輔助駕駛毫米波雷達(dá)信號(hào)處理流程詳解及相關(guān)硬件實(shí)現(xiàn)方案
輔助駕駛毫米波雷達(dá)信號(hào)處理流程詳解及相關(guān)硬件實(shí)現(xiàn)方案
1、背景介紹
毫米波雷達(dá)是可以大規(guī)模用于汽車輔助駕駛的傳感器，由于受惡劣天氣和可見(jiàn)光照強(qiáng)度影響較小，同時(shí)測(cè)距較精準(zhǔn)，探測(cè)距離遠(yuǎn)，毫米波雷達(dá)可以和攝像頭取長(zhǎng)補(bǔ)短，共同實(shí)現(xiàn)可靠的AEB功能。
本文簡(jiǎn)要介紹了主流的毫米波雷達(dá)信號(hào)處理流程，同時(shí)采用英飛凌芯片作為實(shí)現(xiàn)方案，讀者可以順利獲得本文初步分析毫米波雷達(dá)的信號(hào)處理原理及其硬件實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，本文的一些觀點(diǎn)可以作為4D成像雷達(dá)開(kāi)發(fā)的思路，但并不是唯一思路，僅供讀者分析參考。
2、信號(hào)處理流程
主流的毫米波雷達(dá)信號(hào)處理框架如圖1所示。
圖1.主流毫米波雷達(dá)信號(hào)處理框架
主流毫米波雷達(dá)信號(hào)處理流程步驟說(shuō)明如下：
（1）先從雷達(dá)射頻前端接收雷達(dá)回波模擬信號(hào)，混頻并經(jīng)帶通濾波后順利獲得高速ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)內(nèi)的SPU(信號(hào)處理單元)。
（2）SPU(信號(hào)處理單元)對(duì)雷達(dá)回波時(shí)域信號(hào)進(jìn)行干擾抑制，干擾抑制方法可以參考：
雷達(dá)算法 | FMCW汽車?yán)走_(dá)干擾及干擾緩解算法仿真(含MATLAB代碼)
雷達(dá)著作翻譯 | 《現(xiàn)代汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用》第4章干擾和干擾緩解（4.1 | 4.1.2.1小節(jié)）
城市“電子戰(zhàn)”（City EW） | 汽車?yán)走_(dá)傳感器的反干擾技術(shù)
（3）在距離和多普勒維度進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT/DFT)運(yùn)算，取得多個(gè)天線的距離-多普勒譜。
（4）在步驟(3)基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)字波束成形（DBF），順利獲得恒虛警率（CFAR）和峰值搜索過(guò)濾，篩選出點(diǎn)云目標(biāo)。
（5）點(diǎn)云目標(biāo)進(jìn)行角度計(jì)算，如超分辨DOA估計(jì)。
（6）利用點(diǎn)云目標(biāo)距離、速度和角度信息進(jìn)行聚類?，F(xiàn)實(shí)生活中，來(lái)自同一個(gè)較大反射面的目標(biāo)（比如小汽車）會(huì)存在多個(gè)反射點(diǎn)，聚類算法就是找出可能來(lái)自同一個(gè)目標(biāo)的點(diǎn)云，聚類通常采用DBSCAN算法實(shí)現(xiàn)。
（7）目標(biāo)檢測(cè)后得到目標(biāo)的4D點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后需要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤。基于實(shí)際物體目標(biāo)的距離、速度和角度在較短時(shí)間內(nèi)（雷達(dá)信號(hào)處理幀周期一般是50~70ms）沒(méi)有較大變化的假設(shè)模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤預(yù)測(cè)，同時(shí)結(jié)合本車的運(yùn)動(dòng)信息，來(lái)判別目標(biāo)是否有可能出現(xiàn)在本車的運(yùn)行軌跡上。
圖1中最后的算法模塊采用虛線繪制，因?yàn)楦鱾€(gè)汽車主機(jī)廠的傳感器融合構(gòu)架不同，最后一步的傳感器融合/執(zhí)行可以放在雷達(dá)傳感器內(nèi)，也可以放在攝像頭模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)，甚至當(dāng)傳感器數(shù)量較多時(shí)，有獨(dú)立的融合模塊。傳感器融合的主要功能是結(jié)合不同傳感器的目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果，做出最終判斷。
多個(gè)傳感器檢測(cè)融合的優(yōu)點(diǎn)如下所示：
(1)取長(zhǎng)補(bǔ)短，擴(kuò)大檢測(cè)范圍和使用場(chǎng)景；
(2)增加系統(tǒng)冗余，提高系統(tǒng)性，降低誤報(bào)率。
融合后的最終決策信息給到車輛執(zhí)行組織，可以實(shí)施告警、或者剎車、加減速、轉(zhuǎn)向等等車輛控制。
3、硬件實(shí)現(xiàn)
圖2展示了英飛凌推出的77GHz汽車毫米波雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)方案。
圖2. 英飛凌76-81GHz汽車毫米波雷達(dá)方案
其中,RASICTM CTRX是英飛凌新一代雷達(dá)射頻芯片,該雷達(dá)射頻芯片特點(diǎn)如下：
(1)支持4T4R，28納米CMOS工藝;
(2)單通道輸出功率為14dBm;
(3)5G調(diào)制帶寬（76GHz~81GHz），可進(jìn)一步提高測(cè)距分辨率和精度；
(4)配合Ramp Design Tool（波形配置圖形化工具）可快速地實(shí)現(xiàn)多種波形配置，如TDM MIMO（時(shí)分調(diào)制）和DDM MIMO（多普勒分址調(diào)制）。其中，DDM MIMO需要對(duì)各個(gè)發(fā)射通道進(jìn)行獨(dú)立移相，移相精度高達(dá)3°，移相器性能與NXP和TI并列。
(5)創(chuàng)新性的DPLL(數(shù)字鎖相環(huán))給予更快的波形變化率（400MHz/us），結(jié)合高采樣頻率的ADC，能實(shí)現(xiàn)更短的發(fā)波時(shí)間，從而提高最大不模糊速度范圍，同時(shí)降低發(fā)波占空比和功耗，這在級(jí)聯(lián)式4D成像雷達(dá)方案中尤其重要。
(6)CTRX實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最高的接收機(jī)P1dB指標(biāo)，始終保證通道的良好線性，當(dāng)近處有較大反射目標(biāo)時(shí)，遠(yuǎn)處小目標(biāo)也可以精準(zhǔn)檢測(cè)到。
(7)具備抗干擾能力，CTRX各通道隔離度保證35dB以上。
(8)CTRX具備ASIL-C功能安全等級(jí)，豐富的功能安全軟件/硬件機(jī)制，可以幫助用戶方便地實(shí)現(xiàn)雷達(dá)傳感器整體的ASIL-B功能安全等級(jí)。
圖2中另一個(gè)重要芯片是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)處理的AURIXTM 2G單片機(jī)，AURIXTM 2G是英飛凌32位車規(guī)級(jí)單片機(jī)，片內(nèi)資源豐富，適合多種汽車應(yīng)用。
從雷達(dá)射頻芯片CTRX輸出的數(shù)字信號(hào)，順利獲得LVDS（low-voltage differential signal）高速同步串行口，進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)的RIF（Radar interface）單元進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)及整形，發(fā)送給下一級(jí)單元SPU（signal process unit），進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)處理，輸出的中間及最終結(jié)果可存儲(chǔ)于片內(nèi)RAM，這對(duì)于實(shí)時(shí)性處理非常關(guān)鍵。
如果是中間結(jié)果，比如第一維距離FFT的結(jié)果，先存儲(chǔ)在RAM，之后被SPU讀取，經(jīng)過(guò)再次運(yùn)算得到第二維多普勒FFT結(jié)果。通常SPU用于實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)預(yù)處理，如圖1所示，SPU可以完成數(shù)字波束成形，CFAR濾波及點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)，之后的到達(dá)角計(jì)算，也可以用SPU進(jìn)行FFT運(yùn)算獲取。
如果使用超分辨率算法，則需要CPU實(shí)現(xiàn)。AURIXTM 2G片內(nèi)有多個(gè)CPU支持浮點(diǎn)運(yùn)算，配合DSP函數(shù)庫(kù)，便于實(shí)現(xiàn)更靈活更復(fù)雜的算法。檢測(cè)出的目標(biāo)或?yàn)V波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以順利獲得豐富的通訊接口傳給融合單元，AURIXTM 2G給予多路CAN-FD，和千兆以太網(wǎng)接口，方便配合實(shí)現(xiàn)不同的融合架構(gòu)。
AURIXTM 2G實(shí)現(xiàn)了ASIL-D功能安全等級(jí)，片內(nèi)集成了大量硬件安全機(jī)制，從而節(jié)省了要用軟件彌補(bǔ)硬件不足的資源開(kāi)銷。從射頻芯片發(fā)出的信號(hào)，途經(jīng)LVDS，RIF，SPU，RAM，CPU，內(nèi)部總線等，整個(gè)數(shù)據(jù)處理路徑使用的硬件部件，都有相應(yīng)的安全機(jī)制保證數(shù)據(jù)的完整性，可靠性。
4、總結(jié)
本文簡(jiǎn)要介紹了毫米波雷達(dá)信號(hào)處理流程，以及英飛凌給予的硬件實(shí)現(xiàn)方案。前端射頻芯片的高性能，保證可以實(shí)現(xiàn)更卓越的雷達(dá)檢測(cè)指標(biāo)，比如更精準(zhǔn)更遠(yuǎn)的測(cè)距，更寬范圍的最大不模糊速度，更精準(zhǔn)的測(cè)角，更少的干擾等等。
后端單片機(jī)的豐富硬件資源，能快速精準(zhǔn)地將大量原始數(shù)據(jù)及時(shí)處理完成。千兆以太網(wǎng)接口能將原始數(shù)據(jù)、或距離FFT結(jié)果傳送給上層ECU(電子控制單元)，方便系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同的融合架構(gòu)，豐富的功能安全硬件機(jī)制保證了數(shù)據(jù)的完整性、可靠性。
最后補(bǔ)充一句，千兆以太網(wǎng)接口將雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出是研發(fā)雷達(dá)系統(tǒng)比較關(guān)鍵的功能，不管是原始ADC數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)還是最終的目標(biāo)數(shù)據(jù)，只要有數(shù)據(jù)就不會(huì)拖算法的后腿。但這一切的前提是需要雷達(dá)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)比較理想，不說(shuō)90分，也至少應(yīng)該要有80分。
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