Появление 4D визуализирующих радаров

Появление 4D визуализирующих радаров

Выпуск 20 (6719) от 15 октября 2020 г.
РУБРИКА: НАВИГАЦИЯ И РАДИОЛОКАЦИЯ

Исторически рынок радаров отличался медленным ростом и был ориентирован главным образом на применение в военной сфере, но в последние годы происходят серьезные изменения. Благодаря повышенному вниманию со стороны разработчиков автомобильных и потребительских систем как к обычным, так и к визуализирующим радарам, продажи этих приборов могут в скором времени существенно вырасти. Иллюстрацией этой тенденции могут служить система Walabot Home фирмы Vayyar и радар ARS540 корпорации Continental.


Система Walabot Home

Когда радары стали применяться даже в потребительских товарах, специалисты компании Systems Plus Consulting заинтересовались вопросами их интеграции. Для этого был проведен анализ методом разбора на элементы радиочастотной «системы-на-кристалле» (SoC) первого поколения фирмы Vayyar (Йехуд-Моноссон, Израиль). Специалистов Systems Plus интересовали подробности конструкции этой высокоинтегрированной РЧ SoC и ее способность создавать 4D-изображения с высокой разрешающей способностью.

Хотя применение радаров по-прежнему в основном связано с военными системами, они все шире используются в гражданских приложениях. Так, например, поставщики автомобильной электроники (поставщики первого уровня и поставщики комплектного оборудования – ​ОЕМ) работают над созданием РЛС с формированием радиолокационного изображения (визуализирующих радаров), предназначенных как для использования в перспективных системах помощи водителю (ADAS), так и для контроля заполненности салона машины, а основное внимание в совместном проекте корпораций Infineon и Google, реализация которого началась в 2019 г., направлено на обеспечение возможности управления жестами в смартфонах Pixel 4 (Google) с использованием радарной технологии Infineon.

Фирма Vayyar разработала РЧ SoC для применения в собственной продуктовой линейке Walabot. Система обнаружения падений Walabot Home позволяет членам семьи и опекунам следить за пожилыми родственниками с нарушенной координацией движений. Преимущество этой радарной системы – ​возможность контроля сквозь стены, шторы и т. п., причем объект наблюдения не нуждается в носимом приборе. Объектом анализа компании Systems Plus стал прибор Vayyar первого поколения на основе РЧ SoC, работающий в диапазоне 3–10 ГГц. Учитывая ограничения частотного диапазона, существующие в разных странах, специалисты Vayyar разработали еще два прибора, работающие на частотах 57–64 и 77–81 ГГц.

Исследуемая схема фирмы Vayyar способна принимать, анализировать и обрабатывать при помощи быстродействующего ЦОС-процессора (со встроенным СОЗУ большой емкости) значительный объем посылаемых и принимаемых сигналов интегрированных приемопередатчиков. Разработчики Vayyar спроектировали небольшую плату, на которой корпусированы РЧ SoC и микроконтроллер. Такой подход помогает РЧ SoC работать с любым внешним прикладным процессором, выбираемым поставщиком конечной системы, в которой эта SoC используется.

Помимо системы Walabot Home, фирма Vayyar создает приборы для рынка автомобильной электроники. С этой целью она два года назад заключила соглашение о сотрудничестве с компанией Valeo, одним из ведущих поставщиков первого уровня, который намерен использовать радарные датчики фирмы Vayyar для мониторинга дыхания младенцев и подачи сигнала тревоги в чрезвычайных ситуациях, особенно если младенца оставляют в машине одного.

В ноябре 2019 г. Vayyar привлекла венчурное финансирование от компании Koch Disruptive Technologies (KDT) на сумму в 109 млн долл., чтобы начать разрабатывать радарные датчики для других перспективных рынков. В начале 2020 г. совместно с фирмой Aisin Seiki (японский поставщик автомобильных комплектующих) компания приступила к разработкам 4D-датчиков с малым радиусом действия и высокой разрешающей способностью, предназначенных, в частности, для обнаружения объектов вне зоны видимости водителя (в слепых зонах).


Структура системы Walabot Home

Walabot Home – ​это миниатюрный прибор на основе сенсорной системы, который обрабатывает радиоволны малой мощности (наподобие Wi-Fi или Bluetooth) для определения местоположения человека, дает возможность отображать размер, положение и движение людей и объектов, полностью классифицировать окружающую среду в реальном масштабе времени без использования камеры и создавать точные сценарии развития ситуации. Отмечается, что отсутствие камер означает снижение количества потенциальных путей нарушения конфиденциальности.

Для обнаружения людей и предметов и определения их местоположения в пространстве используется ультраширокополосная система, передающая и принимающая радиочастотные импульсы очень малой длительности (от нескольких десятков пикосекунд до нескольких наносекунд). Фактически это радиопротокол, позволяющий достичь скорости передачи данных порядка нескольких гигабит в секунду при энергопотреблении антенны всего в десятые доли ватта (FCC определяет сигнал как ультраширокополосный, когда его полоса превышает 500 МГц или с дробной полосой >20%). Преимущество данного метода заключается в краткости импульса, благодаря чему ультраширокая полоса становится менее чувствительной к помехам из-за отражения самой волны.

РЧ SoC фирмы Vayyar используется для передачи радиосигналов в диапазоне 3,3–10 ГГц. Система состоит из двух плат:

одна содержит РЧ-приемопередатчик (выделен желтым контуром на рис. 1), СОЗУ хранения данных и гибкий соединитель USB-типа для передачи потока данных;

вторая (зеленый контур на рис. 1) отвечает за обработку данных и подключаемость к Bluetooth или Wi-Fi.



Источник: System Plus

Рисунок 1. Визуальное (а) и рентгеновское (б) изображения системы Walabot Home


Обе эти платы, как показано на рис. 2, соединены гибкой печатной платой. Гибкое соединение позволяет значительно сократить занимаемое пространство, вес и затраты по сравнению с аналогичным решением на жесткой основе.



Источник: System Plus

Рисунок 2. Общий вид (а) и блок-схема (б) системы Walabot Home


Управление режимом теплорассеяния осуществляется при помощи теплообменного материала – ​TIM: один TIM расположен поверх прикладного процессора, второй – ​непосредственно на теплоотводе. Сам теплоотвод изготовлен из алюминиевого сплава типа А380, обладающего хорошей текучестью, непроницаемостью под давлением, устойчивостью к образованию горячих трещин и позволяющего создавать рентабельные, долговечные детали и изделия.

В РЧ SoC используются 48 устройств ввода–вывода от кристалла к шариковым выводам корпуса. Из этих 48 устройств ввода–вывода 42 используются для подключения антенн. РЧ SoC содержит интегрированный в кристалле приемопередатчика ЦОС-процессор со встроенным СОЗУ большой емкости, передающий данные в микроконтроллер. Микроконтроллер только преобразует данные из СОЗУ в поток данных USB-типа. Наличие встроенного ЦОС-процессора позволяет отказаться от внешнего центрального процессора для выполнения сложных алгоритмов визуализации.

РЧ SoC располагается на подложке из 6-слойной печатной платы, припаянной на подложку из 10-слойной печатной платы (рис. 3). SoC собрана в корпус с матричным расположением шариковых выводов методом перевернутого кристалла (FCBGA). Монолитная СВЧ ИС состоит из двух квадратурных генераторов для генерации на кристалле сигнала промежуточной частоты, который обрабатывается непосредственно аналого-цифровым преобразователем (АЦП).



Источник: System Plus

Рисунок 3. Поперечное сечение РЧ SoC


Помимо процессора VYYR2401-A3 RF в SoC содержится процессор MSM8909 (Snapdra-gon 210) (рис. 2), обеспечивающий экстренную мобильную связь, а также аудиокодек корпорации Qualcomm для управления динамиками и микрофонами. Процессор Snapdragon 210 – ​это SoC начального уровня для планшетных ПК и смартфонов на базе ОС Android. В нем используются четыре ядра центрального процессора Cortex-A7 фирмы ARM с тактовой частотой 1,1 ГГц. В SoC Snapdragon также интегрированы блоки Bluetooth 4.1 + BLE, Wi-Fi 802.11n (2,4 ГГц) и модем Cat 4 4G-LTE с максимальной скоростью передачи данных 150 Мбит/с. Контроллер CYUSB2014 корпорации Cypress преобразует данные, проанализированные РЧ SoC фирмы Vayyar, в протокол USB. Это сверхбыстродействующий периферийный контроллер, обеспечивающий интегрируемость и гибкость функций. Он оснащен полностью конфигурируемым параллельным, программируемым интерфейсом общего назначения GPIF II, который может быть подключен к любому процессору, специализированной ИС (ASIC) или вентильной матрице, программируемой пользователем (FPGA).

Плата управления радиолокационным сигналом состоит из 21 антенны, что обеспечивает высокое разрешение. Поскольку система работает на частоте от 3 до 10 ГГц, размер антенны достаточно велик (λ/4 = ~15 мм).


Анализ стоимости системы

Специалисты компании System Plus оценили стоимость всей системы. Выяснилось, что доля РЧ SoC составляет всего чуть более 10% (рис. 4).



Источник: System Plus

Рисунок 4. Структура стоимости системы Walabot Home


Поскольку система большая, почти 30% ее стоимости приходится на печатную плату (РЧ-плата, антенна Wi-Fi/Bluetooth) и межсоединения. На память и процессор (Snapdragon 210) приходится еще около 20% стоимости. До 30% стоимости связано с дискретными компонентами, такими как датчики, а также с ИС управления режимом электропитания, ИС процессора и памяти, входными каскадами подключаемости. Наконец, еще 10% стоимости приходится на дисплей. Как уже упоминалось, помимо рассматриваемой версии фирма Vayyar представила еще две системы. Одна из них, VYYR7201-A0, оснащена 46 линейными встроенными PCB-антеннами, работает на частоте 57–64 ГГц и предназначена для обнаружения людей в помещениях и младенцев, оставленных в автомобиле. Вторая, VYYR7202-A1, оснащена 40 линейными поляризованными антеннами, работает на частоте 77–81 ГГц и предназначена для использования внутри и снаружи автомобиля для обнаружения потенциальных вторжений [1].


ARS540 от Continental

Корпорация Continental объявила о намерении использовать FPGA корпорации Xilinx для изготовления первого в автомобильной промышленности 4D-визуализирующего радара, которым, как ожидается, будут с 2021 г. оснащаться пассажирские автомобили. В новом усовершенствованном радарном датчике Continental – ​ARS540 – ​будет использоваться платформа Zynq UltraScale+ MPSoC, что позволит реализовать в автомобилях, оснащенных датчиком, функциональные возможности автоматизации второго уровня (Level 2 – ​частичная автоматизация), определенные стандартом J3016 Сообщества автомобильных инженеров (Society of Automotive Engineers, SAE) «Системы автоматизированного управления движением автономных транспортных средств. Классификация, термины и определения» (Taxonomy and Definitions for Terms Related to Driving Automation Systems for On-Road Motor Vehicles). Это станет очередным шагом к созданию автономных систем вождения пятого уровня. 4D визуализирующий радар определяет местоположение объекта по дальности, азимуту, высоте и относительной скорости (рис. 5), что позволяет получать подробную информацию об окружающей среде во время движения. Ранее автомобильные радиолокационные системы фиксировали только скорость и азимут.



Источник: Continental

Рисунок 5. Следующее поколение радаров для автономных транспортных средств


ARS540 – ​это 4D визуализирующий радар с большой (до 300 м) дальностью действия и высокой разрешающей способностью. Его поле зрения составляет ±60° – ​это дает возможность отслеживать несколько возможных вариантов развития событий, что имеет решающее значение для управления сложными сценариями движения (например, заблаговременное обнаружение пробки под мостом). Кроме того, высокое разрешение ARS540 по горизонтали и вертикали позволяет лучше обнаруживать потенциально опасные объекты на дороге. Отмечается широкая масштабируемость нового радара – ​он может применяться в системах от второго уровня автоматизации, где управление транспортным средством осуществляет водитель, до полностью автономных машин пятого уровня.

Представители корпорации Xilinx указывают, что в области радиолокационных технологий, несмотря на их зрелость, по-прежнему есть место для инноваций. Большинство коммерчески доступных в настоящее время датчиков обладают дальностью действия 100–150 м, а автомобильная промышленность требует увеличить ее до 300 м. Быстро развивающаяся лидарная технология дает возможность реализовать разные подходы для достижения требуемых параметров. В частности, разрешение камер может быть увеличено с 1 до 8 Мп – ​но это повышает требования к производительности систем. В свою очередь, 4D визуализирующие радары могут обеспечивать дальность действия до 300 м, а также измерять истинную высоту, а не выводить ее значение по другим показателям. Главные же преимущества радаров перед лидарами – ​их бóльшая зрелость и меньшая стоимость.

Zynq UltraScale+ MPSoC – ​это адаптируемая платформа корпорации Xilinx, позволяющая 4D визуализирующему радару корпорации Continental быть совместимым с несколькими конфигурациями платформ датчиков и адаптироваться к спецификациям производителей комплектного оборудования (ОЕМ). Параллельная обработка в программируемой логике прибора обеспечивает возможность использования полностью независимых, одновременно функционирующих конвейеров обработки данных, что имеет решающее значение для 4D-зондирования с использованием ARS540. Разбиение массива данных в рамках цифровой обработки сигнала на множество вырезок обеспечивает аппаратное ускорение входных сигналов датчиков в реальном масштабе времени. Данная платформа на основе FPGA аналогична платформе ADAS со стереоскопическим видением Eyesight, которую компания Subaru уже использует в своих новых автомобилях Levorg.

Специалисты группы Yole Développement (Лион, Франция) отмечают, что 4D визуализирующие радары первоначально будут использоваться в автомобилях класса люкс и в робототехнике. Среднегодовые темпы роста продаж этих радаров в сложных процентах (CAGR) за период 2020–2025 гг. составят 124%, а объем продаж в конце прогнозируемого периода превысит 550 млн долл. Предполагается, что ведущими игроками на этом рынке станут Continental и Xilinx [2].


1. Maurizio Di Paolo Emilio, Junko Yoshida. Under the Hood: Vayyar’s 4D Imaging Radar. EE Times, September 15, 2020: https://www.eetimes.com/under-the-hood-vayyaars‑4d-imaging-radar/?utm_source=newsletter&utm_campaign=link&utm_medium=EETimesDaily‑20200916&oly_enc_id=5245B7817912J8Z#

2. Dahad Nitin. First 4D Imaging Radar Sensors for ADAS to Ship in Vehicles in 2021. EE Times, September 24, 2020: https://www.eetimes.com/first‑4d-imaging-radar-sensors-for-adas-to-ship-in-vehicles-in‑2021/#

В ЦЕНТРЕ ВНИМАНИЯ

Vayyar

Дата основания : 2011 г.
Количество сотрудников: около 120 (март 2019 г.).
Штабквартира: Йехуд-Моноссон, Израиль.
Общий капитал: 199,3 млн долл. (2020 г.).

Первоначально компания Vayyar занималась разработкой нового метода обнаружения рака груди с использованием радиочастотного излучения для быстрого и доступного исследования тканей человека и выявления злокачественных новообразований. По мере развития фирмы возможности технологии расширились с точки зрения как функциональности, так и областей и рынков применения. Так, последние разработки компании направлены на обнаружение людей в помещении и отслеживание их движения.

Для создания индивидуальных решений, отвечающих широкому кругу конкретных потребностей, Vayyar формирует долгосрочные партнерские связи с ведущими корпорациями в разных областях деятельности. Компания предлагает готовые комплекты для разработки, благодаря чему ее клиенты имеют возможность получить практический опыт и самостоятельно разрабатывать собственные приложения. Кроме того, Vayyar запустила линию потребительских товаров под брендом Walabot.

Основные сферы деятельности компании Vayyar:

автомобильная промышленность;

безопасность жилища (здравоохранение);

безопасность жилища (противопожарная);

национальная безопасность;

медицина;

розничная торговля;

робототехника;

умные дома и офисы.


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 20 (6719) от 15 октября 2020 г. г.