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汽車FPC之自動(dòng)駕駛的高分辨率感測(cè)雷達(dá)是游戲的一部分

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人氣：3946發(fā)布日期：2020-04-07 09:40【大中小】

作為安全激勵(lì)政策的第一個(gè)答案，OEM已經(jīng)承諾在他們的汽車上啟用自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)功能。汽車FPC小編了解到，事實(shí)上，在美國(guó)每行駛10億英里，就有12.5人死亡，自動(dòng)駕駛作為汽車行業(yè)的終極解決方案，將使這一數(shù)字在世界范圍內(nèi)盡可能的低。零死亡是相關(guān)產(chǎn)業(yè)追求的目標(biāo)，同時(shí)，先進(jìn)的輔助駕駛已成為改善道路安全的一種手段。

即使是L0級(jí)SAE，一個(gè)AEB系統(tǒng)現(xiàn)在也被要求能達(dá)到NCAP和NHTSA（美國(guó)高速公路安全管理局）最好的評(píng)分。AEB測(cè)試場(chǎng)景隨著時(shí)間的推移變得越來越復(fù)雜，從低速的AEB，到現(xiàn)在包括道路交叉口的情況，甚至在夜間和晦暗的照明條件的情況，這需要更多的傳感器，更好的分辨率，當(dāng)然也包括多傳感器融合技術(shù)。

許多人把AEB作為每輛車的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。一個(gè)例子是，日產(chǎn)在2018年推出了7款配備了美國(guó)市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)AEB功能的車型，總計(jì)100萬輛汽車，占日產(chǎn)汽車銷量的68%。其他功能，如盲點(diǎn)檢‘’、測(cè)(BSD)、后交叉交通警報(bào)(RCTA)、自適應(yīng)巡航控制(ACC)、交通擁堵輔助(TJA)、公路駕駛員(HP)、車道保持輔助(LKA)和司機(jī)監(jiān)控(DM)等，都是對(duì)ADAS包的補(bǔ)充。

在自動(dòng)駕駛方面，現(xiàn)在的2+/3級(jí)汽車可以使用特斯拉3型或奧迪A8作為兩個(gè)最著名的例子。這兩款車在概念上有很大的不同，很大程度上依賴于雷達(dá)傳感技術(shù)。通過攝像頭，超聲波傳感器以及激光雷達(dá)，奧迪A8可以處理公路駕駛員和交通擁堵輔助，而不需要司機(jī)相當(dāng)長(zhǎng)的處理時(shí)間。不過，司機(jī)需要能夠迅速收回對(duì)汽車的控制，并且仍需一個(gè)司機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)——很有可能是一個(gè)攝像頭。到第4級(jí)及以后，主要的嵌入式傳感器反饋和決策都更快，雷達(dá)技術(shù)發(fā)展也很快，因?yàn)樗梢杂行У馗兄械沫h(huán)境條件。

雷達(dá)是一種多距傳感器，從一開始，絕大多數(shù)的短程和一些中程雷達(dá)是使用24MHz所謂的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療)頻段。軟板廠了解到，這些系統(tǒng)是圍繞分離組件建立的，如ZF/TRW的AC 1000或大陸的SRR-2，這些分離組件和集成電路占系統(tǒng)成本約50%，是成本細(xì)分的最大部分。

圖：自動(dòng)駕駛安全等級(jí)和傳感技術(shù)

77 GHz頻段主要用于遠(yuǎn)距離和中程雷達(dá)傳感，使ACC和AEB成為可能，因?yàn)樵谶@一頻段上，全世界都批準(zhǔn)了55 dBm的高等效各向同性輻射功率(EIRP)。事實(shí)上，高功率和線性是OEM給出的主要規(guī)格。此外，2 GHz的可用帶寬提供了比ISM頻段所允許的250 MHz更好的距離和角度分辨率。該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是由于采用了SiGe單片集成電路(MMIC)技術(shù)而不是GaAs技術(shù)，從而部分解決了成本問題。

主要由NXP和Infineon提供的SiGe MMIC現(xiàn)在被市場(chǎng)領(lǐng)先的Tier 1大規(guī)模采用，如大陸公司、博世公司、電裝公司或安波福公司(前德爾福公司)。SiGe主要是一種8英寸的芯片技術(shù)，模具封裝需要特殊的調(diào)整。這兩家公司已經(jīng)建立了這些MMIC的扇形封裝技術(shù)，提供了高的散熱和高射頻性能。扇形技術(shù)，如Nepes的再分配芯片封裝(RCP)或Infineon的嵌入式晶圓級(jí)球柵陣列(eWLB)，允許球陣列在模具周圍展開，在模具下面留下一個(gè)氣隙，從而減少PCB基板的寄生效應(yīng)。

圖：自動(dòng)駕駛相關(guān)雷達(dá)主要供應(yīng)商和產(chǎn)品

這是ADAS市場(chǎng)的第一個(gè)變化，但隨著自動(dòng)駕駛級(jí)別向2+和更高的方向演進(jìn)，集成更多的數(shù)字功能到RFIC將是趨勢(shì)。RF CMOS已經(jīng)開始滿足這些要求。數(shù)字集成確實(shí)是CMOS技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)，而12英寸晶圓廠能夠提供中等到先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)品。挑戰(zhàn)在于射頻設(shè)計(jì)，而射頻設(shè)計(jì)已經(jīng)開始被業(yè)界所解決。RF CMOS的性能在發(fā)射功率上非常接近SiGe，剩下的挑戰(zhàn)是在全頻率和溫度范圍內(nèi)保持恒定的發(fā)射功率。TI、ADI和NXP等幾家主要公司已經(jīng)宣布，將為雷達(dá)傳感器市場(chǎng)帶來真正的變化。

TI的R FCMOS芯片將發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、VCO、ADC、DSP和MCU集成在一個(gè)采用低成本倒裝芯片球柵陣列(FC-BGA)技術(shù)的單收發(fā)信機(jī)中，有較高的分辨率。從系統(tǒng)的角度來看，這是降低雷達(dá)成本的一大步。NXP的RF CMOS芯片目前包括接收機(jī)、發(fā)射機(jī)和VCO特性。海拉將從2021年開始引進(jìn)這一新技術(shù)。與此同時(shí)，SiGe技術(shù)仍在發(fā)展，并以更完整的設(shè)計(jì)為市場(chǎng)服務(wù)。例如，Infineon公司的RXS8160PL芯片或ST的SERDA 770芯片包括接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、VCO和同一芯片上的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

圖：雷達(dá)模組集成降低了BOM成本

除了雷達(dá)MMIC的演進(jìn)，天線集成是另一個(gè)挑戰(zhàn)。例如，安波福通過使用帶有H-POL散熱器的腔波導(dǎo)進(jìn)行了區(qū)分，從而獲得了更好的形狀因子。我們可以期待未來的新型天線集成。

雷達(dá)是遠(yuǎn)程測(cè)速的最佳選擇，也是ACC或TJA的首選傳感器。然而，當(dāng)涉及到附近的物體時(shí)，它仍然缺乏鑒別和消除證偽的決斷。因此，在所有范圍內(nèi)都需要高分辨率雷達(dá)。一種與當(dāng)前硬件相結(jié)合的典型方法是利用寬帶天線來提高近場(chǎng)分辨率，同時(shí)將MIMO技術(shù)與其他天線用于遠(yuǎn)程。它可以在博世的雷達(dá)傳感器中找到。是遠(yuǎn)距離和低分辨率還是短程和良好的分辨率？這是一個(gè)權(quán)衡。除非在不犧牲距離的情況下實(shí)施其他技術(shù)來提高雷達(dá)分辨率。

這種技術(shù)包括通過放大雷達(dá)的發(fā)射和接收通道來大幅度增加天線孔徑。大陸利用這種方法建造了ARS-4。ARS-4能夠在同一板上提供高功率的遠(yuǎn)距離和短程的高分辨率。該裝置圍繞6個(gè)收發(fā)器，多個(gè)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)同時(shí)工作在同一個(gè)時(shí)鐘電源上，由一個(gè)VCO連接到兩種不同類型的貼片天線上，一個(gè)用于短天線，一個(gè)用于遠(yuǎn)程檢測(cè)。大陸公司的這一設(shè)計(jì)非常成功，進(jìn)一步提高了域界，雷達(dá)可以達(dá)到1°以下的角度分辨率，從而接近激光雷達(dá)的性能，它還可以增加仰角能力，這是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)3級(jí)及以上必須具備的。這可能是遠(yuǎn)距離雷達(dá)分辨率急劇提高的解決方案。

提高短程和中程雷達(dá)分辨率的另一種方法是增加啁啾信號(hào)的掃頻。在歐洲和日本，使用79 GHz頻段上可用的4 GHz帶寬已經(jīng)有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間了。由于美國(guó)的監(jiān)管問題，到目前為止，它還沒有在商業(yè)上推出。但隨著FCC自2017年年底以來在這方面取得的進(jìn)展，它現(xiàn)在已接近成為現(xiàn)實(shí)。為通用汽車供貨的日本阿爾卑斯電子公司(Alps Electrics)最近獲得了FCC批準(zhǔn)在美國(guó)進(jìn)行79 GHz雷達(dá)試驗(yàn)，這為打開美國(guó)超寬帶79 GHz雷達(dá)市場(chǎng)開辟了一條道路。

其他制造商，如Ainstein，IntiBeam或WHST也生產(chǎn)這類79 GHz微型高分辨率雷達(dá)。這不僅有助于實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的停車輔助功能，而且還可用于同步定位和映射(SLAM)，為被檢測(cè)對(duì)象實(shí)時(shí)提供準(zhǔn)確的距離信息。這將有助于補(bǔ)充地理定位技術(shù)的自動(dòng)駕駛，特別是在城市峽谷條件下，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)會(huì)出現(xiàn)一定的準(zhǔn)確性問題。79 GHz雷達(dá)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)街道上嵌入雷達(dá)時(shí)，干擾問題會(huì)得到緩解。然而，要充分利用79 GHz頻段，還需要解決一些技術(shù)挑戰(zhàn)，例如寬帶天線的設(shè)計(jì)。

除了傳感市場(chǎng)，傳感器融合市場(chǎng)也受到了影響。在當(dāng)前的一級(jí)ADAS中，攝像機(jī)和雷達(dá)數(shù)據(jù)在微控制器、FPGA或視覺處理器的邊緣進(jìn)行計(jì)算。對(duì)象類別、位置和速度是從不同傳感器分別發(fā)送到汽車電子控制單元的輸出信息。隨著傳感器在汽車周圍擴(kuò)散，這種解決方案在不久的將來將不再是可行的選擇。安波福是第一個(gè)通過在同一設(shè)備上耦合高分辨率的相機(jī)和雷達(dá)傳感器來呈現(xiàn)接近傳感器融合功能的設(shè)備的玩家。

另一件事是傳感器采樣不一定是同步的。傳感器融合預(yù)計(jì)將取代第2級(jí)的相機(jī)融合，首先在Mobileye視覺處理器或Xilinx FPGA。從第4級(jí)開始，傳感器融合可以包括相機(jī)、雷達(dá)和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)等融合平臺(tái)，如NVIDIA提出的融合平臺(tái)。這種解決方案已經(jīng)用于高端機(jī)器人汽車，在靠近數(shù)據(jù)中心的地方嵌入超級(jí)計(jì)算器。這種額外的計(jì)算負(fù)載可以由汽車的電池支持，在有高壓電池的電動(dòng)汽車中也是如此。然而，柔性電路板廠發(fā)現(xiàn)，每一個(gè)瓦特?cái)?shù)和這個(gè)解決方案是有代價(jià)的。高速連接在汽車上也有待開發(fā)。因此，在邊緣仍然有傳感器計(jì)算的空間，而不是集中計(jì)算接收完整的傳感器原始數(shù)據(jù)。