為了在高度自動化的車輛中增加對於現實世界的情境意識,許多汽車製造商開始接受在每個機箱週遭佈署各種感測器類型的必要性。然而,他們並未考慮到的是這些感測器的品質。例如,當今的視覺、光達(LiDar)與雷達感測器的性能如何?車用感測器需要具備哪些要求?

Metawave是今年初才從Xerox PARC研究中心獨立而出的新創公司,但有信心能改變汽車產業所認定的「傳統雷達限制」。目前,車用雷達「看」不到遙遠的物體,也無法辨別所看到的東西。其處理速度還不足以因應在高速公路行駛時運作。

簡言之,攝影機或光達都能看到的物體,當今的車用雷達不一定都能看到。它唯一可取之處在於能在全天候的情況下運作。

Metawave在今年一月成立,憑藉著從PARC獲得的專有授權為超材料雷達與天線進行商用化,目前正大力宣傳其「全雷達封裝」技術。Metawave計劃在2018年1月的國際消費電子展(CES)上展示這款原型。

超材料是佈署於印刷電路板(PCE) 上的小型軟體控制工程結構。據該公司指稱能以從前僅限於軍用系統(較強大且昂貴)的方式導引電磁波束。

然而,Metawave並未把當今車用感測器的問題歸咎於雷達晶片——主要是由恩智浦(NXP)、英飛凌(Infineon)或德州儀器(Texas Instruments;TI)等供應商所設計。事實上,Metawave的全雷達封裝並不受特定雷達晶片限制。相反地,該新創公司認為問題出在雷達感測器(包括天線)中的波束成形技術,導致了解析度與速度方面的問題。

回歸類比

Matawave執行長Maha Achour認為,現在正是業界讓「雷達平台回歸類比」的時候了。她強調,「我們仍然存在於類比世界,汽車也是如此。因此,Metawave計劃打造一個可負擔的高性能類比雷達平台,而不至於面對像軍事級操作時的複雜度和成本。」

20171031_Metawave _NT01P1 Metawave的類比雷達技術基於電子轉向控制天線。它採用具有雙埠的單根天線,一端連接到發射器(Tx)或接收器(Rx)鏈路,另一端連接到微控制器(MCU)。該MCU透過使用查找表(LUT)定義和控制天線波束寬度與方向,從而使Metawave的類比雷達得以實現微秒級的速度掃描。(來源:Metawave)

Achour聲稱,Metawave利用單一天線設計出新的類比雷達,能以水平和垂直方向引導和形成光束,並從更寬的視野調整光束到非常窄的圓錐角度——低至1度。Achour說:「我們能以非常快的速度實現——微秒級的速度掃描。」

但是,Metawave的類比雷達如何與現在廣泛用於車輛中的數位雷達進行比較?

基於數位波束成形(DBF)技術的雷達需要天線陣列,用於聚焦發射器以特定方向發射的電磁訊號,並將其轉向其他方向。然後,接收器再從物件擷取返回訊號,並以數位方式進行處理,最終形成場景的影像。

為了實現這一過程,Achour解釋,數位雷達必須「為每根天線注入不同的相位延遲,使波束在同一方向聚攏,並沿著其他方向擴展。」

DBF的缺陷在於相位延遲。運算需要複雜且冗長的數位訊號處理。Achour指出:「這種密集的訊號處理導致極慢的反應速度(在轉向光束時為毫秒延遲)和較差的「集體」輻射模式,因為光束被轉向遠離天線準線(零度角)。

20171031_Metawave _NT01P2 目前用於車輛中的數位雷達感測器採用數位波束成形技術,並透過複雜且冗長的數位訊號處理來計算相位延遲(即圖中的權重—wi)。天線具有靜電輻射,而且有賴於於數位權重以形成和轉向控制光束(來源:Metawave)

因此,她說:「這些傳統雷達由於控制不好主瓣和旁瓣,因而無法在長距離時以廣角觀察。」

對遠端物體作出決定

目前與Metawave共同合作的顧問兼投資人Drue Freeman表示,「針對自動駕駛車輛,我認為架構師必須解決的最大問題之一就是能夠對遠離車輛的物體做出決定。」否則,自動化車輛的最高速度將會受到限制,Freeman指出。

Freeman說:「今日的雷達解決方案即使採用了最佳的數位波束成形技術,或許能可靠地看到車子前方200公尺處的距離,也能偵測到有『東西』在那裡,但他們沒法辨識那是什麼。」

而現實情況是DBF不是支援高解析度就是高訊雜訊比(SNR),並非二者兼具。

超材料

Metawave聲稱其目標在於提供類似於用於追踪導彈的高性能雷達,但又不至於產生像軍事應用所需要的成本、複雜度和功耗。Achour說,Metawave的類比雷達「模擬了相位陣列」,就像軍用天線一樣。但該新創公司能在無需仰賴軍事應用部署的移相器下實現這一點,因為它利用了自家的超材料。

20171031_Metawave _NT01P3 Metawave的超材料頻率自適應轉向技術(來源:Metawave)

Freeman坦承:「Metawave讓人感到振奮的是其基於超材料的類比波束成形技術,讓他們能精確地控制雷達波束,實現更快的操作速度以及更好的SNR,而不至於犧牲解析度。」

 
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編譯:Susan Hong

(參考原文:Future Auto Radar Goes Back to Analog,by Junko Yoshida)