第一情报 ---汽车产业

汽车雷达网络系统的组成和发展状况概述

摘要:安全、环保、舒适和娱乐是推动汽车电子发展的主要动力,研究表明:汽车上70%的创新来自汽车电子,本文介绍正在逐步走向产业化的汽车雷达网络系统的基本原理、系统构成、主要技术指标、运动目标的分类算法,以及运动目标位置的精确估算方法,最后简要介绍目前从事汽车雷达网络系统设计和应用的主要厂家,以及未来的发展趋势,以帮助中国汽车行业工程技术人员了解汽车雷达网络系统领域蕴涵的巨大发展机遇。

据调查,到2008年全球汽车电子系统的需求将增长到1,500亿美元,其中安全系统的年复合增长率则高达12.1%,表1给出了汽车电子中不同应用的增长预测[1]

表1:汽车电子不同应用的增长预测

百万美元
2002年
2007年
年复合增长率(CAAGR)
总成系统(Powertrain)
42,753
51,877
3.9%
底盘(Chassis)
12,934
19,439
8.5%
安全系统(Safety)
NG
23,343
12.1%
安全装置(Security)
2,613
3,260
4.5%
车架
23,288
31,795
6.4%
驾驶员信息系统
11,631
17,506
8.5%
合计
106,387
147,219
6.7%
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(资料来源:Strategy Analytics公司
 
上表指出,汽车安全系统是今后几年内需求增长最强劲的领域。研究发现,汽车雷达网络系统是汽车安全系统领域最具革命性的变化[2],具有重大的产业发展前景。通过将各种雷达传感器集成在一起构成一个网络系统,这种系统综合了各种传感器的优势,由此构成新的、高精度的传感器网络能够极大地改善汽车雷达网络系统的性能,使之具有防撞报警和市内规避碰撞等安全功能。汽车雷达系统中77GHz距离传感器制造成本的大幅度降低,给汽车雷达网络的普及应用奠定了技术经济基础。本文简要介绍汽车雷达网络的原理、目标识别和位置测量的算法的概念,并介绍77GHz汽车雷达网络系统的研究现状和发展趋势。
汽车雷达网络的构成原理
自从1999年以来,采用传统RF元件的77 GHz 远距离雷达传感器就获得了商业应用。但是,这类传感器的性能和一致性太差,批量生产的成本太高,因而只适用于有限的应用领域。也有一些厂家采用24 GHz 技术开发近距离雷达传感器,由于24 GHz技术的带宽有限,其测距分辨率较差,且不具备测角分辨率,因而未能成为主流雷达传感器。在汽车雷达网络中(图1),近/远距离雷达传感器都倾向于采用77 GHz MMIC(毫米波集成电路)技术实现,采用这种技术容易做出一体化的设计方案,收发模块的成本大为降低。新型77 GHz汽车雷达传感器技术的成熟,为发展汽车雷达网络奠定了基础。

1:汽车雷达网络的硬件方框图[3]

图1所示的雷达网络由四个等距离分布在安全杠上的新型近距离(NDS)雷达传感器(25米)和一个位于安全杠中间的远距离(FDS)雷达传感器(180米)构成。FDS采用77 MHz MMIC 技术可以改进性能并获得较高的角覆盖。本文后面的内容将介绍:通过对各个NDS进行精确的时间同步,并对其输出信号利用数字信号处理方法进行处理,然后,通过车载数据传输网络将数据传送到车载中央处理器,以实现对目标距离、多谱勒频率和方位角的高分辨率测量并对车辆的动作作出判决(图2)方面的情况。

基于 77GHz MMIC技术的雷达传感器是构成汽车雷达网络的前端关键硬件,后端的信息处理需要用数字信号处理器等高速运算单元来完成。构建这样的汽车雷达网络之后,进一步能够实现诸如碰撞报警和市内碰撞规避等一系列与安全系统相关的应用。

2:汽车雷达网络覆盖的区域与所需要的近距离传感器和远距离传感器的数量[3]

汽车雷达网络的目标分类算法

目标分类系统的主要任务是针对目标回波信号特征计算给定向量的分类关系,分类器定义了一组不同的目标类别。分类器的工作可以分为学习阶段和分类阶段,在学习阶段分类器对若干特征和经过独立标记的特征向量进行自动分析;在分类阶段,要对每个被检测到的目标生成特征向量,与此同时,识别算法采用最大似然方法进行判决,以判别特征向量属于哪个类,如图3所示。在汽车应用中,由于分类任务很复杂,通常一个给定的向量需要考虑几个特征,因而要采用多个分类器,其优点是在学习阶段能够在一次迭代过程中评估某个特征对决策过程的影响,并自动剔除对决策过程影响较小的项目。文献[4]给出了基于汽车雷达传感器的目标分类系统的系统结构和信号处理过程,它可以识别六种不同的雷达目标的类别,包括:步行者、骑自行车的人、车辆、人群、树木和交通标志等(图3),文献[4]最后给出了基于近距离雷达网络的实验结果。

3:车载雷达对目标分类的处理过程[4]

对77GHz毫米波汽车雷达的技术指标

目前,自适应巡航控制(ACC)系统主要还是在一些豪华汽车上采配置,但是,其它一些制造商也在考虑推出具有这种系统配置的普及型汽车,因为,随着消费需求的增长、汽车规模经济的扩大以及小型化、低成本的毫米波雷达收发器技术的发展[5],以前豪华上才有的配置也将在大多数普及型车辆中,预计今后几年汽车雷达系统将相当普及。

2:国际标准所支持的汽车雷达的频段[5]

所支持的频段
国际标准组织
76 - 77 GHz
CEPT (欧洲)
76 - 77 GHz
ETSI (欧洲)
46.7 - 46.9 GHz, 76 - 77 GHz
FCC (美国)
60 - 61 GHz, 76 - 77 GHz
ITU
60 - 61 GHz, 76 - 77 GHz
MPT (日本)
 
 
 
 
 
 
 

表2所示为国际标准组织所支持的汽车雷达专用频段[6],汽车雷达中采用了远距离传感器(FDS)和近距离传感器(NDS)两种毫米波雷达传感器。

汽车雷达的任务和技术实现上的难点是在观测区域内检测所有目标,并能够在多目标情况下,测量目标的距离、相对速度和目标的方位角。目前,自适应巡航控制系统对远距离传感器(FDS)的要求如表3所示。

3:对远距离传感器的要求

在方位角方向上作相对窄的观察,对典型的ACC功能来说已经足够了,但是,这对汽车电子应用系统中的舒适和安全系统却有一定局限性。表现在:通过配置碰撞预警和碰撞规避等安全功能,汽车的安全性将大为增加,这些应用需要智能雷达传感器覆盖汽车周边广角的区域,因此,对雷达传感器提出了角度分辨率的要求,这主要通过近距离传感器(NDS)构成的网络,配备相应的计算算法来实现。表4给出了对近距离传感器的指标要求。

表4:对近距离传感器的要求


一般来说,靠单一NDS并不具备角分辨率和估算角度的能力,只有当NDS构成所要求的网络才能达到0.5°那样的角估计精度。

精确估算运动目标位置的算法

文献[7]详细介绍了传统的基于不同步工作方式的单接收机、双接收机和四接收机构成的汽车雷达系统的特点,提出为了完成对目标速度、距离和方位角的测量,要采用一组NDS构成同步汽车雷达网络,并采用基于一组非线性方程的多重计算方法来提高对运动目标位置的估算精度。

图4所示为4个NDS构成的汽车网络对单目标实现位置测量的实例。在笛卡尔坐标系中,四个传感器的位置用二维向量表示,目标向量由表示。
是被测距离,它是发送信号的NDSi到被测目标之间的距离与接收信号的NDSj 到反射信号的目标之间的距离之和,因此,距离可以表示为两个距离Ri和Rj之和:

在一个测量周期中,通过电扫开关的控制,每个NDS轮流担当一次发射机,因此,有16种距离的组合:


下列非线性方程描述了所有的距离测量的情况:


图4:4个NDS构成的汽车网络对单目标实现位置测量的实例

上述非线性方程可以简写为矩阵方程式:

为了对目标位置做出估算,可以采用高斯-牛顿迭代算法。由于上述运算能够给出运动目标位置的迪卡尔坐标,因此很方便确定位置估算的精度和分辨率。

上述方法中,位置估算的精度取决于近距离传感器的性能和一致性。对于多运动目标的速度、距离和方位角的估算,主要通过安装在汽车上不同方向的其它汽车雷达网络来实现,由汽车中央处理器以及高速数字信号处理器协同做出判断。汽车雷达传感器目前主要采用基于GaAs(镓砷)器件工艺技术的MMIC实现。

发展趋势

根据Strategy Analytics的统计,从事汽车雷达系统的开发的领先厂家有德国的ADC、西门子和Bosch公司,美国的Amerigon、Delphi和Eaton VORAD公司,日本的Denso、Epsilon Lambda、Fujitsu Ten、Hitachi, Japan、NEC和Omron公司,此外,还有瑞典的Autoliv Saab公司。

实现汽车雷达网络的关键技术是如何采用GaAs(镓砷)器件的工艺技术来设计和制造低成本的汽车近/远距离雷达传感器,进而降低整个汽车雷达网络的成本。国际上领先的GaAs器件制造商包括:Agilent、Alpha Industries、Caswell、Celeritek、Filtronic、Fujitsu、Infineon、M/A-COM、OMMIC、Raytheon、Toshiba、TriQuint、TRW、UMS等公司。

目前,尽管国际上将汽车雷达网络所用频段定义为77GHz频段的研究很充分,但是,具体采用什么频段,每个国家还有差异,目前关于汽车用短距离雷达的争论焦点之一是采用24GHz频段还是77GHz频段?甚至还有65GHz频段。争论的原因是77GHz雷达器件的成本和技术成熟度问题。汽车行业协会倾向于采用24HGz频段,而在欧洲,像CEPT ECC/DEC这样的标准组织已经将77GHz频段分配给汽车雷达。因此,77GHz雷达传感器的成本和技术成熟度是汽车雷达网络是否能够在市场上取得普及应用的关键。

在77GHz雷达传感器的研发方面,国外GaAs器件制造商的进展很快,已经出现了一些极具性价比的汽车雷达传感器,一些报道甚至预言在2004年末2005年,汽车雷达网络的市场将启动,并有望成为普及型轿车的基本配置。

作为汽车雷达的关键器件,NDS和FDS的参数如何定义还没有具体的标准,无源天线设计的方案和调制的方法多种多样,配套的数据处理系统的许多高层协议也仍然在研发之中。尽管争论很多,但是,基于GaAs工艺的MMIC将使汽车雷达传感器设计和制造技术的主流。许多组织已经按照业界的事实标准来推进在汽车雷达网络系统的设计工作,或者正在积极推进针对本地区市场的汽车雷达网络的开发计划,例如欧洲的RadarNet计划,并将其与其它汽车电子系统集成在一起,构成汽车的智能化的汽车动态控制系统[8](图5)。

图5:汽车动态控制系统的原理图

汽车雷达网络作为汽车安全系统的一个部分,实现方案多种多样,与汽车电子的信息化结合在一起,给人们想象的空间非常广阔。未来的汽车电子系统将包括:汽车电子控制系统、信息系统、驾驶动态信息系统等等,汽车雷达在未来汽车电子系统中占据基础地位,它是智能汽车的眼睛。需要注意的是:随着图像传感器的发展,汽车安全系统的开发多了一个新的发展思路。如图6所示,这对中国汽车行业来说,既是机遇,也是巨大的挑战。
 
图6:未来的汽车电子系统

未来的汽车电子系统将由安全驾驶控制系统和信息系统两大部分组成。汽车雷达网络相对于其它系统,技术门槛要低得多。目前,中国汽车雷达的开发还主要集中在汽车倒车雷达、汽车雷达测速器的开发上面,所使用的技术和频段差别很大,还没有从器件、频率分配、汽车雷达网络结构、近距离和远距离雷达传感器、运动目标位置估算算法、运动目标的分类、汽车专用信号处理器等多层次、系统和产业链的角度来研究和开发汽车雷达网络技术,这与国际上日益普及的汽车雷达研究与应用相比,还存在很大的反差。这种状况与中国作为全球的汽车消费大国的地位是不相适应的。

通过汽车雷达网络的开发,可以带动车载网络技术、车载计算技术的发展,并推进中国传感器产业的技术升级。这些研究和开发工作的基础之一是频段分配问题,它是中国企业参与竞争不可回避的重要技术和经济问题。

本文总结

通过本文所介绍的内容,希望中国汽车电子行业认清现状,把握市场机遇,为汽车雷达网络的应用普及,为给司乘人员提供更加安全和舒适的驾驶和乘车环境,为让整个社会交通事故的比例大幅度降低做出贡献,同时,在即将形成的巨大的汽车雷达网络系统行业争得一席之地。

参考文献

1、国际电子商情,“汽车电子市场将持续增长,不同产品有所差别”,2003年08月12日
2、Roke Manor Research Limited, “Automotive Radar”, March 2003
3、Safety Electronics Restraint Systems, “Multifunctional Automotive Radar Network”, 2003
4、Technical University of Hamburg-Harburg,“Object Classification with Automotive Radar”,2001
5、Hitachi Research And Development Group,“Compact And Low Cost Modules For Automotive Radar Applications”,June 2003
6、Spectrum Planning Team of Australian Communications Authority,“A Review of Automotive Radar System-Devices And Regulatory Frameworks”,April 2001
7、Technical University Hamburg-Harburg,“Multistatic Radar Principles for Automotive RadarNet Applications”,2003
8、Hitachi Review,“Vehicle Control and Information Systems for Safe Driving”,2003

该文作者为上海情报服务平台兼职情报分析员。周智勇,深圳市康桥信息咨询研究所总工程师,联系方式editor@kqinfochina.com


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