешением, чтобы отличать гораздо меньшие препятствия на больших расстояниях — например, человека на дороге в 100 метрах от себя. Но какое разрешение необходимо для этого? Предположим, рост человека составляет от 1,5 до 1,8 метра, тогда для того, чтобы отличить его от дороги, потребуется разрешение примерно в 1°. В этом сценарии у системы будет достаточно времени, чтобы активировать тормоза и остановить транспортное средство, избежав столкновения, даже на высоких скоростях.
Однако обнаружение человека — это одно, а правильная идентификация с использованием только радиолокационных данных — совсем другое. Именно поэтому радар часто используется в паре с фронтальными камерами для таких задач, как автоматическое экстренное торможение. Ночью, в тумане или при сильном дожде камера также может быть не в состоянии четко видеть. В таких ситуациях есть несколько вариантов: добавление в автомобиль инфракрасного датчика короткого или длинного волны, который обеспечивает аналогичное разрешение, как и камера, и более надежен в условиях плохой видимости; добавление в автомобиль лидара, который имеет аналогичную дальность действия, как и радар, но стоит дорого; или дальнейшее повышение разрешения радара.
Достижение разрешения в 1° и более:
Радар имеет естественный физический предел своей разрешающей способности, известный как критерий Рэлея, который обратно пропорционален частоте, умноженной на размер апертуры (1/fd). Короче говоря, типичный автомобильный радар, работающий на частоте 77 ГГц с антенной решеткой шириной 10 см, должен обеспечивать разрешение в 2,8°. Например, разрешение обычного человеческого глаза составляет от 0,005 до 0,01°, чего достаточно, чтобы увидеть объект размером 1 см на расстоянии 100 метров. Для повышения разрешения радара можно увеличить его рабочую частоту; в конце концов, люди используют видимый свет, который находится в диапазоне сотен терагерц. Однако частота радара ограничена нормативными требованиями и не является чем-то, что можно легко изменить.
Следующий вариант — увеличение размера диафрагмы. Хотя технически это возможно, на практике это сложно. Чтобы перейти от 2,8° к 1°, апертура должна увеличиться с 10 см до 28 см. Для достижения такого разрешения как по азимуту, так и по углу места, радар теперь имеет размеры 28 см x 28 см, что будет сложно интегрировать в передний бампер. Это, вероятно, вызовет проблемы с потоком воздуха к радиатору, может затруднить защиту от повреждений и доставит немало хлопот командам, занимающимся эстетикой автомобилей. IDTechEx наблюдала появление всё более крупных радаров, например, Continental ARS540, Bosch FR5+ и Arbe Phoenix, все размером более 10 см, но самый большой из них, Phoenix, всё ещё имеет размеры всего 12,7 см x 14,3 см.
Еще одна проблема при создании больших радаров — это заполнение их каналами. Создание радара размером 28 см x 28 см без соответствующей полупроводниковой технологии было бы похоже на создание объектива для цифровой зеркальной камеры за 10 000 долларов и его сопряжение с 1-мегапиксельным сенсором мобильного телефона 2001 года. В этом случае аналогом пикселей являются виртуальные каналы, которые являются кратными количеству каналов передачи и приема (Tx и Rx) радара. В прошлом 3D-радар мог иметь один канал передачи и три канала приема (1Tx/3Rx). Базовый 4D-радар, вероятно, использовал бы приемопередатчик радара с компоновкой 3Tx/4Rx, в то время как некоторые передовые радары объединяют четыре таких чипа для достижения компоновки 12Tx/16Rx со 192 виртуальными каналами. Компания Arbe разработала набор чипов, который масштабируется до 48Tx/48Rx в одном радаре, обеспечивая 2304 виртуальных канала. Таким образом, Арбе достигает разрешения в 1˚ по азимуту и 1,7˚ по углу места.
Один из способов преодоления трудностей при создании очень большого радара — распределение его мощности. Компания IDTechEx выявила несколько подходов к этому. Один из них, предложенный компанией Zendar, предполагает использование двух радаров меньшей мощности, расположенных на противоположных концах бампера и работающих в тандеме. Однако размер апертуры увеличился с менее чем 10 см до 1,5–2 м. Следовательно, разрешение этих двух радаров, работающих вместе, составляет чуть более 0,1° по азимуту. Другой подход, который наблюдала IDTechEx, заключается в создании отдельных антенных пластин для каждого канала (в радаре 3Tx/4Rx) и их размещении вдоль бампера. Именно этот путь развития изучают компании Plastic Omnium и Greener Wave.
Программное обеспечение — ещё один ключевой аспект этого обсуждения, и почти все упомянутые здесь компании используют ту или иную форму программного обеспечения для повышения разрешения, чтобы улучшить свои характеристики. Возвращаясь к аналогии с камерами, современные цифровые зеркальные камеры оснащены мощными процессорами, способными извлекать максимальную производительность из изображения, в то время как современные камеры телефонов благодаря многолетней разработке программного обеспечения позволяют получать максимально чёткие и естественные результаты. В области радаров есть несколько примеров стартапов, создающих образцовые алгоритмы для улучшения разрешения радара без каких-либо физических изменений. Zadar Labs использует такие технологии, как машинное обучение, искусственный интеллект и закодированные сигналы передачи, для повышения производительности радара. Spartan, тем временем, использует алгоритм, основанный на исследованиях для применения в истребителях F-18 и F-35. Программное обеспечение для повышения разрешения может вчетверо увеличить угловое разрешение, снизив разрешение стандартного радара с угловым разрешением 2,8° до 0,5–1° или даже меньше, если он уже использует одну из других обсуждаемых здесь методик.
Сканирование — ещё один перспективный вариант для радаров. Метаматериальная антенна Metawave использует технологии формирования и управления лучом для концентрации радиолокационных характеристик в узком веере. Затем этот веер сканируется по желаемому полю зрения по вертикали, обеспечивая улучшенное разрешение как по вертикали, так и по азимуту. Ещё одним преимуществом этой технологии является то, что излучаемая энергия распределяется по гораздо меньшей площади, чем при фокусировке типа вспышки, что позволяет достигать большей дальности, чем у аналогов без сканирования.
При таком обилии вариантов создания радаров следующего поколения, как определить, какой из них лучший? В отчете IDTechEx «Автомобильные радары 2024-2044: прогнозы, технологии, приложения» более подробно рассказывается о том, как работают эти технологии и как они улучшают характеристики радаров. В отчете также представлен сравнительный анализ этих технологий по ключевым показателям производительности, таким как угловое разрешение, дальность, поле зрения и частота кадров, определяющий, какая технология обеспечивает наилучшее общее сочетание — с некоторыми неожиданными результатами.
Автор: д-р Джеймс Джеффс, старший технологический аналитик компании IDTechEx.
