汽車雷達
落實汽車天線罩測試 車用雷達干擾影響大減
可為駕駛提供幫助,並能夠提高道路安全性的高級駕駛輔助系統現在已整合到入門款車輛,成為汽車世界中的常見技術。全自動駕駛汽車(包括測試汽車)經常會成為新聞頭條,尤其是在自動駕駛車輛發生事故後。這些複雜系統在準備批量生產前還有很長的路要走,但可肯定其會於不久的將來成為現實。
汽車雷達感測易受干擾
能夠偵測附近物體的感測器是自動駕駛汽車的關鍵元件,這些包括攝影機和雷射雷達感測器,尤其是雷達感測器更為重要。現今每年生產數以百萬計的汽車雷達,為高階車輛中的標準裝置。汽車雷達感測器主要用於提高駕駛舒適性和預防事故,大多支援主動車距控制巡航的雷達感測器均在76GHz至77GHz頻率範圍(1GHz頻寬)內運作,用以感測遠處其他車輛和物體。汽車雷達要實現一些先進功能,特別是能夠感測附近物體的功能,如變道輔助和盲點偵測等,需要其於77GHz至81GHz頻率範圍內運作,以更大頻寬才能實現所需高解析度;且高達81GHz的擴展汽車頻段有助於減少無線電干擾。
由於汽車外觀比功能更重要,汽車雷達通常被雷達罩覆蓋,該雷達罩由對RF訊號透明的材料製成。汽車散熱器格柵上的標誌通常用於雷達罩用途,塑膠保險桿也是雷達良好藏身之處。過去標誌主要用於推廣品牌,而無其他重要作用,但現可作為雷達天線罩,因而更像RF零組件。若於設計中不考量此點,則可能對標誌後的雷達探測性能及準確性產生不利影響。
尤其是具有局部材料厚度變化的三維形狀品牌標誌可能會導致在毫米波段運作時導致出現RF性能問題。保險桿通常塗有金屬漆,可減弱高頻訊號。因此為確保雷達可靠性,必須驗證天線罩的材料屬性並檢查其對雷達訊號的影響。對自動駕駛而言,汽車感測器的不確定性和風險皆無法接受,基於以上產生的錯誤皆無法透過後續處理而充分糾正。因此車輛製造商及其供應商需要全新量測功能,以便評估天線罩雷達一致性。
雷達偵測精準度受多方影響
汽車雷達感測器主要使用頻率調變連續波(FMCW)訊號。由於傳播延遲和都卜勒(Doppler)頻移,這些感測器可量測並解析多個目標的距離及徑向速度。根據天線陣列特性,還可量測和解析方位角甚至至仰角。在偵測及追蹤後,感測器電子裝置處理訊號以生成目標參數清單,其中包含物件量測位置、速度以及類型訊息(行人及汽車等)。此清單將被發送至車輛電子控制單元,用於即時決策車輛操控。因此該資料的準確性和可靠性對車輛及乘客安全極為重要。
雷達精度取決於多因素,如硬體零元件、軟體處理和雷達回波本身。具有低訊噪比(SNR)的訊號回波參數無法像高SNR訊號一樣精確量測。此外,諸如多路徑傳播和天線罩等引起的失真也大幅影響量測精度;方位角量測誤差會導致目標看起來與實際位置有偏差,如圖1所示。雷達感測器角度量測誤差僅為1O,將導致100m外的目標看上去橫向偏移1.75m,以致被誤認處於不同車道。為確保可靠運作,在此距離下角度量測誤差須遠小於1O。
圖1 由於方位角量測錯誤,未正確檢測到目標位置,自動駕駛車輛控制器可能會做出致命動作。
天線罩選用決定雷達偵測精度
圖2顯示基於實際汽車零組件量測結果得出的方位角偏差影響,其中商用汽車雷達與靜止目標距離為12.4m,角度為11.5O,該圖顯示不同天線罩如何影響雷達的橫截面和入射角。以A區顯示值(無天線罩)也在此提供用於比較;可以看出當使用合適天線罩(B區)時,對入射角的估算無影響,但雷達橫截面會以兩種方式減小(在此狀況下約為2dB);若使用不合適的天線罩(C區),相對於比較量測值,平均雷達橫截面下降約4dB,使其難以偵測弱反射目標。不合適天線罩對偵測入射角的影響亦明顯。在恆定11.5O時無法看見,但在11.5O和11.7O間交替變化時則可顯示,因此訊號處理電子裝置不會獲得明確值。使用該天線罩,汽車雷達無法達到0.1O的目標精度。
圖2 不同天線罩對雷達橫截面(RCS)和入射角影響,不相容天線罩會導致角度誤差。
多因素考量輔助雷達校正
現代雷達感測器在接收器前端通常具有天線陣列,透過量測由相控陣天線波束成形獲得的相位和振幅比確定方位角(有時還可確定仰角)。為獲得最佳方位角精度,必須單獨校正每個雷達感測器。以下是雷達校正的典型程式:首先將感測器安裝在消聲室內轉盤上,遠場中已知距離的角反射器通常作為參考目標;量測雷達方向圖並將其儲存於感測器記憶體(Memory)中,再由偵測演算法使用,於訊號處理過程中校正演算,並於運作期間完成。
車輛製造商通常在標誌或保險桿後方將校準的雷達感測器整合至車輛。由於訊號必須在到達目標和從目標返回過程中兩次穿過天線罩材料,因此天線罩材料對於RF傳輸訊號的減弱出現兩次。從以下分析可看出其減小雷達偵測範圍。
根據訊號傳播定律,訊號傳輸後功率與距離r的平方成反比,代表在訊號往返過程中,其功率將減小因數1/r4。對於具有3W輸出功率、25dBi天線增益、雷達目標橫截面為10m,而訊號偵測臨界值為-90dBm的77GHz雷達使用此等式,配置最大範圍為109.4m。若天線罩雙向減弱為3dB,則同一雷達最大距離將減少16%,僅為92.1m。
但材料減弱並非減低雷達性能的唯一因素,天線罩材料的反射率和均勻性也很重要。例如塗漆中金屬顆粒的反射以及基礎材料的射頻失配會在天線罩內(即靠近感測器位置)產生干擾訊號,後者於接收器鏈路中被接收和下變頻,進而降低雷達偵測靈敏度。許多汽車製造商試圖透過傾斜天線罩減輕此影響,使發射的雷達訊號反射至其他處,而非直接回到接收器前端。但此種解決方案會受設計限制,且無法消除導致RF能量損失的寄生反射。
另一個問題則是,天線罩中夾雜物和密度變化等導致材料不均勻,會干擾出射和入射波前,因而可能失真,並降低角度量測準確度。雷達感測器校準無法補償此種影響,因為即便雷達校準後也可能安裝在不同製造商的天線罩後面。
傳統黃金裝置偵測死角易現
天線罩製造商通常使用參考雷達(黃金裝置)測試其產品。對於這種測試,將角反射器以事先預定距離和方位角安裝在雷達前面(圖3),分別在有和無天線罩的情形進行差動量測再加以比較。若雷達測定距離和方位角以及回波訊號在指定範圍內,天線罩測試始合格。但此方法僅檢查特定方位角,易錯過天線罩中有問題的區域。另一種量測方法以類似方式操作,但僅需一個反射器—將雷達感測器和天線罩安裝至轉盤,以不同角度重複量測,可從轉盤讀取實際角度(地面真實狀況)並與雷達測得角度比較。該方法與轉盤定位精度一樣精確,但因測試需長時間故不適用於生產線測試。
圖3 使用黃金裝置的典型測試設置。
天線罩測試儀克服傳統限制
有方案能克服傳統方法的局限,像是羅德史瓦茲(R&S)QAR汽車天線罩測試儀(圖4)使用具數百個發射及接收天線的大型面板代替具微小天線陣列的黃金裝置,這些天線在75GHz至82GHz的擴展汽車雷達頻率範圍運作,使汽車雷達綜合數百個天線資料;由於具大孔徑,可憑藉更高解析度(mm範圍內)量測距離、方位角和仰角,使量測結果(即反射率)顯示為X射線影像,即便測試及量測經驗受限者也可立即進行品質評估。與使用真實雷達量測不同,此方法毋需費時量測順序以確定天線罩特性,只需一次時程即可獲得結果,類似使用攝影機拍照。
圖4 R&S QAR汽車天線罩測試儀。DUT安裝在操作台前邊緣,桌台上的藍色裝置包含用於傳輸量測的可選mm波發射器。
被測天線罩放置於面板前的指定區域,可進行兩種量測,一種用於確定被測裝置(DUT)反射率,另一種用於確定透射率。
首先進行反射率量測以確定天線罩材料反射多少能量,此能量無法透過天線罩。如上所述,反射訊號會降低性能,甚至損害正確運作。由於各種原因,某些區域可能具有較高反射率,如材料缺陷、空氣夾雜物、不同材料層間的有害相互作用或某些材料組分過多等。透過根據幅度和相位連貫使所有反射訊號連接,該量測方法提供空間分辨量測結果,而視覺化結果能直觀、定量評估DUT反射特性。
圖5 反射率(左)和單向衰減(右)的高解析度mm波影像。標誌中的白色輪廓表示測試發射器或雷達輻射橫截面,該區域用於評估。
圖5中高解析度雷達影像顯示演示用天線罩(圖6)覆蓋下雷達感測器看到的影像,亮度水準代表反射率、區域越亮、反射雷達訊號越多;金屬物體(四角螺釘)顯示為白色,標誌清晰可見的輪廓顯示局部高反射率和非常不均勻的整體影像;標誌區域中較大的0.5mm厚度足以大幅降低雷達性能。
圖6 演示天線罩,僅在天線罩主體表面上方突出0.5mm,即便厚度微小增加也會導致在77GHz時失配。
此示例中天線罩中間部分平均反射率為-11.0dB,標準差為-18.2dB,在許多使用場景中此值過高,無法確保雷達可靠操作。實際上預期反射率取決於雷達單元靈敏度和欲覆蓋的最大偵測範圍。
接下來量測天線罩材料的頻率匹配及衰減。位於DUT後的發射器在選定頻率跨度掃描,可精確評估天線罩的發射頻率回應,回應可提供有關DUT用於雷達操作確切頻段上RF匹配的詳盡訊息,其與雷達使用的實際訊號波形無關,因此對可安裝在天線罩後的雷達均有效。圖6右側圖則顯示演示天線罩的量測結果,由於76GHz至79GHz之間的高波紋度,該天線罩不適用於在該頻段操作的雷達。
若使用汽車行業真實3D天線罩的傳輸量,可測得圖7中類似鋸齒狀的曲線,該天線罩會遇到各種性能問題:
頻率匹配位於不太有利的71GHz左右而非於76GHz,是因某些天線罩層厚度增加所致;79GHz頻帶中不穩定的減弱變化表明駐波比顯著增加,表示天線罩邊界處反射及強烈干擾效應;總體單向(One-way)衰減相對較高,將導致偵測範圍顯著減小。
圖7 在一個複雜3D設計商用多層天線罩上進行的透射率量測。
準確感測實現安全自駕
自動駕駛需可靠雷達正確無誤偵測周圍區域物體,可行性取決於雷達品質及其安裝狀況。雷達安裝在品牌標誌或保險桿後,車身部件(天線罩)會減弱訊號,以致無法偵測物體或於錯誤位置偵測到。當下此類部件不僅需滿足其原始目的,且須具備特定RF特性,並以準確實用的量測方法驗證。相較黃金裝置,此測試儀能更快、更易評估汽車天線罩品質,不僅量測DUT的RF透射率,進而帶出天線罩設計的基本適用性,並量測反射率而視覺化為X射線影像,亦可讓非專業人員進行可靠合格/失效評估,對於生產線終端測試尤為重要。
(本文作者皆任職於羅德史瓦茲)
羅德史瓦茲新高精度測試暗室力助開發汽車雷達晶片
羅德史瓦茲(R&S)開發了R&S ATS1500C天線測試系統,該系統是一套用於高性能雷達測試的天線暗室,具有出色的間接遠場測試性能;這項創新設計讓Uhnder的第一款具192個虛擬通道的4D數位汽車雷達晶片的技術更加成熟。
R&S汽車雷達市場部經理Holger Gryska表示,與Uhnder的共同努力顯示量測領域專業知識和產業中領先的經驗如何產生真正的創新。R&S和Uhnder兩家公司都是在各自領域中出類拔萃的先驅,也為邁向全自動駕駛開發了新的技術。
汽車雷達是推動下一代自動駕駛的先進駕駛輔助系統(ADAS)不可或缺的關鍵技術之一。在日前於慕尼黑舉行的productronica 2019展會上,R&S首次展出了用於測試下一代汽車雷達感測器的最新解決方案。該測試系統包括用於遠場測試的新款R&S ATS1500C汽車雷達測試暗室,以及用於在不同距離進行精確雷達目標模擬的R&S AREG100A汽車雷達回波產生器;兩者構成了獨特創新、使用者友善且佔地空間極小的間接遠場測試解決方案,在整個研發和驗證階段對雷達感測器進行可靠且可重複的驗證。這一套解決方案幫助Uhnder針對全新、完全整合的4D數位調變汽車雷達晶片(RoC)進行精確校準和驗證。
R&S ATS1500C具有高精確縮距場天線量測(CATR)反射器,可產生直徑為30cm的測試靜區,在77GHz至81GHz的頻率範圍內進行測試。其高精確的3D傾斜定位器可測試高級汽車雷達,精心設計的吸波體則可消除模擬過程中出現的幻影目標。
Uhnder客戶與應用工程資深研究員Ralf Reuter表示,R&S是開發這項新技術的首選合作夥伴。該公司的4D數位調變雷達晶片具有特殊的測試要求,因此,具備專業知識、精確性和敏捷度的合作夥伴至關重要。與R&S的合作達成甚至超越了產品目標性能,並且朝著真正的無人駕駛邁出了下一步。
Uhnder將推出獨特的汽車雷達晶片,將性能和整合度提升到新的水準,並以重新定義關鍵技術為使命,以實現更安全的ADAS駕駛功能。Uhnder的4D數位調變雷達晶片背後的新技術由整合192個虛擬通道提供了突破性的效能,相較於現今標準雷達使用的8個到24個虛擬通道是一大躍進。儘管使用的功率少於8瓦,但每個訊框的檢測次數更高,因此可用超過20TeraOPS的處理能力對目標物進行追蹤和分類。Uhnder汽車雷達晶片更率先推出了高對比度解析度(HCR)技術,顯著改善範圍和角度的解析度,並可將小型雷達反射器與附近的大型反射器分開。與目前的雷達晶片技術相比,可使響應時間更加準確且安全,也為ADAS功能及未來的自動駕駛開闢了新的道路。
5G設備開發挑戰多 射頻模擬工具重要性大增
6GHz以下的5G服務已準備進入商轉,5G用戶端裝置與微型基地台的市場需求很快就會到來,但由於5G導入了MU-MIMO與波束成型等技術,使得天線的數量大幅增加,且為了使天線獲得最好的共振效果,天線在產品中擺放的位置比以往更加講究。這些因素都使得5G用戶端裝置與微型基地台的設計,比過去受到更多條件限制。
另一方面,採用毫米波頻段的下一波5G通訊,將為射頻子系統設計帶來更大的考驗。由於頻率太高,其訊號在電路板上傳輸的損失太大,因此射頻元件供應商紛紛投入開發天線整合封裝技術,但這也使得封裝測試必須面臨新的考驗,因為封裝完成的元件成品,萬一效能表現不如預期,要依靠量測數據找出根因會變得相當困難。
在這個情況下,電磁模擬工具的重要性大增。透過模擬工具的輔助,不管是終端產品的整合設計,或是RF元件廠在進行封裝設計時,都可以在虛擬環境中藉由參數設定,預先得知實體產品原型出爐後大致上的性能表現,進而省下大量開發時間跟成本。
散熱/損耗為5G天線設計兩大難題
安矽思(Ansys)HFSS產品經理Matt Commens(圖1)指出,跟現有的通訊技術相比,5G通訊所使用的頻段明顯高出許多,而且採用了波束成型、MU-MIMO等先進射頻技術,對天線的設計跟配置帶來很大的挑戰。高頻意味著訊號會有更大的損耗,複雜的MIMO技術則使得裝置必須內建更多天線,這些因素都使得5G設備的設計,變得遠比4G產品更為困難。
圖1 安矽思HFSS產品經理Matt Commens指出,在5G應用開發跟部署的過程中,模擬工具的重要性更勝以往。
也因為5G產品在設計過程中需要考量的因素更多,模擬工具在產品開發的過程中,重要性更勝以往。設計工程師必須在模擬工具所建構的虛擬環境中,針對各種可能的設計參數進行模擬,才能加快產品設計速度,提高產品設計符合預期的機率。
以高頻電磁場的應用設計來說,工程師最關心的議題有二,一是訊號損失跟其所衍生的副作用--熱的分布情況;二則是天線配置對電磁波場型的影響。Ansys的高頻電磁場模擬工具HFSS是一款可以求解任意三維結構電磁場的模擬工具,無須掌握身號的電磁場知識和反覆嘗試不同的網格剖分,就能取得高精度的模擬結果。
舉例來說,天線罩跟天線本體的距離、天線罩的材質等,都會影響到天線的性能表現;天線的位置、使用者手持的方式,也會影響天線的訊號收發,這些變數都可以在HFSS裡面完成模擬。另外,結合Ansys的熱模擬跟應力模擬工具,設計人員也可以輕鬆掌握由訊號損失轉變而成的熱,在系統中會如何分布,又會對天線造成何種影響。
除了5G終端設備的開發者之外,對IC設計跟電信業者來說,模擬工具的重要性也比以往更為重要。在IC設計端,由於高頻訊號的衰減太大,因此天線跟射頻前端(RF)在印刷電路板上的繞線距離要越短越好,或是直接讓訊號跳過PCB走線;如果是毫米波通訊,則基本上天線都必須整合到晶片封裝裡,這使得IC設計者也必須開始關注跟射頻電磁場有關的問題。至於電信業者,則可以在進行網路布建跟規劃的時候,利用電磁場模擬工具搭配城市的3D地圖,進行基地台訊號涵蓋的模擬,提升網路覆蓋的品質。
此外,材料供應商在發展新材料時,也可以把模擬工具反過來利用,得知新材料的特性。5G射頻會使用到許多新的材料,但材料供應商在開發新材料時,必須對材料進行大量量測作業,才能掌握新材料的特性。藉由模擬工具輔助,材料開發商只要設定好對應的材料測試環境,量測某幾項關鍵參數,再把資料餵回模擬工具,模擬工具就能藉由已知的資料反推出許多沒有量測,甚至難以靠量測取得的材料特性參數。這對於材料廠商發展新材料,縮短研發時程,也能帶來很大的幫助。
Commens總結稱,隨著5G時代的到來,模擬工具的使用客群一定會比以往更為廣泛。從最上游的材料、晶片供應商到中間的系統設計/整合,再到電信商的網路布建,模擬工具能幫得上忙的地方非常多。因此,未來電磁模擬工具的應用普及率,勢必將節節高升。
搶食5G商機 達梭系統不缺席
5G跟車用雷達的興起,在射頻技術領域掀起革命。由於這兩種應用所使用的頻段都比以往來得高,因此其波長均已達到毫米波水準,與以往的射頻訊號在物理特性上有著極大差異。硬體開發者為了克服毫米波所帶來的挑戰,紛紛導入新的設計架構與材料,例如將天線整合到晶片封裝,或是在PCB板上使用導波材料,但這也使得硬體設計變得更加複雜,設計開發時將面臨更多不確定性。
達梭系統(Dassult Systems) Simulia電磁模擬解決方案顧問趙桐(圖2)表示,目前5G主要發展頻段有二,一是6GHz以下,二是24GHz以上的毫米波頻段。這兩個頻段的天線設計各面臨新的設計挑戰。與4G比較都是更高的頻段,電磁波長更小,天線尺寸跟隨波長變得更小,小到5G天線更多是一個含晶片的模組。當然在天線結構種類上也與4G不同,5G天線需要用到相位陣列天線,這種天線還是有一些關卡要突破。
圖2 達梭系統Simulia電磁模擬解決方案顧問趙桐認為,高頻跟多天線共存,是未來行動裝置設計上最大的兩個考驗。
談到5G天線的設計挑戰,無論是手機還是任何5G電子設備,假設實際尺寸不變,在更高頻率條件下的電尺寸相對於4G時代產品更大。所以在毫米波28GHz頻段,天線實際尺寸和手機尺寸,甚至人體尺寸,基站尺寸,差別更大,這種尺寸上的差異對天線安裝後的整合性能分析增加相當大的難度。
除此之外,在這兩個頻段上的天線設計要求更寬的頻寬,寬頻帶才能得到高速率。單就這電尺寸和頻寬兩方面的難題來講,5G天線對電磁類比的演算法選擇就提出了挑戰。傳統的有限元頻域演算法在寬頻類比和電大尺寸的計算上會顯得更吃力,時域演算法更適合寬頻類比。所以三維模擬工具是否能夠結合時域頻域演算法,場源激勵法,高頻近似演算法,硬體加速以及支援多種天線結構的設計流程,是5G新天線設計和產品設計的關鍵。
因為5G本身就有兩個頻段的天線,智慧終端機除了5G,還要支持Wi-Fi、GPS、藍牙、3G、4G等功能,所以伴隨著多天線共存而來的干擾,以及硬體設計要如何布局等長久以來智慧終端機研發避免不了的問題,在5G時代會變得更有挑戰性。
車載系統亦為必爭之地
除了行動通訊裝置或小型基地台之外,汽車亦為模擬工具業者非常重視的市場。除了5G帶動汽車聯網風潮所創造的車載無線通訊需求之外,毫米波雷達也是促使車廠跟相關子系統供應商開始在設計流程中採用更多模擬工具的原因。事實上,毫米波雷達所使用的頻段比5G預定使用的頻段還高,最高可達77~79GHz,因此訊號衰減、散熱等問題,同樣困擾著相關業者。除此之外,車載系統的工作環境跟行動通訊設備截然不同,因此相關設計者不只需要高頻電磁場模擬工具,還需要結合其他物理模擬工具,才能準確而完整地模擬毫米波雷達在真實世界的運作狀態。
這也使得Ansys跟達梭系統等產品線涵蓋面廣,能執行多重物理模擬的工具供應商,在這個領域有相對顯著的競爭優勢。例如Ansys除了HFSS之外,還有RF和SI Option工具,可以應用在毫米波雷達設計上,同樣的,達梭除了SIMULIA CST之外,還有原本就專為汽車設計模擬所開發的CATIA。趙桐透露,CST已經開始與達梭的其他汽車設計解決方案合作、整合,不斷的推出車載系統的完整解決方案。
搶攻自駕車商機 聯發科首款超短距毫米波雷達問世
聯發科近日在IWPC國際無線產業聯盟(The International Wireless Industry Consortium)舉辦的研討會上推出首款超短距毫米波雷達平台「Autus R10」,該產品整合天線,可支援汽車製造商部署的環繞雷達系統,以偵測車輛周圍360° 範圍內的障礙物或車輛,為駕駛人提供包括盲區監測(BSD)、自動泊車輔助系統(APA)和倒車輔助系統(PAS)在內的多種應用,提升駕駛安全。目前 Autus R10 已經量產,將於 2019 年上半年上市。
聯發科技副總經理暨智慧車用事業部總經理徐敬全表示,在車聯網和自動駕駛的先進技術上,該公司透過Autus晶片品牌,結合人工智慧、通訊、感測器、以及多年來積累的多媒體技術和先進的晶片製程,為汽車電子前裝市場打造了完整的車載晶片和高度整合的系統解決方案,從而降低汽車製造商的開發成本,並大幅提升消費者的智慧行車體驗。
據悉,Autus R10具備體積小巧、高性能、成本優化等優勢,並採用CMOS製程技術,整合基頻DSP、射頻、封裝天線於一體,僅需要一個簡單的三線介面來連接外部的電子控制單元(ECU)。
此外,由於該產品整合天線設計,使其應用上的探測距離範圍為10公分至20 公尺,最近探測距離則小於10公分。其精確的近距離探測可被應用於高密度、擁擠的市區場景;且採用77/79GHz頻率,可做到5公分距離的精確解析度和偵測性能,從而實現更高的物體辨識率、更快的回應速度。
同時,Autus R10提供水準視角(FOV)大於130°的偵測範圍,能明顯減少雷達的使用數量,垂直視角大於90˚的設計則彌補了目前各類感測器的偵測盲區,降低事故發生率。其應用可涵蓋停車輔助、自動停車、停車位測量、後方自動緊急制動、兩側來車警示、開門警報、短距離盲區監測等。
聯發科指出,繼2019年1月發布汽車電子晶片品牌Autus之後,該公司致力發展車載通訊系統、智慧座艙系統、視覺駕駛輔助系統及毫米波雷達解決方案等四大領域,為汽車產業帶來創新的解決方案。
先進訊號演算法展妙用 汽車雷達抗干擾能力大增
汽車雷達通常會遭受拒絕式或欺騙式干擾。拒絕式干擾會致盲因而損害車輛雷達。這種技術會降低訊號雜訊比,導致目標檢測的概率降低。另一方面,欺騙式干擾會讓車輛雷達「認為」存在虛假目標,使車輛雷達失去追蹤真實目標的能力,故而車輛的行為受到嚴重影響。
這些干擾可能源於汽車雷達之間的相互干擾,或者是使用廉價的硬體簡單地將強連續波(CW)訊號指向車輛雷達而故意發生的攻擊。雖然目前的避干擾技術可能足以因應這些情況,但隨著雷達感測器的激增,汽車將會需要使用彈性類型的緩解技術,或者此類技術與避干擾方法的結合使用。相關彈性技術包括時頻域訊號處理或複雜雷達波形。
依據雷達波形判定有無干擾情況
雷達波形是判斷感測器在有干擾情況下性能的關鍵系統參數之一。當今77GHz頻段的汽車雷達主要使用FMCW型波形。在FMCW雷達中,CW訊號在射頻段的頻率上線性掃描。圖1顯示了一個FMCW Chirp序列(CS)波形例子。
圖1 FMCW CS示例
回波訊號的頻率差(fb, 拍頻)與到目標的距離R成比例,可透過以下公式(1)確定:
公式(1)
密集環境產生之干擾影響
在密集射頻環境中,當FMCW雷達感測器在頻帶的相同部分中工作時,就會發生干擾。一個典型迎面而來的汽車干擾範例參見圖2。
圖2 a為FMCW拒絕式干擾;b為FMCW欺騙式干擾。
拒絕式干擾
落入接收機頻寬的任意FMCW型強干擾訊號會提高受害雷達的本底雜訊。這種拒絕式干擾可能導致小目標(即雷達散射截面(RCS)較小)因為SNR很差而消失。拒絕式干擾也可以是故意為之,簡單地將一個強CW訊號射向受害車輛FMCW雷達就能做到。對受害雷達的影響類似於FMCW干擾情況(圖2)。
欺騙式干擾
如果干擾訊號掃描是同步的,但與受害雷達一同延遲,那麼其影響將是在固定距離產生欺騙性假目標,這種技術在電子戰干擾機中很常見。類似類型迎面而來的汽車雷達將成為非故意的干擾機,然而,受害雷達和干擾雷達之間時間對齊的概率將非常小。小於受害雷達最大距離延遲的干擾機延遲偏移看起來可能像真實目標。例如,200m最大距離要求掃描對齊誤差小於1.3μs,然而,將複雜的類似電子戰的設備安裝在迎面而來的汽車平台上,便可故意開展這種欺騙式攻擊。
更一般地的是欺騙式干擾基於對受害雷達訊號的重新傳輸,不過其延遲和頻率發生了系統性改變。這可以是非相關的(這種情況下的干擾機被稱為應答器),或是相關的(這種情況下的干擾機被稱為中繼器)。中繼器接收、改變並重新傳輸一個或多個干擾訊號,而應答器是在干擾機檢測到目標受害雷達訊號時傳輸一個預定訊號。
基於中繼器的複雜攻擊通常需要數位射頻記憶體(DRFM)。DRFM能夠執行協調距離延遲和多普勒波門拖引攻擊,因此,它會維持虛假目標距離和多普勒特性以欺騙受害雷達。
干擾緩解技術
基本的雷達干擾緩解技術主要依賴於避干擾方法。其目標是降低空間、時間和頻率重疊的可能性,例如:
.空間:
使用較窄電子掃描波束可降低干擾風險,遠端汽車巡航控制(ACC)雷達典型視野為±8O,儘管如此,強干擾訊號仍可透過天線旁瓣造成有效干擾。
.時間:
隨機生成FMCW啁啾斜率參數以避免週期性干擾。
.頻譜:
隨機生成FMCW啁啾起始和停止頻率,以降低重疊和干擾的概率。
隨機化的基本方法會避免與其他雷達意外同步,但是在密集射頻環境中可能不那麼有用。因此,越來越多的雷達感測器需要更複雜的彈性技術來緩解干擾。
檢測並修復為另種避干擾方法
另一種避干擾方法是利用訊號處理演算法修復接收到的波形。時頻域技術可以有效應對拒絕式干擾攻擊,在迎面而來的汽車FMCW干擾情況下,干擾機掃描所有頻率槽的時間非常之短。這種快速時變訊號在常規FFT域中表現為升高的本底雜訊,時頻域訊號處理技術將該訊號轉移到另一個域,與FFT域相比,在該域中更容易濾除干擾(圖3)。
圖3 雷達回波IF波形的FFT和STFT域
對於時變訊號,短時傅立葉轉換(STFT)比常規FFT能提供更多資訊,基於STFT的技術可用於消除窄帶干擾;STFT基本上是讓一個視窗移動通過訊號,以獲取視窗區間的FFT。在頻域中對訊號進行濾波以去除干擾分量,然後將其轉換回時域。圖4顯示了重疊射頻啁啾序列的典型FMCW干擾情況,以及由此產生的STFT域中的IF拍頻訊號。
圖4 STFT域,左為FMCW雷達和干擾機,右為IF域。
可以看到,圖4的右側顯示了IF域,其為雷達①和干擾②訊號混頻的最終結果。水平線表示目標,而V形垂直線表示存在干擾訊號。類似或相反方向的干擾FMCW,甚至類似CW的慢速啁啾,對IF訊號有類似的影響。在所有這些干擾情況中,快速移動的V形IF訊號會提高常規FFT域中的本底雜訊。可以使用基於幅度的遮罩來濾除STFT域中的干擾訊號。當然,前提是受害雷達前端和量化部分具有足夠的動態範圍來同時線性地處理較強的干擾訊號和較小的預期目標訊號(圖5)。
圖5 STFT域中基於幅度的遮罩。
圖5上方圖像顯示了一個強干擾訊號,而下方圖像顯示了處理後的STFT。在有強干擾的情況下,如上方圖像所示,多個真實目標不可見。在下方圖像中,V形干擾訊號被消除;當轉移回時域時,低SNR目標現在已可辨識。在拒絕式干擾情況中,可以利用基於STFT的干擾緩解技術來應對強干擾,不過,針對欺騙式干擾攻擊,單憑STFT無法驗證返回訊號是真還是假。
運用加密射頻以驗證訊號真實度
降低中繼器欺騙式干擾攻擊影響的基本對策是使用低概率攔截(LPI)雷達波形。LPI雷達的主要目的是將輻射能量擴散到很寬的頻譜上以規避檢測,通常採用准隨機掃描、調製或者是跳頻序列。FMCW是一種LPI波形,如果將相位編碼或是加密引入頻率啁啾,則可以進一步降低DRFM攔截汽車雷達訊號的機率。
每個雷達感測器獨有的加密射頻特徵可以驗證返回訊號的真偽。圖6顯示了一個使用案例,其中兩個相同雷達(安裝在不同汽車上)之間有頻率偏移和延遲,在受害雷達中產生一個假目標,干擾雷達與受害雷達在時間上是對齊的(相同的啁啾斜率且偏移較短)。
圖6 存在頻率偏移和延遲的相同雷達所引起之干擾
在這種情況之下,相位編碼FMCW雷達可以提供很高的抗干擾強固性。使用正交碼還能讓MIMO雷達操作變得可行,從而支持多個波形同時發射。而編碼要求則是包括以下幾點:
1.碼長:目標是利用短序列實現最小距離旁瓣位準。1024的PRN序列長度導致峰值旁瓣電平(PSLL)約為30dB。可以優化發射碼和接收濾波器權重,以SNR為代價來改善PSLL。
2.良好的交互相關特性:為實現感測器之間的良好隔離,一個集合的成員的交互相關係數應為零。
3.抗多普勒效應能力:相位編碼雷達性能可能受多普勒頻移的影響,二進位碼對多普勒效應的耐受能力差,多相碼的性能衰減速度比二進位碼要慢。
4.可用的不同碼數量:規模大的比較好,可以為每個雷達感測器分配唯一編碼。
圖7顯示了無相位編碼的雷達回波。干擾訊號顯示為一個假目標,當利用PRN序列對發射機FMCW波形進行相位編碼時,可以抑制干擾訊號,如圖8所示。
圖7 未對真偽目標進行相位編碼的雷達回波
圖8 有和無相位編碼之雷達回波
這種方法會影響動態範圍。然而,雷達訊號處理器可以對幾個啁啾訊號使用相位編碼FMCW以標記假目標,然後切換回正常操作。
強化雷達抗干擾能力 緩解技術不可或缺
使用先進訊號處理演算法和複雜波形生成技術,可以緩解擁擠汽車雷達感測器環境中的干擾。基於STFT的訊號處理技術可用來因應拒絕類型的攻擊。相位編碼FMCW借助處理增益和避免攔截措施,對非相干和相干欺騙式攻擊均提供額外的抵禦層,表1是對緩解技術的總結。
上述針對汽車雷達的干擾緩解原則也適用於其他雷達感測器環境,例如機器人、道路收費、GPS、無人機著陸或防撞系統。目前,汽車雷達感測器在非合作模式下運行,彼此之間不通訊。雖然合作運作模式需要整個產業協調,但雷達感測器之間的仲裁可協助解決干擾問題。
包括感測器合作在內的未來雷達概念將是通訊節點和雷達感測器的融合。使用複雜波形的未來雷達也可以將資訊包含在雷達訊號中。同一硬體可以同時用於雷達和通訊(RadCom)。RadCom為雷達和通訊功能同時執行的單一系統,特性包括:
.多用戶能力,無干擾。
.利用OFDM或類似通訊碼對雷達訊號進行編碼,為在雷達訊號中包含資訊提供了可能性。
.基於OFDM的雷達發射訊號使得二者可以同時進行。
基於上述原因,汽車雷達供應商積極研發相關解決方案,以ADI為例,該公司旗下5G毫米波收發器訊號解決方案具有超過GHz的頻寬和波束引導能力,可能成為RadCom系統概念的潛在候選者。像是Drive360 28nm CMOS雷達平台,支援多種高階訊號處理整合,甚至是自訂IP整合,使設計人員能夠區分其系統,而且搭載高整合電源管理輔助晶片。該平台可使一級供應商產品和原廠產品具備優良的性能,以打造可靠的解決方案。
(本文作者為ADI資深射頻系統工程師)