信号干渉は自動車レーダーの安全性を損なう
レーダーの安全性に関するあまり注目されていない問題は、ドライバーアシストおよび高度に自動化された車両の潜在的なアキレス腱として浮上しています。レーダー信号は互いに干渉します。
レーダーは、CMOSイメージングカメラを補完する重要なセンシングモダリティになりました。レーダーはすべての気象条件で機能し、自動緊急ブレーキ（AEB）を含むさまざまな自動運転機能を有効にします。しかし、ゴーストバスターズの粒子加速器のように、レーダーが互いに交差する場合、レーダーは失敗したり、故障したりする可能性があります。
「私があなたに伝えるのを忘れた非常に重要なことがあります。
小川を渡らないでください。悪いでしょう。」
これはまだ自動車メーカーによって公に警告されたり、ドライバーによって一般的に認識されたりする現象ではありませんが、混雑した環境で動作する自動車レーダーは重大な干渉に直面します。
レーダーのアプリケーションセグメントは、アダプティブクルーズコントロールやブラインドスポット検出から、前方衝突警報システムやインテリジェントパークアシストまで多岐にわたります。車両が360度の視野を得るには、短距離レーダーチップと長距離レーダーチップの両方が必要です。 AEBは通常、レーダー（全天候型）を使用し、場合によってはLIDARとカメラを使用して、差し迫った衝突を検出します。
世界市場でのAEBの急速な普及は、レーダーセンサーサプライヤーにとって両刃の剣になりました。それはお祝いの原因であると同時に懸念の源でもあります。
たとえば、中国の新車アセスメントプログラム（NCAP）は、2020年に工場から市場に出るすべてのトラックにAEBを義務付けています。日本の新車は、今年からフロントとリアのAEB機能を備えている必要があります。米国では、20の自動車メーカーが自主的な「2022年の新車の100％AEB適合率」に同意しています。 Euro NCAPの2019年の要件に直面して、ヨーロッパで販売される車の90％には、車同士の衝突に対する最新の衝突回避技術がすでに搭載されています。
NXPセミコンダクターズは、自動車レーダーの普及率が2030年に55％に跳ね上がると予測しています。 EETimes との最近のインタビューで 、Huanyu Gu、ADASおよびV2Xを担当するNXPセミコンダクターズのシニアプロダクトマーケティングマネージャーは、レーダー干渉は避けられないと警告しました。目に見えるパス。」
心配しているのはNXPのGuだけではありません。 STMicroelectronicsのADASおよびASIC部門のゼネラルマネージャーであるMartinDuncanも、 EE Times に語りました。 、「レーダーシステムを搭載した新車の25％が現在あるという事実は、すでに問題になっています。リアルタイムの道路状況をキャプチャしようとすると、複数の車両からの送信を非常に簡単に確認できます。私たち全員が同じ周波数帯を使用しているため、装着率が上がるにつれてこれは悪化する可能性があります。」
アクティブセーフティおよび補助運転システムに使用される複数のレーダーセンサーの展開例（Kissinger、2012年）
レーダー輻輳の原理は単純明快です。国道交通安全局（NHTSA）は、2018年9月に発行された「レーダー混雑調査」に次のように書いています。
レーダーは、放射信号の知識を使用してエコーを識別し、環境内のオブジェクトの範囲と速度を推定します。これらのエコーは元の信号の完全なコピーではありませんが、信号を建設的および破壊的に妨害する複数のリターンの合計です。レーダーによって照らされたオブジェクトからのリターンは、特にシーン内の相対的な範囲、アスペクト、およびその他のオブジェクトが変化したときに変動することを理解することが重要です。複数のレーダーが近接して動作し、複数の散乱源が存在する環境では、干渉レベルが高くなると、各レーダーのパフォーマンスが低下します。
安全性の低下につながる可能性があります。 「最悪のシナリオは、レーダー干渉によって引き起こされる死亡者です。根本的な原因に関係なく、今日、レーダースタックでの誤検知に対するフィルタリングの使用がすでに高まっています」とVSILabsの創設者兼社長であるPhilMagney氏は述べています。
業界は警告を受けていました
レーダーを装備した車が道路に衝突するほど、各レーダーは他のレーダーの存在に対処するために学習する必要があります。レーダーサプライヤーはプレッシャーにさらされています。
干渉が被害者レーダーで計算され（緑）、他の車両によって生成される（赤）単純な一般的な交通シナリオ3。 （出典：NXP）
レーダー干渉は、レーダー拡散の予期しない結果ではありません。自動車業界は警告を受けていました。 10年以上前、ヨーロッパはMOSARIM（レーダー干渉軽減によるすべての人のMOre Safety）と呼ばれるプロジェクトをまとめ、2012年にレポートを発行しました。このプロジェクトは「相互車両レーダー干渉と効果的な対策および軽減技術の定義と精緻化」を調査しました。 」
最近、NHTSAは「レーダー混雑調査」を実施し、2つの質問を念頭に置いてレーダー干渉をモデル化およびシミュレートしました。
- 特定のレーダーは他のレーダー送信機からどのくらいの電力を受け取りますか？
- これは衝突警告システムのパフォーマンスにどのように影響しますか？
レポートの結論：
…他のレーダーがほとんどない環境で正常に動作するシステムは、レーダーが混雑している環境でパフォーマンスが大幅に低下する可能性があります。調査の結果は、混雑した環境での現在のシステムの動作に基づく干渉のレベルが重要になることを示しています。多くの車両が76〜81 GHz帯域でレーダーを運用しているシナリオでは、他のレーダーからの電力が、指定されたパフォーマンスに必要なターゲットからのエコーの電力を数桁超える可能性があります。
レーダー間のコラボレーション？
したがって、業界はレーダー交通渋滞の差し迫ったことについて10年前から知っていました。どのような行動を取りましたか？
このすべてのリードタイムで、自動車OEMとTier1が干渉を回避するための強力な戦略を開発することを期待するかもしれません。波形パラメータを動的に適応させることで干渉を回避するレーダーセンサーを想像するかもしれません。
これはロケット科学ではありません。レーダーコミュニティには、電気通信業界ですでに展開されている同様のタイプのチャネルアクセスルールを借用するノウハウがあります（TDMA、FDMA、およびCDMAなど）。このような「リッスンビフォアトーク」スキームにより、レーダー間のより構造化された通信が可能になるはずです、とNXPのGuは述べています。
残念ながら、それは業界で採用されている干渉の軽減ではありません。自動車用レーダーが同じ割り当てられた周波数スペクトル（76GHz〜81GHz）を使用するという事実を除けば、レーダーコミュニティには規制がありません。 「レーダー波形パラメータは規制されていません」とGu氏は述べています。
業界の合意、標準化、規制は、自動車業界のDNAの一部ではありませんでした。
Guによれば、今日採用されている一般的なアプローチは、「送信信号を時間または周波数のいずれかでランダム化することによって干渉を制限すること」です。このランダム化の背後にある非論理性を認めて、Guは次のように述べています。レーダーを搭載した車が道路上にそれほど多くない場合は特に、これは確かに問題ありません。ただし、干渉に対するレーダーセンサーの堅牢性を向上させるには、レーダーセンサー間のコラボレーションを探す必要があります。」
しかし、それには規制が必要です。
それにもかかわらず、レーダー干渉に関する独自のホワイトペーパーで、NXPは次のように結論付けています。
最終的には、高い市場浸透をサポートするために、センシングリソースをより効果的に公平に共有するために、メーカー間の何らかの形の合意が必要になります。この最後のステップは、市場のすべてのプレーヤーが一緒に座って、チャネルにアクセスするための標準化された方法を定義すると同時に、差別化されたセンシングパフォーマンスを持つ可能性を維持する必要があることを意味します。
すべて無料
レーダーは常に「すべての人に無料」でした、と独立したベテランの自動車産業アナリストであるEgilJuliussenは観察しました。革新を追求するために、レーダーセンサー会社は通常、センサーチップに関連付けられたDSPまたはMCUで実行される新しい独自のアルゴリズムを開発する傾向があります。これにより、レーダーは画像の解像度を向上させ、干渉を軽減できます。
言い換えれば、自動車業界の多くの人にとって、レーダー干渉の問題でより多くの信号処理を行うことは、業界の合意や規制よりも好ましいアプローチです。
デジタルパーツ（DSP）を備えたレーダーセンサー、送信機と受信機のフロントエンド。干渉技術は、フロントエンドの飽和を回避するように設計された技術、干渉をデジタルで管理する技術、および実際に発生する前に干渉を回避しようとする技術にグループ化できます。 （出典：NXP）
インタビュー中に、NXPのGuは、レーダー干渉を軽減するための3つの異なるアプローチを提案しました。1）フロントエンドでの飽和を回避する。 2）デジタルドメインの干渉を認識して除去することにより、デジタル干渉を管理します。 3）波形パラメータを動的に調整して干渉を回避します。
3番目のアプローチは、現在の77GHzスペクトルで採用される可能性が最も低いとすでに考えられています。 Gu氏は、「道路上にレーダーセンサーが多すぎて、それらのセンサーが連携しないため、手遅れだと考えています」と説明しました。彼は、このスキームは「将来、その帯域がレーダーで利用できるようになれば、140Ghzの周波数に適用される可能性がある」と付け加えました。
最初の（より可能性が高い）アプローチは、フロントエンドの飽和を回避する手法を考案することです。ここでは、必要な信号の少なくとも一部を受信し、適切な対策を講じることができます。 「これを行うには、レーダー受信機に2つの異なるゲイン設定を提供します」とGu氏は述べています。あるいは、システムに「空間ヌル」を含めることもできます。この場合、フロントエンドは複数のアンテナを使用して、干渉を生成する方向にそれ自体をブラインドします。このアプローチは、フロントエンドを飽和させる前に干渉信号を排除しようとします、とGuは説明しました。
NXPのようなレーダーチップサプライヤーは、デジタルドメイン（DSP）での干渉の処理に重点を置く傾向があります。 「もちろん、その前提条件は、実際に必要な信号が強い信号に埋もれていないことです」とGu氏は述べています。
干渉信号が比較的弱いと判断した後、フロントエンドを飽和させることなく、必要な信号と一緒にデジタル化できます。
しかし、ゲームの名前は、信号が破損しているかどうかを最初に認識することです。これは、NXPによると、言うのは簡単です。そのための手法は、被害者レーダーと干渉の両方の特定のレーダー波形に依存します。今日の規制の枠組みではレーダー波形を作成するさまざまな方法が許可されているため、レーダーセンサーのメーカーはすべて独自の方法を選択しており、プロセスが多様であるだけでなく、注意が必要です。
自動車レーダーの事実上の標準は、周波数変調連続波（FMCW）レーダーです。 FMCWは、比較的シンプルでエレガントな非常に優れたパフォーマンスを提供します。 NXPによると、低帯域幅のADCで広い帯域幅をカバーし、ターゲット速度のロバスト推定を提供します。ただし、いくつかの注意点があります。
さまざまなメーカーがFMCW波形のさまざまなパラメータ設定を使用して、製品提案を差別化し、キャリア周波数、帯域幅、チャープ持続時間、サンプリング時間、センシングサイクルの持続時間、センシング期間中のパラメータ変更のさまざまな方法など、さまざまなアプリケーション要件に対応しています。
要約すると、レーダーセンサーは最初に干渉源があるかどうかを認識する必要があります。干渉の検出は、エイリアン信号の固有の特性を認識することによって機能します。干渉が検出されると、システムアルゴリズムは、必要な信号を破損または削除せずに、受信信号から干渉を可能な限り完全に削除する必要があります。
これのどれもレーダーコミュニティの誰も驚かないはずです。 「市場には教科書の信号処理アルゴリズムがあり、それらはすでに業界で使用されています」とGu氏は述べています。
しかし、教科書のアルゴリズムには限界があると彼は述べた。 「多くの場合、相関性の低い干渉の処理に限定されます。また、一度に1つか2つの非常に限られた数の干渉しか処理できません。」
NXPの目標は、干渉を除去するための差別化された高度なデジタル信号アルゴリズムをさらに開発することです。
STは独自の方法論に取り組んでいます。ダンカン氏は、次のように述べています。「レーダーチャープの意味を理解していれば、スプリアス信号を簡単にフィルタリング/無視できます。チャープ間に署名を導入することも可能です。」
しかし、ダンカン氏は、「送信されるものについてより多くの標準化/共有があれば、不要な信号を除去するための対策に役立つだろう」と付け加えました。
レーダー干渉を感じますか？
NHTSAは、レーダーの混雑で予想される干渉をシミュレートするいくつかのシナリオを提示しました。
- 2車線の高速道路の交通の場合、レーダーがランダムに選択された搬送周波数を使用すると仮定すると、NHTSAは、「自動車レーダーは、追跡に必要な自身の送信のエコーよりもはるかに大きい他のレーダーからの電力に遭遇するだろう」と予測しました。他の車両。干渉は、システムに指定されているように、参照ターゲットに典型的なエコーよりも4桁、つまり40dB近く大きくなります。」
- （死角検出システムのように）後方を向いているレーダーでは、「これらのユニットは、より高い電力とアンテナゲインを利用する前方衝突回避レーダーの直接到着に対して脆弱です。」調査によると、「私たちの分析によると、これらのユニットは、指定された基準ターゲットからの反射よりも5桁近く、つまり50dB大きい前方衝突回避レーダーからの干渉電力を経験する可能性があります。」
ただし、これまでのところ、レーダーの影響は実際の道路では感じられていません。
「レーダーからレーダーへの干渉はまだ不明であり、ほぼ毎日レーダーを扱う応用研究者として、VSIは、公道でのテスト中に別の車両からのレーダーからレーダーへの干渉を経験したことがあるとは言えません」とVSILabsのMagneyは述べています。 。 「今日の道路上の非常に多くの車両には、短距離から長距離までのレーダーが混在しているため、私たちは露出していると推測できます」と彼は付け加えました。
月曜日のテスラの第1四半期のファイナンシャルコールで、CEOのElon Muskは、テスラ車からレーダーを排除する計画を繰り返し、少なくともテスラ車ではレーダー干渉の問題を解決しました。
ただし、他の自動車OEM、Tier 1、自動車技術サプライヤーは、すぐにレーダーを捨てることはありません。
特にレーダーは、耐候性があり、VSIのマグニーにストレスを与えているため重要です。 「レーダーは最も費用効果の高いADASセンサーの1つであり、普及率は今後数年間で劇的に増加します。」
>>この記事は、もともと姉妹サイトEEで公開されました。タイムズ。
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