信号干扰危及汽车雷达安全

鲜为人知的雷达安全问题正在成为驾驶辅助和高度自动化车辆的潜在致命弱点：雷达信号相互干扰。

雷达已成为补充 CMOS 成像相机的重要传感方式。雷达可在所有天气条件下工作，并支持一系列自动驾驶功能，包括自动紧急制动 (AEB)。但是，如果雷达最终会像捉鬼敢死队的粒子加速器那样相互交叉，则它们可能会被挫败或出现故障。

虽然这还不是汽车制造商公开警告或司机普遍认为的现象，但在拥挤环境中运行的汽车雷达将面临严重干扰。

雷达的应用范围从自适应巡航控制和盲点检测到前方碰撞警告系统和智能停车辅助。要让车辆获得 360 度全景，它需要近程和远程雷达芯片。 AEB 通常使用雷达（全天候），有时使用激光雷达和摄像头来检测即将发生的碰撞。

AEB在全球市场的快速扩张已经成为雷达传感器供应商的一把双刃剑。这既是值得庆祝的原因，也是令人担忧的原因。

例如，中国新车评估计划（NCAP）已经要求2020年所有出厂的卡车必须配备AEB。从今年开始，日本的新车必须具备前后AEB功能。在美国，20 家汽车制造商已同意自愿“2022 年新车 AEB 装配率达到 100%”。面对 Euro NCAP 2019 年的要求，在欧洲销售的 90% 的汽车已经配备了最新的防撞技术以应对车对车碰撞。

恩智浦半导体预计，到 2030 年，汽车雷达普及率将跃升至 55%。在最近接受 EE Times 采访时 恩智浦半导体负责 ADAS 和 V2X 的高级产品营销经理顾欢宇警告说，雷达干扰是不可避免的，他说，“当多个雷达同时以相同或重叠的频率发射时，如果它们共享一个共同的可见路径。”

恩智浦的顾并不是唯一一个担心的人。 ST Microelectronics ADAS 和 ASIC 部门总经理 Martin Duncan 也告诉 EE Times , “事实上，我们现在有 25% 的新车配备了雷达系统，这已经是一个问题。如果您尝试实时捕捉路况，很容易看到多辆车辆的传输信息。由于我们都使用相同的频段，这可能会随着装配率的增加而恶化。”

用于主动安全和辅助驾驶系统的多个雷达传感器的部署示例（Kissinger，2012 年）

雷达拥塞的原理很简单。美国国家公路交通安全管理局 (NHTSA) 在其 2018 年 9 月发布的《雷达拥堵研究》中写道：

雷达使用辐射信号的知识来识别回波并估计环境中物体的范围和速度。这些回波不是原始信号的完美副本，而是对信号产生建设性和破坏性干扰的多重回波的总和。重要的是要了解雷达照射的物体的回波会发生波动，尤其是当场景中的相对距离、方位和其他物体发生变化时。由于多个雷达在附近运行，并且环境有多个散射源，每个雷达的性能会随着干扰水平的升高而降低。

这可能会导致安全性受损。 “最坏的情况是雷达干扰造成人员死亡。 VSI Labs 创始人兼总裁菲尔·马格尼 (Phil Magney) 指出，如今已经在雷达堆栈中更多地使用过滤器来防止误报，而不管根本原因是什么。

业界已被警告

上路的配备雷达的汽车越多，每个雷达必须学会处理其他雷达的速度越快。雷达供应商面临压力。

在受害雷达（绿色）处计算干扰并由其他车辆（红色）3产生的简单常见交通场景。 （来源：恩智浦）

雷达干扰几乎不是雷达扩散的意外后果。汽车行业已被警告。十多年前，欧洲组建了一个名为 MOSARIM（通过雷达干扰缓解为所有人带来更多安全）的项目，并于 2012 年发布了一份报告。该项目调查了“车辆间雷达干扰以及有效对抗措施和缓解技术的定义和阐述”。 ”

最近，NHTSA 进行了一项“雷达拥塞研究”，在对雷达干扰进行建模和模拟时考虑了两个问题：

• 给定的雷达从其他雷达发射器接收到多少功率？
• 这对碰撞警告系统的性能有何影响？

报告得出结论：

……在很少有其他雷达的环境中运行良好的系统在雷达拥挤的环境中可能会显着降低性能。研究结果表明，基于当前系统在拥挤环境中运行的干扰水平将是显着的。在许多车辆运行 76-81 GHz 频段雷达的情况下，其他雷达的功率可能会超过指定性能所需的目标回波功率几个数量级。

雷达之间的协作？

因此，业界对雷达交通拥堵迫在眉睫的认识已有十年之久。采取了哪些措施？

考虑到所有这些提前期，您可能希望汽车 OEM 和一级供应商制定强有力的策略来避免干扰。您可能会设想一种通过动态调整波形参数来避免干扰的雷达传感器。

这不是火箭科学。雷达社区拥有借用电信行业已部署的类似信道访问规则（如 TDMA、FDMA 和 CDMA）的专业知识。 NXP 的 Gu 表示，这种“先听后谈”的方案应该能够实现雷达之间更加结构化的通信。

不幸的是，这不是业界采用的干扰缓解措施。除了汽车雷达使用相同的分配频谱（76GHz~81GHz）这一事实外，雷达界没有任何规定。 “雷达波形参数没有规定，”顾说。

行业协议、标准化和监管从来都不是汽车行业 DNA 的一部分。

Gu 表示，如今采用的一种常见方法是“通过在时间或频率上随机化传输信号来限制干扰”。对于这种随机化背后的不合逻辑，顾说：“今天，你这样做是盲目的。这当然很好，特别是如果路上没有那么多带雷达的汽车。但如果要提高雷达传感器对干扰的鲁棒性，就必须寻求雷达传感器之间的协作。”

但这需要监管。

尽管如此，恩智浦在其自己的雷达干扰白皮书中得出结论：

最终，为了支持较高的市场渗透率，制造商之间需要某种形式的协议，以更有效地以公平的方式共享传感资源。这最后一步意味着市场上的所有参与者将不得不坐在一起来定义访问通道的标准化方式，同时保持具有差异化传感性能的可能性。

对所有人免费

独立资深汽车行业分析师 Egil Juliussen 表示，雷达一直“对所有人免费”。他解释说，为了追求创新，雷达传感器公司通常倾向于开发新的专有算法，这些算法在与传感器芯片相关的 DSP 或 MCU 上运行，以便他们的雷达能够提高成像分辨率并减少干扰。

换句话说，对于汽车行业的许多人来说，在雷达干扰问题上投入更多的信号处理是比任何行业协议或法规更受欢迎的方法。

带有数字部分 (DSP)、发射器和接收器前端的雷达传感器。干扰技术可分为旨在避免前端饱和的技术、以数字方式管理干扰的技术以及试图在干扰实际发生之前避免干扰的技术。 （来源：恩智浦）

在我们的采访中，恩智浦的顾提出了三种不同的雷达干扰缓解方法：1）避免前端饱和； 2) 通过识别和消除数字域中的干扰来管理数字干扰； 3）动态调整波形参数，避免干扰。

在当前的 77GHz 频谱中，第三种方法已经被认为最不可能被采用。顾解释说，“人们认为为时已晚，因为我们已经在路上安装了太多的雷达传感器，而这些传感器不会协同工作。”他补充说，如果该频段可用于雷达，该计划可能会“在未来应用于 140Ghz 频率。”

第一种——更有可能——的方法是设计避免前端饱和的技术。在这里，至少可以接收到一部分有用信号，并采取适当的对策。 “你可以通过为雷达接收器提供两种不同的增益设置来做到这一点，”顾说。或者，该系统可以包括“空间归零”，其中前端使用多个天线在产生干扰的方向上使自身失明。 Gu解释说，这种方法旨在在干扰信号使前端饱和之前消除它。

像恩智浦这样的雷达芯片供应商往往专注于处理数字域中的干扰——在 DSP 中。 “当然，前提是有用信号实际上没有被强信号掩盖。”顾说。

确定干扰信号较弱后，可与有用信号一起进行数字化处理，而不会造成前端饱和。

但根据恩智浦的说法，游戏的名称首先是识别信号是否已损坏，这说起来容易做起来难。这样做的技术取决于受害雷达和干扰的特定雷达波形。由于当今的监管框架允许构建雷达波形的方式各不相同，因此每个雷达传感器制造商都会选择自己的方式，这使得该过程不仅多样化而且棘手。

汽车雷达的实际标准是调频连续波 (FMCW) 雷达。 FMCW 提供了非常好的性能，相对简单和优雅。据恩智浦称，它通过低带宽 ADC 覆盖大带宽，并提供对目标速度的稳健估计。但它有一些警告。

不同的制造商使用不同的 FMCW 波形参数设置来区分他们的产品主张并涵盖不同的应用需求，例如载波频率、带宽、线性调频持续时间、采样时间、感测周期的持续时间以及感测周期内改变参数的不同方式。

回顾一下：雷达传感器首先需要识别是否存在干扰。干扰检测通过识别外来信号的独特特征来工作。一旦检测到干扰，系统算法必须在不破坏或去除有用信号的情况下，尽可能将其从接收信号中完全去除。

这一切都不应该让雷达社区的任何人感到惊讶。 “市场上有教科书式的信号处理算法，而且它们已经被业界使用，”顾说。

然而，教科书算法有局限性，他指出。 “它们通常仅限于处理低相关干扰。而且它们也只能处理非常有限数量的干扰——一次一两个。”

恩智浦的目标是进一步开发其差异化的先进数字信号算法以消除干扰。

ST 正在研究自己的方法论。 Duncan 说：“如果您知道雷达啁啾是什么意思，您就可以轻松过滤/忽略杂散信号。也可以在啁啾之间引入签名。”

然而，邓肯补充说，“如果对传输的内容有更多的标准化/共享，这将有助于消除不需要的信号的对策。”

感觉到雷达干扰了吗？

NHTSA 列出了几种模拟雷达拥塞中预期干扰的场景。

• 在双车道高速公路上的交通情况下，假设雷达使用随机选择的载波频率，NHTSA 预测“汽车雷达会遇到来自其他雷达的功率远远大于其自身传输所需的回波跟踪其他车辆。干扰接近四个数量级，或接近 40 dB，比系统指定的参考目标的典型回波大。”
• 在面向后方的雷达（如盲点检测系统）中，“这些装置容易受到利用更高功率和天线增益的前方防撞雷达直接到达的影响。”该研究称：“我们的分析表明，这些装置可能会受到前向避碰雷达的干扰功率，该干扰功率比其指定参考目标的反射高近五个数量级，即 50 dB。”

然而，到目前为止，还没有感受到雷达对现实世界道路的影响。

VSI 实验室的 Magney 说：“雷达对雷达的干扰仍然是一个未知数，而且作为几乎每天都在使用雷达的应用研究人员，VSI 不能说我们在公共道路上进行测试时曾经历过来自另一辆车的雷达对雷达的干扰。” . “我们可以假设我们暴露在外，因为今天道路上的许多车辆都配备了短距离和长距离雷达的组合，”他补充道。

在周一的特斯拉第一季度财务电话会议上，首席执行官埃隆马斯克重申了取消特斯拉汽车雷达的计划，使雷达干扰问题变得没有实际意义——至少对于特斯拉汽车而言。

然而，其他汽车原始设备制造商、一级供应商和汽车技术供应商不会很快放弃雷达。

VSI 的 Magney 强调说，雷达尤其重要，因为它们是防风雨的。 “雷达是最具成本效益的 ADAS 传感器之一，未来几年其普及率将大幅增长。”

>> 本文最初发表在我们的姊妹网站 EE次。

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