讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)“看透”拐角

基于駛近城市十字路口（拐角處有4棟高層混凝土建筑）的一輛自動(dòng)駕駛汽車(chē)的建模，可以對自動(dòng)駕駛汽車(chē)看清拐角路況的情形進(jìn)行仿真。另一輛車(chē)正從某方向靠近路口中心，盡管超出了自動(dòng)駕駛汽車(chē)的視距，系統仍可通過(guò)處理多條路徑反射回來(lái)或直接穿過(guò)建筑物返回的信號檢測到該車(chē)輛。
要讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)名副其實(shí)，需滿(mǎn)足諸多要求，但毫無(wú)疑問(wèn)，對環(huán)境的感知和了解最為關(guān)鍵。自動(dòng)駕駛汽車(chē)必須跟蹤并識別多個(gè)物體和目標，無(wú)論其清晰可見(jiàn)還是隱而不見(jiàn)，無(wú)論艷陽(yáng)高照還是狂風(fēng)暴雨。光靠如今的雷達還遠不足以實(shí)現這種效果，我們還需要攝像頭和激光雷達，但若能充分利用雷達的特殊優(yōu)勢，也許至少可以省去部分輔助傳感器。誠然，立體模式下的傳統攝像頭可以檢測物體、測量物體距離并估算物體速度，但其精度無(wú)法達到完全自動(dòng)駕駛的要求。此外，攝像頭在夜間、有霧或陽(yáng)光直射的情況下均無(wú)法正常工作，使用傳統攝像頭的系統很容易被視錯覺(jué)欺騙。激光掃描系統或激光雷達自帶照明往往在惡劣天氣下的確優(yōu)于攝像頭。盡管如此，它們也只能在清晰視距內看到前方，在被建筑物或其他障礙物遮擋的情況下，無(wú)法檢測到接近十字路口的汽車(chē)。
雷達的測距精度和角分辨率不如激光雷達高，角分辨率是在兩個(gè)不同目標之間分辨出其中一個(gè)目標所需的最小到達角。不過(guò)，我們設計了一種新穎的雷達架構，克服了此類(lèi)缺陷，使其在增強激光雷達和攝像頭方面更加有效。我們提出的架構采用了稀疏、大口徑多波段雷達。其基本理念是使用多種頻率，利用各頻率的特定屬性，將系統從多變的天氣條件中解放出來(lái)，****并環(huán)顧觀(guān)察路口情況。反過(guò)來(lái)，該系統采用了先進(jìn)的信號處理和傳感器融合算法來(lái)生成環(huán)境的集成表示。
我們已通過(guò)試驗驗證了該雷達系統的理論性能極限，包括有效距離、角分辨率和精度。目前，我們正在為多家汽車(chē)制造商構建硬件以進(jìn)行評估，且最近的道路測試已取得成功。我們在2022年年初進(jìn)行了更精細的測試，以展示該系統的路口轉角感知性能。每個(gè)頻段皆有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。77千兆赫（GHz）及以下的頻段可穿透1 000米的濃霧，且損耗的信號強度不超過(guò)1分貝（dB）。相比之下，激光雷達和攝像頭在50米的濃霧中便會(huì )損耗10到15分貝。雨水則是另一種情況。即便是小陣雨，也會(huì )令77GHz雷達像激光雷達一樣衰減。你可能會(huì )想，這沒(méi)問(wèn)題，改成更低的頻率就行。畢竟，在1GHz或更低的頻率下，雨對雷達而言可以說(shuō)是透明的。低頻確實(shí)可行，但我們也需要高頻段，因為低頻段的有效距離較短且角分辨率較低。盡管高頻未必等同于窄波束，但可以使用天線(xiàn)陣列或高度定向天線(xiàn)，以窄波束投射較高頻段中的毫米波，就像激光那樣。這意味著(zhù)這種雷達可以與激光雷達系統一爭高下，盡管它同樣存在視距之外無(wú)法觀(guān)測的問(wèn)題。對于給定尺寸（即給定陣列孔徑）的天線(xiàn)，波束的角分辨率與工作頻率成反比。同樣，為了實(shí)現給定的角分辨率，所需的頻率與天線(xiàn)尺寸成反比。因此，若要在相對較低的超高頻（UHF，0.3 ～1GHz）下依靠雷達系統獲得所需的角分辨率，需要的天線(xiàn)陣列是K波段（18 ～27GHz）或W波段（75 ～110GHz）雷達所需天線(xiàn)陣列的數十倍。盡管較低的頻率對提高分辨率并無(wú)多大幫助，但它有其他優(yōu)勢。電磁波往往會(huì )在尖銳的邊緣衍射；遇到曲面時(shí)，它們會(huì )在周?chē)浴芭佬小辈ǖ男问窖苌?。這些效應太弱，無(wú)法在K波段的較高頻率下產(chǎn)生效果，W波段尤為如此，但在UHF和C波段（4 ～8GHz）可能效果顯著(zhù)。這種衍射行為以及較低的穿透損耗使此類(lèi)雷達能夠檢測到拐角處的物體。雷達的一個(gè)弱點(diǎn)在于它會(huì )遵循多條路徑，在往返抵達被跟蹤物體的途中會(huì )被無(wú)數物體反射。由于道路上存在許多其他汽車(chē)雷達，因此雷達的回波更為復雜。不過(guò)，多次反射也有另一個(gè)優(yōu)勢：范圍廣泛的彈跳可為計算機提供信息，反映沿視距投射的光束無(wú)法到達處所發(fā)生的情況，例如，揭示直接探測無(wú)法看到的交叉路口的路況。看得遠，看得到細節，看得清側面，甚至能夠直接穿透障礙物，這是雷達尚未完全實(shí)現的目標。沒(méi)有一個(gè)雷達頻段可單獨實(shí)現所有效果，但一個(gè)可在多頻段同時(shí)運行的系統卻可以非常接近這一目標。例如，K波段和W波段等高頻段可實(shí)現高分辨率，同時(shí)準確估計目標的位置和速度，但它們無(wú)法穿透建筑物的墻壁或看清角落情況；更重要的是，它們容易受到大雨、大霧和灰塵的影響。UHF和C波段等較低頻段不太容易受到上述問(wèn)題的影響，但它們需要更大的天線(xiàn)元件且可用帶寬較少，這會(huì )降低測距分辨率，測距分辨率是區分方位相似但距離不同的兩個(gè)物體的能力。要達到既定角分辨率，較低的頻段還需要大孔徑。通過(guò)將不同頻段組合在一起，我們可以平衡某個(gè)頻段的弱點(diǎn)和其他頻段的優(yōu)勢。不同的目標給我們的多頻段解決方案帶來(lái)了不同挑戰。汽車(chē)前部在UHF波段的雷達截面（或有效反射率）比C波段和K波段的要小。這意味著(zhù)使用C波段和K波段更容易檢測到正在靠近的車(chē)輛。此外，與C波段和K波段相比，在UHF波段，行人的不同行進(jìn)方向和步態(tài)給其截面帶來(lái)的變化要小得多。這意味著(zhù)行人將更容易被UHF雷達探測到。
此外，當散射體表面有水時(shí)，物體的雷達截面會(huì )減小。這就減少了C波段和K波段可測到的雷達反射，但是此現象不會(huì )對UHF雷達產(chǎn)生明顯影響。另一個(gè)重要區別在于較低頻率的信號可穿透墻壁、穿過(guò)建筑物，而較高頻率的信號則無(wú)法做到這一點(diǎn)。以一堵30厘米厚的混凝土墻為例，雷達波穿過(guò)墻壁而非被墻壁反射的能力可通過(guò)波長(cháng)、入射場(chǎng)的極化和入射角的函數計算。UHF頻段在大范圍入射角的傳輸系數約為-6.5dB。C波段和K波段的該數值分別下降為-35dB和-150dB，這意味著(zhù)可以通過(guò)的能量很少。如前所述，雷達的角分辨率與所用波長(cháng)成正比，而角分辨率還與孔徑寬度成反比，對于線(xiàn)性陣列天線(xiàn)而言，它與陣列的物理長(cháng)度成反比。這就是毫米波（如W波段和K波段）可以很好地用于自動(dòng)駕駛的原因之一。一個(gè)基于兩個(gè)77GHz收發(fā)器、孔徑為6厘米的商用雷達裝置的角分辨率約為2.5度，與典型的激光雷達系統相比，其差值在一個(gè)數量級以上，這對自動(dòng)駕駛而言太低。在77GHz下實(shí)現激光雷達標準分辨率需要更大的孔徑（如1.2米），約等于汽車(chē)的寬度。
除了達到一定的有效距離和角分辨率之外，汽車(chē)的雷達系統還必須跟蹤大量目標，有時(shí)需同時(shí)跟蹤數百個(gè)目標。若目標與汽車(chē)的距離僅相隔數米，則可能很難按距離區分目標。在任何給定距離內，一個(gè)均勻的線(xiàn)性陣列（****和接收元件等距分布）能夠區分的目標數量與其天線(xiàn)數量相同。因此，在可能存在大量目標的雜亂環(huán)境中，需要數百個(gè)類(lèi)似的****和接收器，而且巨大的孔徑會(huì )使問(wèn)題更復雜。如此之多的硬件也會(huì )大幅拉高成本。使用陣列是解決此問(wèn)題的一種方法，陣列中的元件只占用通常情況下的一部分位置。如果仔細地設計這樣一個(gè)“稀疏”陣列，使其相互的幾何距離都是唯一的，便可使其性能與非稀疏的全尺寸陣列相同。例如從一個(gè)K波段運行的1.2米孔徑雷達入手，放入設計合理的稀疏陣列，該陣列只有12個(gè)****元件和16個(gè)接收元件，則它的性能與擁有192個(gè)元件的標準陣列相同。其原因在于，精心設計的稀疏陣列在每個(gè)****和接收器之間可實(shí)現多達12×16（即192）個(gè)成對距離。使用12種不同的信號傳輸，16個(gè)接收天線(xiàn)將接收192個(gè)信號。由于各****接收對之間的成對距離唯一，因此所得到的192個(gè)接收信號就像是由192個(gè)元件的非稀疏陣列接收的一樣。所以，借助稀疏陣列，我們可以用時(shí)間換取空間，即使用天線(xiàn)元件進(jìn)行信號傳輸。原則上，沿車(chē)載的假想陣列放置的單獨雷達單元應作為更大孔徑的單個(gè)相控陣單元運行。然而，該方案需要單獨子陣列的各****天線(xiàn)聯(lián)合傳輸，并聯(lián)合處理聯(lián)合子陣的各天線(xiàn)單元收集的數據，這又反過(guò)來(lái)要求所有子陣列單元的相位完全同步。這一切都不容易實(shí)現。即便可以實(shí)現，這種完全同步的分布式雷達的性能仍然遠遠落后于精心設計的完全集成、大口徑稀疏陣列雷達。假設有兩個(gè)77GHz的雷達系統，每個(gè)系統的孔徑長(cháng)度為1.2米，配備12個(gè)****元件和16個(gè)接收元件。第一個(gè)系統是精心設計的稀疏陣列；第二個(gè)系統的孔徑最外側則有兩個(gè)14元件標準陣列。這兩個(gè)系統的孔徑和天線(xiàn)元件數量相同。盡管集成稀疏設計的掃描效果相同，但分離式設計難以從陣列前部直視前方。這是因為兩束天線(xiàn)相距甚遠，其中心產(chǎn)生了一個(gè)盲點(diǎn)。在采用分離式設計的場(chǎng)景下，可假設兩種情況。第一種情況下，分離式系統兩端的兩個(gè)標準雷達陣列幾近完全同步。此設計有45%的時(shí)間無(wú)法檢測到物體。在第二種情況下，假設各陣列獨立運行，然后將其各自獨立檢測到的對象融合在一起。這一設計有幾乎60%的時(shí)間都會(huì )檢測失敗。相比之下，精心設計的稀疏陣列檢測失敗的可能性微乎其微。通過(guò)仿真，我們可以輕松描繪出拐角處的景象。假設一輛配備了我們系統的自動(dòng)駕駛汽車(chē)正在靠近一個(gè)城市十字路口，路口的4個(gè)角落各有一棟高層混凝土建筑。仿真開(kāi)始時(shí)，車(chē)輛距離交叉路口中心35米，第二輛車(chē)正通過(guò)交叉路口接近中心。正在靠近的車(chē)輛不在自動(dòng)駕駛汽車(chē)的視距范圍內，因此，如果不使用街角環(huán)視技術(shù)便無(wú)法檢測到駛近的車(chē)輛。雷達系統在3個(gè)頻段中的各頻段均可預估視距內目標的距離和方位。在這種情況下，目標的距離等于光速乘以****的電磁波返回雷達所需時(shí)間的一半。目標的方位則通過(guò)雷達接收到的波前入射角確定。當目標不在視距范圍內且信號沿多條路徑返回時(shí)，此方法無(wú)法直接測得目標的距離或位置。不過(guò)，我們可以推斷目標的距離和位置。首先，我們需要區分視距、多路徑和穿過(guò)建筑物的返回波。在給定距離內，多路徑返回波（由于多次反射）通常較弱且極化不同。穿過(guò)建筑物的回波也較弱。如果我們知道基本環(huán)境（建筑物和其他靜止物體的位置），便可以構建一個(gè)框架，找出真實(shí)目標的可能位置。然后，我們可使用該框架來(lái)估測目標在某個(gè)位置的可能性。隨著(zhù)自動(dòng)駕駛汽車(chē)和各目標的移動(dòng)，雷達會(huì )收集到更多數據，每條新的數據都可用于更新概率。這就是貝葉斯邏輯，與其在醫學(xué)診斷中的應用十分類(lèi)似。病人有無(wú)發(fā)熱？如發(fā)熱，是否出現皮疹？同樣，汽車(chē)系統每一次更新估算值，都會(huì )縮小可能的范圍，直至最終顯示真實(shí)目標的位置，同時(shí)消除“虛假目標”。通過(guò)融合從多個(gè)頻段獲得的信息，可顯著(zhù)提高系統的性能。我們通過(guò)試驗和數值仿真模擬評估了雷達系統在各種操作條件下的理論性能極限。道路測試證實(shí)，雷達可檢測到被遮擋的信號。接下來(lái)的幾個(gè)月，我們計劃展示轉角感應。希望此類(lèi)功能能夠實(shí)現前所未有的安全駕駛方式。作者：Behrooz Rezvani、Babak Hassibi、Fredrik Br?nnstr?m、Majid Manteghi 

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