詳解毫米波雷達(dá)與激光雷達(dá)的區(qū)別

車載角雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)盲點(diǎn)檢測(cè)(BSD)、側(cè)向來(lái)車警示 (CTA)、車道變換輔助 (LCA)等功能，在輔助駕駛場(chǎng)景中具有重要應(yīng)用。下面以 TI 公司的 AWR1843 雷達(dá)為例介紹車載角雷達(dá)的工作原理。

調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)可以準(zhǔn)確測(cè)量障礙物和其他車輛的距離和相對(duì)速度，是汽車安全應(yīng)用的重要傳感器。雷達(dá)相對(duì)于攝像頭和基于激光雷達(dá)的系統(tǒng)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是雷達(dá)相對(duì)不易受環(huán)境條件的影響(例如雨水、灰塵、煙霧和眩光的影響)。

FMCW 雷達(dá)傳輸 Chirp(線性調(diào)頻)信號(hào)并處理其反射，因而可以在完全黑暗或明亮的日光下工作。與超聲波相比，雷達(dá)通常具有更長(zhǎng)的射程，并且雷達(dá)信號(hào)的傳輸時(shí)間遠(yuǎn)小于超聲波信號(hào)的傳輸時(shí)間。因此，雷達(dá)可以更準(zhǔn)確地報(bào)告動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。

毫米波雷達(dá)與激光雷達(dá)區(qū)別

從工作原理上來(lái)講，激光雷達(dá)(LIDAR，light detection and ranging)和毫米波雷達(dá)(RADAR，radio detection and ranging)基本類似，都是利用回波成像來(lái)顯示被探測(cè)物體。

不過(guò)激光雷達(dá)發(fā)射的電磁波是一條直線，主要以光粒子發(fā)射為主要方法，而毫米波雷達(dá)發(fā)射出去的電磁波是一個(gè)錐狀的波束，以電磁輻射為主。

角雷達(dá)的工作原理

角雷達(dá)設(shè)計(jì)應(yīng)用于超短程雷達(dá)(USRR)和短程雷達(dá)(SRR)。在 140km/h 的行駛條件下，AWR1843 雷達(dá)能夠檢測(cè)兩百多個(gè)個(gè)物體，并在 150 米的距離處跟蹤二十多個(gè)物體。

在角雷達(dá)應(yīng)用中，AWR1843 被配置為多模雷達(dá)，意味著它在跟蹤 150 m 處的物體的同時(shí)，還可以在 30 m 處生成豐富的物體點(diǎn)云。通過(guò)設(shè)計(jì)增益比更高的天線，可以實(shí)現(xiàn)超過(guò) 150 m 的范圍。

由于該設(shè)計(jì)是多模雷達(dá)，因此有兩組不同的規(guī)格。第一個(gè)是可用于BSD、LCA和TJA，對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)最大射程 150m 的配置(SRR)。第二個(gè)是對(duì)應(yīng)于 30m 配置的 USRR 規(guī)范。

AWR1843 雷達(dá)簡(jiǎn)介

AWR1843 是一款集成的單芯片調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)傳感器，能夠在 76-81GHz 頻段內(nèi)工作。該器件采用 45nm CMOS 工藝構(gòu)建，可在極小的外形尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字集成。

該傳感器有四個(gè)接收器和三個(gè)帶有閉環(huán)鎖相環(huán)(PLL)的發(fā)射器。其還包括一個(gè)用于射頻校準(zhǔn)和安全監(jiān)控的內(nèi)置無(wú)線電處理器(BIST)。傳感器設(shè)備支持 10MHz 的中頻帶寬和可重新配置的輸出采樣率。Arm Cortex R4F 和 TI 的 C674x DSP(定點(diǎn)和浮點(diǎn))以及 2MB 片上 RAM 支持高級(jí)算法開發(fā)。

天線配置

角雷達(dá)使用四個(gè)接收器和三個(gè)發(fā)射器(兩種不同Chirp配置)。第一種配置(SRR)使用簡(jiǎn)單的非 MIMO 配置，TX1、TX2 和 TX3同時(shí)傳輸。

第二種 USRR 使用時(shí)分復(fù)用MIMO配置(即轉(zhuǎn)換 TX1、TX2 和 TX3 中交替發(fā)射 Chirp 信號(hào))。該多輸入多輸出(MIMO)配置合成了一個(gè)由 12 個(gè)虛擬 RX 天線組成的陣，將角度分辨率提高了三倍(與單個(gè) TX 配置相比)。

信號(hào)配置和系統(tǒng)性能

在對(duì)信號(hào)配置之前，我們先看看毫米波雷達(dá)的信號(hào)波形圖。

圖中，

Idle Time：空閑時(shí)間，上一次 chirp 結(jié)束和下一次 chirp 開始之間的時(shí)間

Tx Start Time：發(fā)射開啟時(shí)間，從斜坡開始到發(fā)射器打開的時(shí)間

ADC Start Time：ADC 啟動(dòng)時(shí)間，從斜坡開始到 ADC 開始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)間

Ramp End Time：斜坡結(jié)束時(shí)間，從斜坡開始到 chirp 持續(xù)上升結(jié)束的時(shí)間

AWR1843 雷達(dá)最大探測(cè)距離大約 150m，最大探測(cè)距離 。頻率斜率 和最大距離 的乘積受限于可用的中頻帶寬 (AWR1843 為 10MHz)。因此，150m 的最大距離將 FMCW 信號(hào)的頻率斜率鎖定到大約 。

Chirp 信號(hào)周期的選擇是距離分辨率 和最大速度 之間的權(quán)衡。該雷達(dá)使用約 0.78m 的距離分辨率，其原始最大速度約為 55km/h。通過(guò)高級(jí)算法，可以檢測(cè)到的最大速度為 144km/h。

由于 L3 內(nèi)存和 IF 帶寬的限制，較遠(yuǎn)的距離會(huì)有較低的距離分辨率。解決這種權(quán)衡的一種有用技術(shù)是擁有多種配置，每種配置都針對(duì)特定的觀看范圍進(jìn)行定制。例如，典型的 SRR 雷達(dá)在兩種模式之間交替：低分辨率模式瞄準(zhǔn)更大的最大距離(例如 150 米，分辨率為 0.75 米)和高分辨率模式瞄準(zhǔn)更短的距離(例如 30 米，分辨率為 4 厘米)。

為了滿足 USRR 和 SRR 的要求，角雷達(dá)設(shè)計(jì)利用了 AWR1843 器件的高級(jí)幀配置 API。此 API 允許構(gòu)建由多個(gè)子幀組成的幀，每個(gè)子幀都被調(diào)整到特定的應(yīng)用程序。

這些子幀中的每一個(gè)都被調(diào)整到一個(gè)應(yīng)用程序。在 SRR 設(shè)計(jì)的情況下，使用了兩個(gè)子幀。一個(gè)子幀專用于 USRR 中，另一個(gè)子幀專用于 SRR 中。

幀配置使用高級(jí)幀配置 API 生成兩個(gè)單獨(dú)的子幀-SRR 子幀以及 USRR 子幀。如下圖所示。

SRR 子幀由兩種 Chirp 信號(hào)組成：快頻信號(hào)和慢頻信號(hào)?？祛l信號(hào)和慢頻信號(hào)具有相同的斜率，但是，慢頻信號(hào)的重復(fù)周期略高于快頻信號(hào)。

與快頻信號(hào)相比，在 2D-FFT 之后處理的慢頻信號(hào)將具有較小的最大速度。快、慢頻信號(hào)不交替。相反，快頻信號(hào)重復(fù)一定次數(shù)，然后是慢頻信號(hào)再次重復(fù)相同次數(shù)。

這種設(shè)計(jì)的目的是使用來(lái)自快頻信號(hào)和慢頻信號(hào)的兩個(gè)獨(dú)立的目標(biāo)速度估計(jì)來(lái)生成具有更高最大速度估計(jì)。

USRR 子幀由三個(gè)交替的 Chirp 信號(hào)組成。每個(gè) Chirp 使用 AWR1843 上可用的三個(gè) TX 之一。該子幀的組合處理允許生成 8 個(gè) Rx 天線的虛擬 Rx 陣列，因此具有更好的角分辨率(在方位角方向約為14.32度)。

下圖顯示了到SRR應(yīng)用程序的處理數(shù)據(jù)路徑。

時(shí)間配置

下圖顯示了 Chirp 信號(hào)的時(shí)序和系統(tǒng)中的后續(xù)處理。

上圖顯示的數(shù)據(jù)路徑處理，描述如下。

RF 前端由 BIST 子系統(tǒng)(BSS)配置，從各個(gè)前端通道獲得的原始數(shù)據(jù)交由雷達(dá)硬件加速器(HWA)進(jìn)行處理。

Chirp 期間的處理包括：

從 ADC 緩沖器獲取來(lái)自多個(gè)接收天線的輸入(對(duì)應(yīng)于發(fā)射天線上的Chirp模式)，硬件加速器執(zhí)行的一維(距離)FFT 處理

通過(guò)增強(qiáng)型直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(EDMA)將處理結(jié)果輸?shù)絃3(三級(jí)緩存)RAM

在射頻電路的空閑期間(即幀間處理時(shí)間)進(jìn)行處理包括：

將 L3 RAM 中的一維輸出作為輸入，由硬件加速器執(zhí)行的二維(速度)FFT 處理，在 L3 RAM 中生成(距離、速度)矩陣

將數(shù)據(jù)從 L3 RAM 輸入 C674x DSP 以執(zhí)行多普勒方向的CFAR檢測(cè)，距離方向的 CFAR 檢測(cè)使用 mmWave 庫(kù)。其余的處理在 DSP 中繼續(xù)進(jìn)行

SRR子幀、多普勒和 USRR 子幀的峰值聚合(多普勒和距離)

到達(dá)方向(方位角)、俯仰角估計(jì)

基于目標(biāo)的 SNR 和 2D-FFT 幅度進(jìn)行額外修剪以避免地面雜波

在 SRR 和 USRR 中使用 DBSCAN 算法(基于密度的聚類算法)對(duì)檢測(cè)到的目標(biāo)進(jìn)行聚類

使用 SRR 的擴(kuò)展卡爾曼濾波器跟蹤集群

EDMA配置

存儲(chǔ)器之間的大規(guī)模數(shù)據(jù)移動(dòng)是在 SRR 中使用 EDMA 完成的。使用 EDMA 比使用處理器移動(dòng)數(shù)據(jù)更有效，因?yàn)楫?dāng)數(shù)據(jù)移動(dòng)完成時(shí)，DSP 和 HWA 可以繼續(xù)處理數(shù)據(jù)。必要的主要數(shù)據(jù)傳輸包括：

? 將距離 FFT 輸出數(shù)據(jù)從 HWA 內(nèi)存移動(dòng)到 L3 內(nèi)存

? 從 L3 獲取 1D-FFT 數(shù)據(jù)到 HWA 輸入緩沖區(qū)以執(zhí)行 2D FFT

? 移動(dòng)來(lái)自 L3 的 1D-FFT 數(shù)據(jù)進(jìn)行角度估計(jì)(在2D-DFT之后)

ping-pong 工作機(jī)制

ping-pong 是一種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，能夠同時(shí)利用兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)達(dá)到數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸?shù)哪康?，從而提高?shù)據(jù)傳輸速率。

由于單個(gè)緩沖區(qū)得到的數(shù)據(jù)在傳輸和處理中很容易被覆蓋，而 ping-pong 緩沖區(qū)的方式能夠總是保持一個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)被利用，另一個(gè)緩沖用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。即兩個(gè)相同的對(duì)象作為緩沖區(qū)交替地被讀和被寫。

大多數(shù) EDMA 都在 ping-pong 緩沖區(qū)上工作，這意味著當(dāng) ping 緩沖區(qū)被填充時(shí)，HWA 或 DSP 可以使用 pong 緩沖區(qū)進(jìn)行處理。

內(nèi)存分配

AWR1843具有以下存儲(chǔ)器：

? L3 RAM 1024 kB

? L2 RAM 256 kB

? L1D RAM 32 kB

? L1P RAM 32 kB

R4F有512kB代碼和數(shù)據(jù)RAM。在 SRR設(shè)計(jì)中，R4F僅用于配置和 UART/LVDS 通信。它的內(nèi)存消耗和分配對(duì)設(shè)計(jì)沒(méi)有影響。因此，DSP 是內(nèi)存的主要消費(fèi)者。

在 L1P RAM 和 L1D RAM可用的32KB中，L1P RAM 的一半(16 kB)和L1D RAM的一半(16 kB)保留用于代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。剩余的用作緩存。

存儲(chǔ)在 L1P 中的代碼通常是 FFT 或 CFAR 等算法，或者是更復(fù)雜算法(如聚類和跟蹤)的一些內(nèi)核。將這些存儲(chǔ)在 L1 中可以更快地執(zhí)行這些內(nèi)核，并在剩余內(nèi)存中節(jié)省一些空間(在這種情況下，約為16kB)。

L1D 用作某些常用緩沖區(qū)的快速 RAM。L2 RAM 主要用于代碼存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)暫存等。L3 RAM 主要用存儲(chǔ)雷達(dá)立方體等。

處理雷達(dá)信號(hào)需要在處理階段(3D-FFT、檢測(cè)、角度估計(jì)等)的每個(gè)步驟中使用大量暫存緩沖區(qū)。通過(guò)覆蓋暫存緩沖區(qū)可以有效地使用可用內(nèi)存。在前一階段使用的暫存緩沖區(qū)可以在當(dāng)前階段重新使用。

原文標(biāo)題：車載毫米波角雷達(dá)簡(jiǎn)介

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