雷达革命，截止日期以及到达第四维度

在我们之前发布的文章中都提到了雷达。它广泛用于汽车行业，用来实现标准的主动和被动安全功能。在高级自动化控制系统（包括无人驾驶汽车）的解决方案中需要更加灵活，更先进的技术。Cognitive Pilot有专门的雷达部门，该部门直到2019年底，都作为Design House，根据合同规格为汽车制造商和零部件供应商提供解决方案。现在，我们正在向新的商业模式转型，准备量化一条生产线，为各种客户（从DIY项目到初创企业和试验园区）提供雷达。在Cognitive Pilot项目中使用的解决方案的基础上，我们将为客户打造成品，可分为“MiniRadar”、“Industrial”和“Imaging4D”三类。此类设备在不同的领域中广泛使用，因此需要详细介绍一下它们。

到达第四维度

通常情况下，汽车雷达无法检测物体的高度，尽管在行业内它们习惯被称为“3D”，不是内行的人会以为这是一种营销手段。由于信号的物理特性（多普勒效应），它们测量3个参数[R，Az，V]：与物体的距离和角度（方位角），以及速度和速度符号（物体离开或接近发射器）。
自动驾驶汽车的典型一套传感器包括摄像机，以及安全系统中的远程全天候工作的雷达和能够对三维场景进行精确测量的激光雷达。后者的价格并不便宜（比如Uber安装设备的价格大概为12万美元），但它只唯一的功能是获得三维点云，也不允许放弃其他传感器。

于是我们考虑发布一款能够代替昂贵的激光雷达的雷达。我不会在这里描述分析、计算、估算阶段，可以说，任务完全有可能做到。早在2017年夏季，我们已经构建了第一个proof-of-concept波导路径试验模型。我们必须使用精密设备来制造到我们的频率（最高77GHz）的模型：由于大小和成本的原因，这样的设计对量产模型不适合，但第一个样品的目的就是验证这一概念。此外，该雷达是在不完美的元素基础上构建的，并且积极采用模拟方案。同时，它不包含移动部件，而是基于数字网格和数字图表的：这就是雷达在战斗机的工作原理。最主要的是，试验模型允许验证产品实现的可能性。

这是多通道天线系统的波导路径的一部分的外观：

然后我们决定在CES 2018前做到世界上第一个具有平面天线系统的工业版4D雷达（下文将讨论），它能够测量射程、方位角、位置角和速度[R、Az、Ev、V]。为了及时开展活动，必须在短时间内重新设计微波部分。合作伙伴成了问题：用特殊的微波材料来为我们的项目制作一个电路板要花一个半月的时间，还需要做几个版本才会生产出工作版本。我们不得不放弃外国承包商的服务，而在俄罗斯，工厂又不使用这种材料。
为了做到工作版本我们决定选择一个密切的合作伙伴，一家托木斯克市公司。在LTCC低温陶瓷的生产线上生产天线的所有工作需要一个月左右的时间。

最终，我们收到了大面积的最薄的并且具有散射平面天线的陶瓷板。我们不得不把它粘在雷达机身上，固定在钛合金底座上（由于钛合金和陶瓷的特性，这样在温度变化的情况下，板子不会被破裂）：由于时间很紧，我们不得不把雷达放在行李箱里乘飞机带到莫斯科。此后，我们必须在1月4日之前组装好雷达，进行测试，并制作一个演示视频。

我们打碎了一个“盘子”，是个好兆头。也就是那个陶瓷板的一块：

在显微镜下，陶瓷天线和用金线制成的具有电路板的收发器的照片：

陶瓷板的承载能力较低，所以必须将其粘在刚性底座上。为了这次行动，我们使用了特殊的印刷机，这也是上文提到的合作伙伴生产的。
最紧张的时刻是12月27日-28日：在组装过程中，唯一的已生产的模型爆裂了。来自托马斯克的同事拯救了我们：他们于12月30日和31日开始工作，争取在1月1日之前把组装好的系统给我们。在两天的时间内，我们完全地组装、配置和调试了硬件，1月4日制作了一部演示视频，展示了工作结果。当然，后面我们使用的是具有必要的射频性能的同样的材料，但在2017年底，只有国内一家公司能够按时生产出合适的原型。

照片上可以看到雷达的完整原型机；我们用自己的底座，我们的硬件数据流模，把天线系统安装到那里：

“CES后”的完整版本的样子：

雷达结构及其工作原理

我们需要生产出相对便宜的没有移动部件的小型设备，以便小型公司甚至自制公司都能够购买。物理学定律是不会骗人的，所以微波部分的开发便成了难题：需要一个完整的相位天线阵列来获得高角度分辨率。我们在所有的雷达上安装了平面天线系统，它们具有特殊的轨道形式并安装在电路板上。由于无线电频率较高(高达81GHz)，传统电子设备中使用的胶布板不适合用于制作，需要一种特殊的材料来确保每厘米的信号衰减水平较低。

另一个问题与设备的电子部件有关，它应该是紧凑但功能齐全的。雷达在船上处理信息，而不仅仅是发出某种模拟信号：用户需要在输出端得到物体的坐标，以及物体的移动方向和速度。近几十年来，微电子技术已得到不断的进步，现在市场上有着高度集成的系统，它们可以实现很多必要的功能。最新一代模型允许在单个芯片上做雷达，尽管是相对简单的设备。该芯片的模拟部分包括接收机和发射机、ADC以及硬件加速器，后者能够实现快速傅立叶变换。该数字单元有DSP（数字信号处理）和ARM处理器。信息处理的水平与传感器本身能力是一致的：所需的芯片安装在通道数量少，角度分辨率低的雷达上。

所有Cognitive Pilot雷达传感器的工作原理都是MIMO（Multiple Input Multiple
Output，既多输入多输出，一种对信号进行空间编码的方法，可以增加信道带宽）。
接收机和发射机的区块是分开的；同时，发射机可以依次发射信号（临时通道分离）或者通过代码序列（通道的代码分离）发射信号，以及结合这两个方法。

通过这种方式，可以在设计不更加复杂和昂贵的情况下提高雷达性能。这里的主要优点是减少了所需的接收通道数量。以我们最小的雷达为例，它有三个发射机和四个接收机。发射机同时发射不同的代码序列，这与3G和CDMA标准相似。四个接收机分别接收它们，并从每个发射机收集信号，最终获得12个虚拟接收信道（在不改变物理结构的情况下），同时分辨率提高三倍。否则，为了达到同样的效果，就需要增加8条接收通道、线路和附加ADC，这将使设计变得更复杂，同时也会增加雷达的成本。

我们自己实现整个开发阶段：设计微波部分、电子填充部件和其他硬件部件，同时也开发出设备的设计。硬件非常重要，但只是雷达的一部分。它是如何工作的以及能提取出哪些数据主要取决于算法：对象检测、二次处理过滤器、代码序列
–所有这些都是我们自己设计的，包括数学模型的整个算法，从信号的形成开起。
为此，Cognitive
Pilot Mini系列雷达所采用的单芯片解决方案加入了相当复杂的固件。
它可以分配各种子系统，例如，用于管理模拟外设或硬件加速器。该解决方案具有灵活的配置，可以优化数据流及其在不同区块之间的移动。