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mmWave 延伸 3D 感测视线,帮汽车/机器开"天眼"

时间:2019-03-18 11:05来源:Compotech 作者:任苙萍 点击:
毫米波 (mmWave) 是指波长介于 1~10 毫米的电磁波,工作频率约在 10~300 GHz,高于无线电波、低于可见光及红外光,兼具光波导引与电磁波导引特性;虽已有 140 GHz 天线样品问世,但 24、77、79、94 GHz 是当下热门频段,而 60 GHz 有加温之势。如前文所述,车用雷达是毫米波感测的重点项目,高速或自动驾驶尤需拉大感测距离,行车安全才能多一份保障;美国国家公路交通安全管理局 (NHTSA) 已将自动紧急煞车 (AEB) 系统列为新车标配,中国大陆 2018 年新版新车评价指标 (C-NCAP) 亦纳入主动安全系统,皆少不了毫米波雷达相助。
 

图1:由于机动性高,光束扫描不足以满足汽车应用低延迟要求,而毫米波可利用车辆和机器学习工具的态势感知预测波束信息,包括最佳波束对指数、波束功率及联合优化
资料来源:
http://utsaves.org/initiatives/millimeter-wave-vehicular-beam-prediction-with-situational-awareness
 
77GHz 长距+79 GHz 短距将成范本
24GHz 因"绕射"(diffraction,电磁波遇障碍物会偏离原来直线传播路径) 能力强,且信号损失、衰减小,是最早初试啼声者。然由于欧洲早先已将 24GHz 分配给天文和电信工业应用,为减少干扰,欧盟决议限制 24GHz 发射功率,使距离大幅受限;且分辨率也受限于带宽、无法拉高,无法辨识物体具体样貌,故只能用于车侧盲点侦测 (BSD)、车道偏移警示 (LDW)、自动跟车等短距离感测。77GHz 频率高、波长短,距离和速度的检测精度较高,适用于长距离自动紧急煞车、适应性巡航 (ACC)、前方碰撞预防 (FCW) 等。
 
2015 年世界无线电通信大会定调将 77GHz 作为车载雷达之用,已成国际标准;至于 79GHz,侦测角度达 120 度,远高于 24GHz 的 60 度和 77GHz 的 30 度,视角更见宽阔,4GHz 的带宽亦在传输速率上大胜;惟距离分辨率 (range resolution,能清楚分辨两个物体的最近距离) 不如 77GHz,但足以取代 24GHz 短距雷达:带宽更大、抗干扰能力更强、设备更小、更易于安装。还有一个较少被提及的原因:利于车用雷达接口统一。现行 24GHz 天线采用的是 SMA 接口,而 77GHz、79GHz 则是通过"波导"(waveguide) 接口馈入信号。
 
同属高频制程,有利器件集成
同样采用高频毫米波加上制程沿革,更有利集成:从砷化镓 (GaAs) 走到硅锗 (SiGe),再进入互补金属氧化物半导体 (CMOS) 时代,晶体管密度更高、功耗更低、体积更小——英飞凌 (Infineon)、亚德诺 (ADI)、电装天 (Fujitsu Ten)、德州仪器 (TI) 皆采 CMOS 制作高频毫米波雷达收发芯片,亦顺势拉开将微控制器 (MCU)、数字信号处理器 (DSP),与信号放大器、射频 (RF) 等模拟前端 (AFE) 整合序幕。自动因应多变的行车环境动态调整频率,是车用雷达感测的另一挑战,以便自主感知周遭车辆雷达的频率、便实时应对进退,发挥车联网 (V2X) 效益。
 

图2:各种基于发射器功率的毫米波无线电制程
资料来源:ADI 官网;
https://www.analog.com/en/technical-articles/bits-to-beams-rf-technology-evolution-for-5g-millimeter-wave-radios.html
 
但先决条件是:雷达传感器必须能穿透塑料、墙壁、衣服、玻璃等阻隔,并经得起风霜雨雪雾和强烈光照等气候考验。随着元器件走向整合,导入技术门坎变低、成本也日渐亲民,毫米波开始试探汽车之外的应用,例如,24GHz 可用智慧家庭、工业机器人等短距感测控制;而 60GHz 因具备以下特性,还能用于对噪声干扰敏感的生命体征感测或有距离层次的人机互动,颇具黑马之姿:
1. 非授权频段:联邦通信委员会 (FCC) 大手笔为 57~64GHz 之间的免授权频段分配 7GHz 非信道频谱,足以实现多重 gigabit 等级的射频链路,大数据吞吐不成问题;
2. 窄波束天线:60GHz 无线电波束非常窄,可将多个收发装置安装在同一处所,互不干扰。共址无线电可基于横向、角度间隔或交叉极化天线而彼此隔离,且易于安装和排列;
3. 信号会因氧气吸收而衰减:这虽限制了 60GHz 链路可覆盖的距离,但结合小波束特性反会提高对其他 60GHz 无线电干扰的免疫力。
 
TI 在毫米波的产品线布局脉络就很清晰:AWR1x 系列符合汽车安全完整性等级
ASIL-B 要求,例如,将 77GHz 毫米波感测单芯片 (SoC)——AWR1843 安装在保险杆后面,能远至 40 公尺之外自动搜寻空置车位、停车,或侦测行人、监控车内驾驶人/乘客安全;而 IWR1x 亦将 AFE、模拟数字转换器 (ADC) 和处理器整合成一个 SoC,系统设计者不必再费神研究复杂的信号链走线,又能极小化器件尺寸、功耗和成本,更重要的是:简化了硬件配置、校准和软件开发过程——其软件开发工具包 (SDK) 囊括多种算法范例和软件库。
 

图3:使用60GHz mmWave 传感器进行人员分类 (右上角红色和蓝色标示),以及误检测缓解 (灰色)
资料来源:TI 官网;
https://e2e.ti.com/blogs_/b/industrial_strength/archive/2018/11/07/leveraging-the-60-ghz-rf-band-for-intelligent-industrial-mmwave-sensing
 
单柱难擎天,"感测融合"是解方
整体而言,"毫米波"雷达可通过信号反射,确定物体的距离、速度和角度 (即使目标物体很小),且能同时识别多个目标。相较于红外光、激光、视像等光波导引,毫米波导引对烟雾、灰尘的穿透能力强,具有全天候、全天时感测特性。业界普遍认为,实现先进驾驶辅助系统 (ADAS),一台车至少需要"1长+4中短",共5个毫米波雷达支援才够;其中,近距探测因回波和发射波的间隔非常短,多以调频连续波 (FMCW) 取代周期性发射的短脉冲。至于要达到 Level 3 以上的自动驾驶水平,"感测融合"(Sensors Fusion) 是必要手段。
 
例如,光达 (LiDAR) 是将光线投射到物体,经由反射形生 3D 轮廓、找出表面特性以判断目标物,主要作用是提供"高角度"解析的距离信息。905nm NIR 是其常用光源,角度分辨率<0.1度,远逊于利用电磁波传导的毫米波——24GHz 通常>20度,高频 77GHz 也还有 5 度以上的水平,但光达的好处是:可提供更为精细的 3D 影像,确切辨认侦测目标的形体。毫米波的远视能力虽较佳,可探测 200 公尺以上的远方物体,却无从辨认具体为何物?汽车、机车、单车或行人?自然无法推估障碍物的行进速度,亦无法及时采取适当因应措施。
 
理想场景是:先由毫米波负责大范围初步搜索,其次由光达负责精准量测距离、方位并回报中控,配合一般近红外光 (NIR) 摄像头仔细分辨障碍物类型后,采取应变措施;此外,夜视环境恐还需要红外光雷达的辅助。另有人主张,应再将远红外光 (FIR) 摄像头加入扫描阵容,借由物体的热幅射影像协助判断障碍物是否为活体?是动物、一般成人或老弱妇孺?该在多远的距离触发应对机制?当然,这还得视市况前景与建置成本而定。
(责任编辑:jane)
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