Les interférences de signaux compromettent la sécurité des radars automobiles

Le problème peu connu de la sécurité des radars apparaît comme un talon d'Achille potentiel des véhicules d'assistance à la conduite et hautement automatisés :les signaux radar interfèrent les uns avec les autres.

Le radar est devenu une modalité de détection essentielle en complément des caméras d'imagerie CMOS. Le radar fonctionne dans toutes les conditions météorologiques et permet une gamme de fonctions de conduite automatisée, y compris les freins d'urgence automatiques (AEB). Mais les radars peuvent être déjoués ou défectueux s'ils finissent, comme les accélérateurs de particules de Ghostbusters, à se croiser les uns les autres.

« Il y a quelque chose de très important que j'ai oublié de vous dire.
Ne traversez pas les ruisseaux. Ce serait mal.”

Bien qu'il ne s'agisse pas encore d'un phénomène mis en garde publiquement par les constructeurs automobiles ou communément perçu par les conducteurs, les radars automobiles, fonctionnant dans des environnements encombrés, seront confrontés à des interférences importantes.

Le segment d'application du radar s'étend du régulateur de vitesse adaptatif et de la détection des angles morts aux systèmes d'avertissement de collision avant et à l'aide au stationnement intelligente. Pour qu'un véhicule ait une vue à 360 degrés, il a besoin de puces radar à courte et à longue portée. L'AEB utilise généralement un radar (tout temps) et parfois un lidar et des caméras pour détecter un crash imminent.

La prolifération rapide d'AEB sur le marché mondial est devenue une arme à double tranchant pour les fournisseurs de capteurs radar. C'est à la fois un motif de célébration et une source d'inquiétude.

Par exemple, le programme chinois d'évaluation des voitures neuves (NCAP) a déjà mandaté l'AEB pour tous les camions sortant de l'usine pour le marché en 2020. Les nouvelles voitures au Japon doivent avoir les fonctions AEB avant et arrière, à partir de cette année. Aux États-Unis, 20 constructeurs automobiles se sont mis d'accord sur un « taux d'ajustement AEB de 100 % dans les voitures neuves en 2022 ». Face aux exigences Euro NCAP de 2019, 90 % des voitures vendues en Europe sont déjà équipées de la dernière technologie anti-collision pour les impacts de voiture à voiture.

NXP Semiconductors prévoit que le taux de pénétration des radars automobiles passera à 55 % en 2030. Dans une récente interview avec EE Times , Huanyu Gu, directeur principal du marketing produit de NXP Semiconductors responsable de l'ADAS et du V2X, a averti que les interférences radar sont inévitables, affirmant que « lorsque plusieurs radars transmettent en même temps et sur la même fréquence ou se chevauchent, et s'ils partagent alors une fréquence commune chemin visible."

Gu de NXP n'est pas le seul à s'inquiéter. Martin Duncan, directeur général de la division ADAS et ASIC de ST Microelectronics, a également déclaré à EE Times , « Le fait que nous ayons maintenant 25% de nouveaux véhicules avec des systèmes radar, c'est déjà un problème. Si vous essayez de capturer en temps réel les conditions routières, il est très facile de voir les transmissions de plusieurs véhicules. Comme nous utilisons tous la même bande de fréquences, cela risque de s'aggraver à mesure que le taux d'adaptation augmente. »

Un exemple de déploiement de plusieurs capteurs radar utilisés pour les systèmes de sécurité active et de conduite assistée (Kissinger, 2012)

Le principe de la congestion radar est simple. La National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) a écrit dans son « étude sur la congestion radar » publiée en septembre 2018 :

Les radars utilisent la connaissance des signaux rayonnés pour identifier les échos et estimer la portée et la vitesse des objets dans l'environnement. Ces échos ne sont pas des copies parfaites du signal original, mais une somme de retours multiples qui interfèrent de manière constructive et destructive avec le signal. Il est important de comprendre que les retours d'objets éclairés par le radar fluctuent, en particulier lorsque la portée relative, l'aspect et les autres objets de la scène changent. Avec plusieurs radars fonctionnant à proximité et un environnement de sources multiples de diffusion, les performances de chaque radar se dégradent à mesure que le niveau d'interférence augmente.

Cela pourrait compromettre la sécurité. « Le pire des cas serait des décès causés par des interférences radar. Il y a déjà une utilisation accrue du filtrage contre les faux positifs dans la pile radar aujourd'hui, quelle qu'en soit la cause », a noté Phil Magney, fondateur et président de VSI Labs.

L'industrie avait été prévenue

Plus il y a de voitures équipées de radars sur la route, plus vite chaque radar doit apprendre à gérer la présence d'autres radars. Les fournisseurs de radars sont sous pression.

Le scénario de trafic commun simple dans lequel l'interférence est calculée au niveau du radar victime (vert) et est générée par les autres véhicules (rouge)3. (Source :NXP)

Les interférences radar ne sont guère une conséquence inattendue de la prolifération des radars. L'industrie automobile avait été prévenue. Il y a plus d'une décennie, l'Europe a mis sur pied un projet appelé MOSARIM (MOre Safety for All by Radar Interference Mitigation) et a publié un rapport en 2012. Le projet a étudié « les interférences radar mutuelles entre véhicules et la définition et l'élaboration de contre-mesures et de techniques d'atténuation efficaces. ”

Plus récemment, la NHTSA a mené une « étude sur la congestion radar », modélisant et simulant les interférences radar avec deux questions à l'esprit :

• Quelle puissance un radar donné reçoit-il des autres émetteurs radar ?
• Comment cela affecte-t-il les performances d'un système d'avertissement de collision ?

Le rapport conclut :

…Les systèmes qui fonctionnent bien dans des environnements avec peu d'autres radars peuvent subir une dégradation significative des performances dans les environnements encombrés de radars. Les résultats de l'étude montrent que les niveaux d'interférence basés sur le fonctionnement des systèmes actuels dans des environnements encombrés seront importants. Dans les scénarios avec de nombreux véhicules utilisant des radars dans la bande 76-81 GHz, la puissance des autres radars dépassera probablement la puissance des échos des cibles nécessaires pour des performances spécifiées, de plusieurs ordres de grandeur.

Collaboration entre radars ?

Ainsi, l'industrie connaît depuis une décennie l'imminence des embouteillages radar. Quelles mesures a-t-il prises ?

Avec tout ce délai, vous pouvez vous attendre à ce que les constructeurs automobiles et les constructeurs de niveau 1 développent une stratégie robuste pour éviter les interférences. Vous pouvez imaginer un capteur radar qui évite les interférences en adaptant dynamiquement les paramètres de la forme d'onde.

Ce n'est pas une science de fusée. La communauté radar a le savoir-faire pour emprunter des types similaires de règles d'accès aux canaux déjà déployés par l'industrie des télécommunications (comme dans TDMA, FDMA et CDMA). Un tel système « écouter avant de parler » devrait permettre une communication plus structurée entre les radars, a déclaré Gu de NXP.

Malheureusement, ce n'est pas l'atténuation des interférences adoptée par l'industrie. Mis à part le fait que les radars automobiles utilisent le même spectre de fréquences attribué (76 GHz ~ 81 GHz), la communauté des radars n'est soumise à aucune réglementation. « Les paramètres de forme d'onde radar ne sont pas réglementés », a noté Gu.

Les accords industriels, la normalisation et la réglementation n'ont jamais fait partie de l'ADN de l'industrie automobile.

Une approche courante adoptée aujourd'hui consiste à « limiter les interférences en randomisant les signaux transmis soit dans le temps, soit en fréquence », selon Gu. Reconnaissant l'illogisme derrière cette randomisation, Gu a déclaré :« Aujourd'hui, vous le faites aveuglément. C'est certainement très bien, surtout s'il n'y a pas beaucoup de voitures sur la route avec des radars. Mais si vous voulez améliorer la robustesse du capteur radar aux interférences, vous devez rechercher une collaboration entre les capteurs radar. »

Mais cela nécessiterait une réglementation.

Néanmoins, dans son propre livre blanc sur les interférences radar, NXP a conclu :

En fin de compte, pour soutenir une pénétration élevée du marché, une certaine forme d'accord entre les fabricants sera nécessaire pour partager plus efficacement les ressources de détection de manière équitable. Cette dernière étape signifie que tous les acteurs du marché devront s'asseoir ensemble pour définir un moyen standardisé d'accéder au canal tout en conservant la possibilité d'avoir des performances de détection différenciantes.

Gratuit pour tous

Le radar a toujours été « gratuit pour tous », a observé Egil Juliussen, un analyste indépendant chevronné de l'industrie automobile. À la recherche d'innovations, les sociétés de capteurs radar sont généralement enclines à développer de nouveaux algorithmes propriétaires qui s'exécutent sur des DSP ou des MCU associés à des puces de capteur afin que leur radar puisse améliorer la résolution de l'imagerie et atténuer les interférences, a-t-il expliqué.

En d'autres termes, pour de nombreux acteurs de l'industrie automobile, il est préférable d'appliquer davantage de traitement du signal aux problèmes d'interférence radar que n'importe quel accord ou réglementation de l'industrie.

Un capteur radar avec une partie numérique (DSP), le frontal émetteur et récepteur. Les techniques d'interférence peuvent être regroupées en celles conçues pour éviter la saturation du frontal, celles qui gèrent l'interférence numériquement et celles qui tentent d'éviter l'interférence avant qu'elle ne se produise réellement. (Source :NXP)

Au cours de notre entretien, Gu de NXP a proposé trois approches différentes pour l'atténuation des interférences radar :1) éviter la saturation au niveau du front-end ; 2) gérer les interférences numériques en reconnaissant et en supprimant les interférences dans le domaine numérique ; 3) éviter les interférences en adaptant dynamiquement les paramètres de la forme d'onde.

La troisième approche est déjà considérée comme la moins susceptible d'être adoptée dans le spectre actuel de 77 GHz. Gu a expliqué:"Les gens pensent qu'il est trop tard parce que nous avons déjà trop de capteurs radar sur la route, et ces capteurs ne collaboreraient pas." Il a ajouté que le système pourrait être « appliqué à la fréquence 140 Ghz à l'avenir, si cette bande est mise à disposition pour le radar ».

La première approche, la plus probable, consiste à concevoir des techniques qui évitent la saturation du frontal. Ici, au moins une partie du signal utile peut être reçue et les contre-mesures appropriées peuvent être prises. "Vous pouvez le faire en fournissant au récepteur radar deux réglages de gain différents", a déclaré Gu. Alternativement, le système pourrait inclure une « annulation spatiale », dans laquelle le frontal utilise plusieurs antennes pour s'aveugler dans la direction générant des interférences. Cette approche cherche à éliminer un signal interférant avant qu'il ne sature le front-end, a expliqué Gu.

Les fournisseurs de puces radar comme NXP ont tendance à se concentrer sur la gestion des interférences dans le domaine numérique - dans le DSP. "Bien sûr, sa condition préalable est qu'en réalité le signal recherché ne soit pas enterré par les signaux forts", a déclaré Gu.

Après avoir déterminé que le signal brouilleur est relativement faible, il peut être numérisé avec le signal utile, sans saturer le frontal.

Mais le nom du jeu consiste d'abord à reconnaître si le signal a été corrompu, ce qui est plus facile à dire qu'à faire, selon NXP. Les techniques pour le faire dépendent de la forme d'onde radar spécifique à la fois du radar victime et de l'interférence. Étant donné que le cadre réglementaire actuel autorise différentes manières de créer des formes d'onde radar, chaque fabricant de capteurs radar choisit la sienne, ce qui rend le processus non seulement diversifié mais délicat.

La norme de facto dans le radar automobile est le radar à ondes continues à modulation de fréquence (FMCW). FMCW offre de très bonnes performances relativement simples et élégantes. Il couvre une large bande passante avec un CAN à faible bande passante et fournit une estimation robuste de la vitesse cible, selon NXP. Mais cela s'accompagne de quelques mises en garde.

Différents fabricants utilisent différents paramètres de formes d'onde FMCW pour différencier leur proposition de produit et couvrir différentes exigences d'application, telles que la fréquence porteuse, la bande passante, la durée de chirp, le temps d'échantillonnage, la durée du cycle de détection et les différentes manières de modifier les paramètres pendant une période de détection.

Pour rappel :le capteur radar doit d'abord reconnaître s'il y a un brouilleur. La détection des interférences fonctionne en reconnaissant les caractéristiques uniques du signal extraterrestre. Une fois l'interférence détectée, les algorithmes du système doivent la supprimer du signal reçu aussi complètement que possible sans corrompre ou supprimer le signal souhaité.

Rien de tout cela ne devrait surprendre quiconque dans la communauté des radars. "Il existe des algorithmes de traitement du signal de manuels sur le marché, et ils sont déjà utilisés par l'industrie", a déclaré Gu.

Les algorithmes des manuels ont cependant des limites, a-t-il noté. « Ils se limitent souvent à traiter des interférences faiblement corrélées. Et ils ne sont également capables de traiter qu'un nombre très limité d'interférences, une ou deux à la fois. »

L'objectif de NXP est de développer davantage ses algorithmes de signaux numériques avancés et différenciés pour éliminer les interférences.

ST travaille sur sa propre méthodologie. Duncan a déclaré : « Si vous êtes conscient de ce que le signal radar est censé être, vous pouvez facilement filtrer/ignorer les signaux parasites. Il est également possible d'introduire des signatures entre les chirps. »

Cependant, Duncan a ajouté :« S'il y avait plus de normalisation/de partage sur ce qui est transmis, cela aiderait les contre-mesures à supprimer les signaux indésirables. »

Ressentez-vous des interférences radar ?

La NHTSA a présenté quelques scénarios simulant les interférences attendues dans la congestion radar.

• Dans le cas de la circulation sur une autoroute à deux voies, en supposant que les radars utilisent des fréquences porteuses sélectionnées au hasard, la NHTSA a prédit qu'"un radar automobile rencontrerait une puissance d'autres radars bien supérieure aux échos de ses propres transmissions nécessaires pour suivre autres véhicules. L'interférence approche quatre ordres de grandeur, soit près de 40 dB, supérieure aux échos typiques d'une cible de référence, comme spécifié pour le système. »
• Dans les radars orientés vers l'arrière (comme dans les systèmes de détection d'angle mort), "ces unités sont vulnérables à l'arrivée directe de radars anticollision avant qui utilisent une puissance et un gain d'antenne plus élevés". L'étude a déclaré :"Notre analyse montre que ces unités pourraient subir une puissance d'interférence d'un radar anticollision avant qui est de près de cinq ordres de grandeur, ou 50 dB, supérieure aux réflexions de leur cible de référence spécifiée."

Jusqu'à présent, cependant, l'impact du radar n'a pas été ressenti sur les routes du monde réel.

« Les interférences radar à radar sont encore inconnues et, en tant que chercheurs appliqués qui travaillent avec le radar presque tous les jours, VSI ne peut pas dire que nous avons déjà subi des interférences radar à radar d’un autre véhicule lors de tests sur les routes publiques », a déclaré Magney de VSI Labs. . "Nous pouvons supposer que nous sommes exposés parce que tant de véhicules sur la route aujourd'hui ont un mélange de radars pour une courte et une longue portée", a-t-il ajouté.

Lors de l'appel financier du premier trimestre de Tesla lundi, le PDG Elon Musk a réitéré son intention d'éliminer les radars des véhicules Tesla, ce qui rend le problème des interférences radar sans objet, du moins pour les véhicules Tesla.

Cependant, d'autres équipementiers automobiles, fournisseurs de niveau 1 et fournisseurs de technologie automobile n'abandonneront pas le radar de sitôt.

Les radars en particulier sont essentiels car ils sont résistants aux intempéries, a souligné Magney de VSI. « Le radar est l'un des capteurs ADAS les plus économiques et la pénétration augmentera considérablement au cours des années à venir. »

>> Cet article a été initialement publié sur notre site frère, EE Fois.

---

Contenus associés :

• Les experts ADAS réfléchissent à l'intégration de capteurs dans les futurs véhicules
• Les véhicules ADAS obtiennent de mauvais résultats en matière de sécurité des piétons
• L'avenir des véhicules automatisés fait face à des questions de capteurs sans réponse
• Amélioration de la détection routière au-delà du visuel grâce au traitement intelligent des données
• Le radar sur puce à 60 GHz répond aux exigences de l'industrie automobile
• Les capteurs mmWave automobiles permettent un radar plus intelligent

Pour plus d'informations sur Embedded, abonnez-vous à la newsletter hebdomadaire d'Embedded.