雷達(dá)系統(tǒng)在汽車應(yīng)用的實(shí)施方式

傳感器是無(wú)人駕駛汽車的關(guān)鍵部件。能夠監(jiān)控與前方、后方或側(cè)面車輛的距離，可為中央控制器提供重要數(shù)據(jù)。光學(xué)和紅外攝像機(jī)、激光、超聲波和雷達(dá)都可用于提供有關(guān)周圍環(huán)境、道路和其他車輛的數(shù)據(jù)。例如，攝像頭可用于檢測(cè)道路上的標(biāo)記，以使車輛保持在正確的車道上。這已用于在駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS） 中提供車道偏離警告。今天的 ADAS 系統(tǒng)還使用雷達(dá)進(jìn)行碰撞檢測(cè)警告和自適應(yīng)巡航控制，車輛可以跟隨前車。
如果沒(méi)有駕駛員的輸入，自動(dòng)駕駛汽車需要更多的傳感器系統(tǒng)，通常使用來(lái)自不同傳感器的多個(gè)輸入來(lái)提供更高水平的保證。這些傳感器系統(tǒng)正在從經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的 ADAS 實(shí)施中進(jìn)行調(diào)整，盡管系統(tǒng)架構(gòu)正在發(fā)生變化以管理更廣泛的傳感器和更高的數(shù)據(jù)速率。
隨著用于自適應(yīng)巡航控制和碰撞檢測(cè)的 ADAS 系統(tǒng)越來(lái)越多地采用，24 GHz 雷達(dá)傳感器的成本正在下降。這些現(xiàn)在正成為汽車制造商達(dá)到歐洲五星級(jí) NCAP 安全等級(jí)的要求。 例如，英飛凌科技公司的BGT24M 24GHz 雷達(dá)傳感器可與電子控制單元 （ECU） 中的外部微控制器一起使用，以修改油門，以保持與前方車輛的恒定距離，范圍可達(dá) 20 m，如圖1所示。 ? ? 圖 1：英飛凌科技的汽車?yán)走_(dá)傳感系統(tǒng)。
許多汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)使用脈沖多普勒方法，其中發(fā)射器運(yùn)行短時(shí)間，稱為脈沖重復(fù)間隔 （PRI），然后系統(tǒng)切換到接收模式，直到下一個(gè)發(fā)射脈沖。當(dāng)雷達(dá)返回時(shí)，對(duì)反射進(jìn)行相干處理，以提取檢測(cè)到的物體的距離和相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
另一種方法是使用連續(xù)波頻率調(diào)制 （CWFM）。這使用了一個(gè)連續(xù)的載波頻率，該載波頻率隨著時(shí)間的推移而變化，接收器不斷地打開。為了防止發(fā)射信號(hào)泄漏到接收器中，必須使用單獨(dú)的發(fā)射和接收天線。
BGT24MTR12 是一款用于信號(hào)生成和接收的硅鍺 （SiGe） 傳感器，工作頻率為 24.0 至 24.25 GHz。它使用一個(gè) 24 GHz 基波壓控振蕩器，并包括一個(gè)輸出頻率為 1.5 GHz 和 23 kHz 的可切換頻率預(yù)分頻器。 一個(gè) RC 多相濾波器 （PPF） 用于下變頻混頻器的 LO 正交相位生成，而輸出功率傳感器和溫度傳感器則集成到設(shè)備中以進(jìn)行監(jiān)控。 ? ? 圖 2：英飛凌科技的 BGT24MTR12 雷達(dá)傳感器。
該器件通過(guò) SPI 控制，采用 0.18 ?m SiGe:C 技術(shù)制造，截止頻率為 200 GHz，采用 32 引腳無(wú)引線 VQFN 封裝。
然而，無(wú)人駕駛車輛的架構(gòu)正在發(fā)生變化。來(lái)自車輛周圍各種雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不是本地 ECU，而是被饋送到中央高性能控制器，該控制器將信號(hào)與來(lái)自攝像頭的信號(hào)以及可能來(lái)自激光雷達(dá)激光傳感器的信號(hào)結(jié)合起來(lái)。
控制器可以是帶有圖形控制單元 （GCU） 的高性能通用處理器，也可以是可以由專用硬件處理信號(hào)處理的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列。這更加強(qiáng)調(diào)了必須處理更高數(shù)據(jù)速率和更多數(shù)據(jù)源的模擬前端（AFE） 接口設(shè)備。
正在使用的雷達(dá)傳感器類型也在發(fā)生變化。77 GHz 傳感器提供更遠(yuǎn)的范圍和更高的分辨率。77 GHz 或 79 GHz 雷達(dá)傳感器可實(shí)時(shí)調(diào)整，以在 10° 圓弧內(nèi)提供長(zhǎng)達(dá) 200 m 的遠(yuǎn)程傳感，例如用于檢測(cè)其他車輛，但它也可用于更寬的 30° 傳感30 m 的較低范圍的弧。更高的頻率提供更高的分辨率，使雷達(dá)傳感器系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)區(qū)分多個(gè)對(duì)象，例如檢測(cè) 30° 弧內(nèi)的許多行人，為無(wú)人駕駛車輛的控制器提供更多時(shí)間和更多數(shù)據(jù)。 77 GHz 傳感器使用具有 300 GHz 振蕩頻率的硅鍺雙極晶體管。這使得一個(gè)雷達(dá)傳感器可以用于多種安全系統(tǒng)，例如前方警報(bào)、碰撞警告和自動(dòng)制動(dòng)，并且 77 GHz 技術(shù)還可以更好地抵抗車輛的振動(dòng)，因此需要的過(guò)濾更少。 ? ? 圖 3：NXP提供的無(wú)人駕駛車輛中雷達(dá)傳感器的不同用例。
傳感器用于檢測(cè)車輛坐標(biāo)系 （VCS） 中目標(biāo)車輛的距離、速度和方位角。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性取決于雷達(dá)傳感器的對(duì)準(zhǔn)。
雷達(dá)傳感器對(duì)準(zhǔn)算法在車輛運(yùn)行時(shí)執(zhí)行超過(guò) 40 Hz 的頻率。它必須在 1 毫秒內(nèi)根據(jù)雷達(dá)傳感器提供的數(shù)據(jù)以及車速、傳感器在車輛上的位置及其指向角度來(lái)計(jì)算錯(cuò)位角。
軟件工具可用于分析從真實(shí)車輛的道路測(cè)試中捕獲的記錄傳感器數(shù)據(jù)。該測(cè)試數(shù)據(jù)可用于開發(fā)雷達(dá)傳感器對(duì)準(zhǔn)算法，該算法使用二乘算法根據(jù)原始雷達(dá)檢測(cè)和主車輛速度計(jì)算傳感器未對(duì)準(zhǔn)角度。這還根據(jù)二乘解的殘差估計(jì)計(jì)算角度的精度。
系統(tǒng)架構(gòu) 德州儀器（TI）的AFE5401-Q1等模擬前端（圖 4）可用于將雷達(dá)傳感器連接到汽車系統(tǒng)的其余部分，如圖 1 所示。AFE5401 包含四個(gè)通道，每個(gè)通道包含一個(gè)低噪聲放大器 （LNA）、可選均衡器（EQ）、可編程增益放大器 （PGA） 和抗混疊濾波器，后接 25 MSPS 的高速 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）每個(gè)頻道。四個(gè) ADC 輸出在 12 位、并行、CMOS 兼容輸出總線上復(fù)用。 ? ? 圖 4：德州儀器 （TI） 的 AFE5401 雷達(dá)模擬前端中的四個(gè)通道可用于多個(gè)傳感器。
對(duì)于低成本系統(tǒng)，ADI 公司的AD8284提供帶有四通道差分多路復(fù)用器 （mux）的模擬前端，可為帶有可編程增益放大器 （PGA） 和抗混疊濾波器的單通道低噪聲前置放大器 （LNA） 供電（AAF）。這也使用單個(gè)直接到 ADC 通道，所有通道都與單個(gè) 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 集成。AD8284 還包含一個(gè)飽和檢測(cè)電路，用于檢測(cè)否則會(huì)被 AAF 過(guò)濾的高頻過(guò)壓條件。模擬通道的增益范圍為 17 dB 至 35 dB，增量為 6 dB，ADC 的轉(zhuǎn)換速率高達(dá) 60 MSPS。在增益下，整個(gè)通道的組合輸入?yún)⒖茧妷涸肼暈?3.5 nV/√Hz。
AFE 的輸出被饋送到處理器或 FPGA，例如Microsemi的IGLOO2或Fusion或英特爾的Cyclone IV。這可以使用 FPGA 設(shè)計(jì)工具在硬件中實(shí)現(xiàn) 2D FFT，以處理 FFT 并提供有關(guān)周圍對(duì)象的所需數(shù)據(jù)。然后可以將其饋入中央控制器。 FPGA 面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是檢測(cè)多個(gè)對(duì)象，這對(duì)于 CWFM 架構(gòu)來(lái)說(shuō)比脈沖多普勒更復(fù)雜。一種方法是改變斜坡的持續(xù)時(shí)間和頻率，并評(píng)估檢測(cè)到的頻率如何以不同的頻率斜坡陡度在頻譜中移動(dòng)。由于斜坡可以以 1 ms 的間隔變化，因此每秒可以分析數(shù)百個(gè)變化。 ? ? 圖 5：CWFM 雷達(dá)前端與英特爾的 FPGA 配合使用。
來(lái)自其他傳感器的數(shù)據(jù)融合也可以提供幫助，因?yàn)閿z像頭數(shù)據(jù)可用于區(qū)分來(lái)自車輛的較強(qiáng)回波與來(lái)自人的較弱回波，以及預(yù)期的多普勒偏移類型。
另一種選擇是多模雷達(dá)，它使用 CWFM 在高速公路上尋找更遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，而短程脈沖多普勒雷達(dá)則用于更容易檢測(cè)到行人的城市地區(qū)。
結(jié)論
無(wú)人駕駛車輛 ADAS 傳感器系統(tǒng)的發(fā)展正在改變雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)施方式。從更簡(jiǎn)單的防撞或自適應(yīng)巡航控制轉(zhuǎn)向全方位檢測(cè)是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。雷達(dá)是一種非常流行的傳感技術(shù)，已在汽車制造商中得到廣泛認(rèn)可，因此也是這種方法的技術(shù)。將更高頻率的 77 GHz 傳感器與多模 CWFM 和脈沖多普勒架構(gòu)以及來(lái)自其他傳感器（如相機(jī)）的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，也對(duì)處理子系統(tǒng)提出了重大挑戰(zhàn)。以安全、一致和具有成本效益的方式解決這些挑戰(zhàn)對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車的持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。