自动驾驶下半场：DCM 技术如何突破雷达感知瓶颈？

作为自动驾驶系统的“眼睛”，雷达通过对目标物体发射并接收电磁波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、多普勒频率、方位角、仰角等信息。相比摄像头等其他传感器，雷达几乎不受天气与光线的影响，能够实现全天时、全天候探测，因此也是实现高级别自动驾驶技术的关键传感器。
 
在过去的30年，大部分汽车雷达采用调频连续波（FMCW）技术，雷达信号处理是在模拟电路中完成的。近几年随着自动驾驶技术向更高级别过渡，对汽车雷达的分辨率和准确度提出了更高要求，更为先进的数字编码调制（DCM）技术受到了关注。在DCM中，信号处理主要以数字方式进行。本文将从多个维度探讨DCM 雷达的技术优势。
 
FMCW 与 DCM 雷达技术

FMCW 和 DCM 雷达的基本区别在于它们传输的信号。FMCW 传输信号的短脉冲，在其传输周期内频率会增加。在当前的汽车雷达中，FMCW 信号通常占用 50MHz 的带宽。而DCM 雷达传输包含特殊编码序列的较长脉冲信号，占用 1GHz 至 2GHz 的带宽。
 
对比度

对比度是指雷达区分两个近距离目标的能力。也就是说，雷达能够检测到并分辨两个紧密间隔目标之间的反射信号差异。典型的例子是检测站在汽车旁边的儿童。相对汽车（强反射物）而言，儿童是弱反射物。
 
雷达发射和接收信号的天线是使用多个辐射元件构建的，具有较少天线元件的雷达具有较宽的主瓣和相对较高的旁瓣，因而对比度较低，无法区分距离很近的儿童和汽车。而具有较多天线元件的雷达，例如 Uhnder 的 DCM 雷达，会产生更窄的天线波束和相对较低的旁瓣（相对于主瓣），从而提供更高的对比度。
 
此外，DCM 雷达的对比度优势还来自于 DCM 波形。DCM 使用调制到射频载波相位的扩频序列，这些扩频序列具有所谓的“处理增益”。也就是说，当接收信号与发出的信号相关时，接收到的信号会被放大。因此，回波也随着传输的扩频波形而被放大。这有效提高了雷达检测小目标（例如儿童）的能力。
 
抗干扰

随着新车上搭载的雷达数量越来越多，雷达间的信号干扰问题也日益引起重视。想象在两条车道上往相反方向行驶的两辆汽车，当它们靠近时，车上雷达发出的信号会相互干扰，从而影响探测目标的能力。基于 DCM 技术的雷达能够通过以下三种方式解决干扰问题。
 

• 感应和监测干扰：DCM 雷达可以感应干扰源是来自 FMCW 还是 DCM 雷达的信号，并监测干扰，以减轻或避免干扰。

 

• 减轻干扰：如果干扰信号在同一频段，并且与雷达接收回波的时隙重合，DCM雷达可以抑制或减轻这种干扰的影响。 例如，搭载 Uhnder 当前芯片版本的 DCM 雷达可同时减轻多达八个 FMCW 干扰。此外，由于每个 DCM 雷达发射的信号都有独特的扩频序列，具有相同序列的信号会被放大，而具有不同序列号的信号会被抑制，从而有助于 DCM 雷达减轻信号干扰。

 

• 避免干扰：在感应和监测的基础上，DCM 雷达可以改变其工作频段或传输时隙，以避免与工作在相同时隙和频段的另一台雷达发生冲突。

 
尺寸

雷达的尺寸很大程度上取决于天线的尺寸（发射和接收元件的数量）、印刷电路板（PCB）上的元件数量和散热要求。如果雷达消耗的功率更高，则需要更大的散热器（表面积），雷达尺寸也会更大。
 
我们知道，体积大的雷达很难安装在车上。为了减小雷达尺寸，一些设计人员考虑使用稀疏阵列来减小天线的尺寸。稀疏阵列具有更少的元件，但也意味着元件需要处理的信号更密集。大多数 FMCW 雷达无法支持这种处理能力，需要外部数字处理器支持，这在一定程度上增加了功耗、尺寸和成本。
 
搭载 Uhnder 芯片的 DCM 雷达外形小巧，从而为 OEM 及雷达供应商在设计传感方案时提供更大的灵活性。例如，汽车制造商可以并排使用3个超薄 DCM 雷达：使用1个用于短程探测，2个联合使用可作中程探测，3个联合使用可作远程探测。
 
模块化

模块化将有助于降低工程开发成本，并简化供应链和制造流程。通过模块化，制造商可以使用基本的雷达芯片构建短程（SRR）、中程（MRR）、远程（LRR）和超远程（SLRR）雷达，并通过软件编程实现不同的分辨率。
 
实现模块化有两种方法。一是将基本雷达芯片与额外的数字处理芯片级联，以构建更复杂的雷达。使用这种方法能够优化最简单且便宜的雷达解决方案，但同时整体成本和功率也会更高。许多 FMCW 雷达都采用这种方法。
 
第二种方法是构建功能更强大的、且支持编程的雷达芯片。使用这种方法，芯片成本会略微增加，但产品的总体拥有成本（TCO）依旧非常具有吸引力。这也是 Uhnder 的DCM 雷达芯片遵循的方法。Uhnder 的DCM 雷达芯片可通过编程选择发射器与接收器的数量。此外，芯片附带的可编程软件堆栈可以帮助制造商降低相关工程开发成本。
 
功率

目前市面上商用的 FMCW 芯片支持 3 或 4 个发射器和 4 个接收器（3x4 或 4x4），而 Uhnder 的 DCM 雷达芯片支持 12 个发射器和 16 个接收器（12x16）。雷达波的波束宽度与发射元件和接收元件数量的乘积成反比，波束越窄，分辨率越高，因此Uhnder的DCM雷达能够提供更高的分辨率。
 
虽然，3x4 或 4x4 FMCW 雷达芯片可以通过级联（3 或 4 个芯片）提高分辨率。 但在这种情况下，雷达需要 3-4 个雷达芯片和一个单独的数字处理器芯片，将各个 FMCW 雷达芯片的输出有效地组合起来。这意味着这种解决方案总共需要 4 或 5 个芯片，这些芯片还需要更精细的电源子系统，这样整体配置会比单个 DCM 雷达芯片及其电源消耗更多的功率。
 
关于功率，还存在一个误解是，由于 DCM 雷达的带宽较宽，它需要一个复杂的高功率 A/D 转换器。对一般的A/D 转换器设计而言确实如此，但Uhnder 使用独特的交错式 A/D 转换器设计，能够以低功耗提供高动态范围，并可针对不同的带宽进行调谐。
 
成本

要实现高分辨率，FMCW 系统往往需要更多的芯片（3-4 个雷达芯片、一个数字处理器芯片和一个更昂贵的电源管理芯片）。此外，这些芯片还需要更复杂的印刷电路板（PCB）布局和更大的 PCB 面积。76-81 GHz 的 PCB 需要特殊材料并且价格昂贵。
 
芯片数量越多，意味着周围的组件数量越多，例如去耦电容器。而且由于高分辨率 FMCW 系统会消耗更多功率，因此需要更复杂的热管理系统。也就是说，芯片产生的热量必须以有效的方式散发。这增加了整体设计的复杂性、尺寸和成本。
 
传感器融合

除了雷达以外，摄像头也是当前车辆 ADAS 系统的重要传感器。摄像头擅长识别物体的形状和颜色，但在恶劣的天气或黑暗的环境中表现不佳，而雷达则可以全天时、全天候提供场景中目标的距离和速度信息。通过使用深度神经网络（DNN）等算法融合雷达+摄像头的信息，能够进一步提升自动驾驶的安全性能。
 

 
根据信息论，更多的信息可以帮助改进决策。雷达获取的新信息量（H(Y)）取决于雷达的分辨率，而雷达的分辨率又取决于天线元件的数量。在雷达中，发射和接收天线元件的数量就是它的眼睛。 如果雷达有更多的发射和接收天线元件（虚拟通道），就可以看得更远，并在视场中的不同角度检测到更多物体。
 
Uhnder 的单个 DCM 雷达芯片提供 192 个虚拟通道，而市场上常见的 FMCW 雷达提供 12 到 16 个虚拟通道。少数较新的 FMCW 雷达有 288 个虚拟接收器，但并未普及。FMCW雷达芯片可以通过级联提供更多的虚拟通道，有的供应商使用级联提供 192 到 2300 个通道。不过，DCM 雷达也可以通过级联四颗芯片来提供 3072 个通道。但联芯片的时候，雷达系统的复杂性、成本和功耗都会显着增加。
 
综上所述，基于 DCM 技术的雷达在对比度、抗干扰性、尺寸、功率和成本等方面具有优势。此外，由于 DCM 雷达设计支持软件编程，及其本身的模块化特性，能够为当今的汽车设计提供更灵活的解决方案。
 
2015 年成立的 Uhnder 率先将 DCM 技术引入汽车雷达，并成功开发了首款车规级 4D 数字成像雷达芯片及相关软件，为自动驾驶技术提供更精确的数字感知。2018年，麦格纳（Magna）采用 Uhnder 的雷达芯片推出了 ICON 数字雷达，并于2021年宣布电动汽车制造商菲斯克（Fisker）的Ocean SUV将搭载这款数字雷达。此外，Uhnder 还与黑芝麻智能、欧菲光、复睿智行等众多领先的企业建立合作关系，共同推动基于 DCM 技术雷达产品的应用，助力自动驾驶安全。