A interferência do sinal compromete a segurança do radar automotivo

A questão pouco observada da segurança do radar está emergindo como um potencial calcanhar de Aquiles dos veículos com assistência ao motorista e altamente automatizados:os sinais de radar interferem uns nos outros.

O radar se tornou uma modalidade de detecção essencial, complementando as câmeras de imagem CMOS. O radar funciona em todas as condições climáticas e permite uma variedade de recursos de direção automatizada, incluindo freios de emergência automáticos (AEB). Mas os radares podem ser frustrados ou com defeito se eles acabarem, como os aceleradores de partículas dos Caça-Fantasmas, cruzando os fluxos uns dos outros.

“Há algo muito importante que esqueci de lhe dizer.
Não cruze os riachos. Seria ruim. ”
Embora este ainda não seja um fenômeno advertido publicamente pelos fabricantes de automóveis ou comumente percebido pelos motoristas, os radares automotivos, operando em ambientes congestionados, enfrentarão interferências significativas.

O segmento de aplicação do radar varia de controle de cruzeiro adaptável e detecção de ponto cego a sistemas de aviso de colisão frontal e assistência inteligente de estacionamento. Para que um veículo tenha uma visão de 360 ​​graus, ele precisa de chips de radar de curto e longo alcance. O AEB normalmente usa radar (para todos os climas) e, às vezes, lidar e câmeras para detectar um acidente iminente.

A rápida proliferação da AEB no mercado global tornou-se uma faca de dois gumes para os fornecedores de sensores de radar. É um motivo de celebração e de preocupação.

Por exemplo, o Programa de Avaliação de Novos Carros da China (NCAP) já determinou a AEB para todos os caminhões que saem da fábrica para o mercado em 2020. Os carros novos no Japão devem ter as funções AEB dianteira e traseira, a partir deste ano. Nos Estados Unidos, 20 fabricantes de automóveis concordaram com uma "taxa de adaptação AEB de 100 por cento para carros novos em 2022". Enfrentando os requisitos de 2019 do Euro NCAP, 90 por cento dos carros vendidos na Europa já vêm com a mais recente tecnologia de prevenção de acidentes para impactos de carro a carro.

A NXP Semiconductors projeta que a taxa de penetração do radar automotivo salte para 55 por cento em 2030. Em uma entrevista recente ao EE Times , Huanyu Gu, gerente sênior de marketing de produto da NXP Semiconductors responsável por ADAS e V2X, alertou que a interferência do radar é inevitável, dizendo que "quando vários radares transmitem ao mesmo tempo e na mesma frequência ou frequência sobreposta, e se eles compartilham um comum caminho visível. ”

Gu não está sozinho em se preocupar. Martin Duncan, gerente geral da divisão ADAS e ASIC da ST Microelectronics, também disse ao EE Times , “O fato de termos agora 25% dos veículos novos com sistemas de radar, já é um problema. Se você tentar capturar em tempo real as condições da estrada, será muito fácil ver as transmissões de vários veículos. Como todos estamos usando a mesma banda de frequência, isso pode piorar com o aumento da taxa de instalação. ”

Um exemplo de implantação de vários sensores de radar usados ​​para segurança ativa e sistemas de direção assistida (Kissinger, 2012)

O princípio do congestionamento do radar é direto. A Administração Nacional de Segurança de Tráfego Rodoviário (NHTSA) escreveu em seu “Estudo de Congestionamento por Radar” publicado em setembro de 2018:

Os radares usam o conhecimento dos sinais irradiados para identificar ecos e estimar o alcance e a velocidade dos objetos no ambiente. Esses ecos não são cópias perfeitas do sinal original, mas uma soma de múltiplos retornos que interferem de forma construtiva e destrutiva no sinal. É importante entender que retornos de objetos iluminados por radar flutuam, especialmente quando o alcance relativo, aspecto e outros objetos na cena mudam. Com vários radares operando nas proximidades e um ambiente de várias fontes de espalhamento, o desempenho de cada radar é degradado conforme o nível de interferência aumenta.

Isso pode comprometer a segurança. “O pior cenário seria fatalidades causadas por interferência de radar. Já existe um uso intensificado de filtragem contra falsos positivos na pilha de radar hoje, independentemente da causa raiz ”, observou o fundador e presidente do VSI Labs, Phil Magney.

A indústria foi avisada

Quanto mais carros equipados com radar atingem a estrada, mais rápido cada radar deve aprender a lidar com a presença de outros radares. Os fornecedores de radar estão sob pressão.

O cenário de tráfego comum simples em que a interferência é calculada no radar da vítima (verde) e é gerada pelos outros veículos (vermelho) 3. (Fonte:NXP)

A interferência do radar dificilmente é uma consequência inesperada da proliferação do radar. A indústria automotiva havia sido avisada. Mais de uma década atrás, a Europa elaborou um projeto denominado MOSARIM (Mais Segurança para Todos por Mitigação de Interferência de Radar) e emitiu um relatório em 2012. O projeto investigou “interferência mútua de radar veicular e a definição e elaboração de contramedidas eficazes e técnicas de mitigação. ”

Mais recentemente, a NHTSA conduziu um “Estudo de congestionamento de radar”, modelando e simulando a interferência de radar com duas questões em mente:

• Quanta potência um determinado radar recebe de outros transmissores de radar?
• Como isso afeta o desempenho de um sistema de aviso de colisão?

O relatório concluiu:

… Sistemas que operam bem em ambientes com poucos outros radares podem sofrer degradação significativa de desempenho em ambientes congestionados por radar. Os resultados do estudo mostram que os níveis de interferência baseados na operação dos sistemas atuais em ambientes congestionados serão significativos. Em cenários com muitos veículos operando radares na banda de 76-81 GHz, a potência de outros radares provavelmente excederá a potência dos ecos dos alvos necessários para o desempenho especificado, em várias ordens de magnitude.

Colaboração entre radares?

Portanto, o setor sabe há uma década sobre a iminência de congestionamentos de radar. Que ações tomou?

Com todo esse tempo de espera, você pode esperar que os OEMs e Tier 1s de carros desenvolvam uma estratégia robusta para evitar interferência. Você pode imaginar um sensor de radar que evita interferência adaptando os parâmetros da forma de onda dinamicamente.

Esta não é uma ciência de foguetes. A comunidade de radar tem o know-how para emprestar tipos semelhantes de regras de acesso de canal já implantadas pela indústria de telecomunicações (como em TDMA, FDMA e CDMA). Esse esquema de "ouvir antes de falar" deve permitir uma comunicação mais estruturada entre os radares, disse Gu da NXP.

Infelizmente, essa não é a mitigação de interferência adotada pela indústria. Além do fato de que os radares automotivos usam o mesmo espectro de frequência alocado (76GHz ~ 81GHz), a comunidade de radar não está sujeita a regulamentações. “Os parâmetros da forma de onda do radar não são regulamentados”, observou Gu.

Acordos, padronização e regulamentação da indústria nunca fizeram parte do DNA da indústria automobilística.

Uma abordagem comum adotada hoje é “limitar a interferência ao randomizar os sinais transmitidos no tempo ou na frequência”, de acordo com Gu. Reconhecendo a falta de lógica por trás dessa randomização, Gu disse:“Hoje, você está fazendo isso às cegas. Isso certamente é bom, especialmente se não houver tantos carros nas estradas com radares. Mas se você deseja melhorar a robustez do sensor de radar a interferências, deve buscar a colaboração entre os sensores de radar. ”

Mas isso exigiria regulamentação.

No entanto, em seu próprio artigo sobre interferência de radar, a NXP concluiu:

Eventualmente, para dar suporte a uma alta penetração no mercado, alguma forma de acordo entre os fabricantes será necessária para compartilhar mais efetivamente os recursos de detecção de forma justa. Esta última etapa significa que todos os participantes do mercado terão que se sentar juntos para definir uma forma padronizada de acessar o canal e, ao mesmo tempo, manter a possibilidade de ter um desempenho de sensoriamento diferenciador.

Gratuito para todos

O radar sempre foi “gratuito para todos”, observou Egil Juliussen, um veterano analista independente da indústria automotiva. Em busca de inovações, as empresas de sensores de radar estão tipicamente inclinadas a desenvolver novos algoritmos proprietários que rodam em DSPs ou MCUs associados a chips de sensores para que seus radares possam melhorar a resolução de imagem e mitigar interferências, explicou ele.

Em outras palavras, para muitos na indústria automobilística, atribuir mais processamento de sinal aos problemas de interferência do radar é uma abordagem mais preferida do que quaisquer acordos ou regulamentações da indústria.

Um sensor de radar com uma parte digital (DSP), o transmissor e receptor front-end. As técnicas de interferência podem ser agrupadas entre aquelas projetadas para evitar a saturação do front-end, aquelas que gerenciam a interferência digitalmente e aquelas que tentam evitar a interferência antes que ela realmente aconteça. (Fonte:NXP)

Durante nossa entrevista, o Gu do NXP apresentou três abordagens diferentes para mitigações de interferência de radar:1) evitar a saturação no front-end; 2) gerenciar a interferência digital, reconhecendo e removendo a interferência no domínio digital; 3) evitar interferência adaptando os parâmetros da forma de onda dinamicamente.

A terceira abordagem já é considerada menos provável de ser adotada no espectro atual de 77 GHz. Gu explicou:“As pessoas pensam que é tarde demais porque já temos muitos sensores de radar na estrada e esses sensores não colaborariam”. Ele acrescentou que o esquema poderia ser "aplicado à frequência de 140 GHz no futuro, se essa banda for disponibilizada para radar".

A primeira - mais provável - abordagem é desenvolver técnicas que evitem a saturação do front end. Aqui, pelo menos uma parte do sinal desejado pode ser recebida e as contramedidas adequadas podem ser tomadas. “Você pode fazer isso fornecendo ao receptor de radar dois ajustes de ganho diferentes”, disse Gu. Alternativamente, o sistema pode incluir “anulação espacial”, em que o front-end usa várias antenas para se cegar na direção que gera interferência. Essa abordagem visa eliminar um sinal de interferência antes que ele sature o front-end, explicou Gu.

Os fornecedores de chips de radar, como a NXP, tendem a se concentrar em lidar com a interferência no domínio digital - em DSP. “Claro, sua pré-condição é que na verdade o sinal desejado não seja oculto pelos sinais fortes”, disse Gu.

Após determinar que o sinal de interferência é relativamente fraco, ele pode ser digitalizado junto com o sinal desejado, sem causar a saturação do front-end.

Mas o nome do jogo é primeiro reconhecer se o sinal foi corrompido, o que é mais fácil falar do que fazer, de acordo com a NXP. As técnicas para fazer isso dependem da forma de onda específica do radar da vítima e da interferência. Como a estrutura regulatória de hoje permite diferentes maneiras de construir formas de onda de radar, cada fabricante de sensores de radar escolhe as suas, tornando o processo não apenas diverso, mas complicado.

O padrão de fato no radar automotivo é o radar de onda contínua modulada em frequência (FMCW). FMCW oferece um desempenho muito bom que é relativamente simples e elegante. Ele cobre uma grande largura de banda com um ADC de baixa largura de banda e fornece uma estimativa robusta da velocidade alvo, de acordo com o NXP. Mas vem com algumas ressalvas.

Diferentes fabricantes usam diferentes configurações de parâmetros de formas de onda FMCW para diferenciar sua proposta de produto e cobrir diferentes requisitos de aplicação, como frequência portadora, largura de banda, duração do chirp, tempo de amostragem, duração do ciclo de detecção e diferentes maneiras de alterar os parâmetros durante um período de detecção.

Para recapitular:o sensor de radar primeiro precisa reconhecer se há um interferente. A detecção de interferência funciona reconhecendo características únicas do sinal alienígena. Uma vez que a interferência é detectada, os algoritmos do sistema devem removê-la do sinal recebido tão completamente quanto possível, sem corromper ou remover o sinal desejado.

Nada disso deve surpreender ninguém na comunidade de radar. “Existem algoritmos de processamento de sinais de livros didáticos no mercado e eles já estão em uso pela indústria”, disse Gu.

Os algoritmos dos livros didáticos, no entanto, têm limites, observou ele. “Eles são frequentemente limitados a lidar com interferências correlacionadas baixas. E eles também são capazes de lidar apenas com um número muito limitado de interferências - uma ou duas de cada vez. ”

O objetivo da NXP é desenvolver ainda mais seus algoritmos de sinal digital avançados e diferenciados para remover interferências.

A ST está trabalhando em sua própria metodologia. Duncan disse:“Se você estiver ciente do que o sinal de radar se destina a ser, pode facilmente filtrar / ignorar sinais espúrios. Também é possível introduzir assinaturas entre chilreios. ”

No entanto, Duncan acrescentou:“Se houvesse mais padronização / compartilhamento no que é transmitido, isso ajudaria nas contra-medidas para remover sinais indesejados”.

Sente a interferência do radar?

NHTSA apresentou alguns cenários simulando interferências esperadas no congestionamento do radar.

• No caso do tráfego em uma rodovia de duas pistas, supondo que os radares usem frequências portadoras selecionadas aleatoriamente, a NHTSA previu que "um radar automotivo encontraria energia de outros radares muito maior do que os ecos de suas próprias transmissões necessárias para rastrear outros veículos. A interferência se aproxima de quatro ordens de magnitude, ou quase 40 dB, maiores do que os ecos típicos de um alvo de referência, conforme especificado para o sistema. ”
• Em radares voltados para trás (como em sistemas de detecção de ponto cego), “essas unidades são vulneráveis ​​à chegada direta de radares de prevenção de colisão frontal que utilizam maior potência e ganho de antena”. O estudo disse:“Nossa análise mostra que essas unidades podem sofrer interferência de potência de um radar de prevenção de colisão frontal que é quase cinco ordens de magnitude, ou 50 dB, maior do que os reflexos de seu alvo de referência especificado.”

Até agora, no entanto, o impacto do radar não foi sentido nas estradas do mundo real.

“A interferência radar a radar ainda é desconhecida e, como pesquisadores aplicados que trabalham com radar quase todos os dias, o VSI não pode dizer que já experimentamos interferência radar a radar de outro veículo durante testes em estradas públicas”, disse Magney do VSI Labs. . “Podemos supor que estamos expostos porque tantos veículos nas estradas hoje têm uma mistura de radares de curto e longo alcance”, acrescentou.

Durante a ligação financeira do primeiro trimestre da Tesla na segunda-feira, o CEO Elon Musk reiterou os planos para eliminar os radares dos veículos da Tesla, tornando discutível a questão da interferência do radar - pelo menos para os veículos da Tesla.

Outros OEMs de automóveis, Tier 1s e fornecedores de tecnologia automotiva, no entanto, não estão abandonando o radar tão cedo.

Os radares, em particular, são essenciais porque são à prova de intempéries, ressaltou Magney da VSI. “O radar é um dos sensores ADAS mais econômicos e a penetração aumentará dramaticamente nos próximos anos.”

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, EE Vezes.

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