汽車成像雷達波形選擇

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【正文】

編輯|小助理 審核|調(diào)皮哥

本文主要解讀論文：High-resolution Automotive Radar Point Cloud Imaging and Processing

原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9792662/authors#authors

汽車?yán)走_成像雷達波形選擇，到底是TDM、BPM、DDM，或者是TDMA+DDMA，或者還有其他，一起來看看這篇論文的介紹吧。

1、MIMO波形介紹

當(dāng)今新興的4D成像雷達（4D-radar）采用多芯片級聯(lián)MIMO技術(shù)，可在方位角和仰角維度上實現(xiàn)高分辨率，提供高質(zhì)量的三維點云成像。一般的汽車?yán)走_芯片都有3個發(fā)射通道和4個接收通道，因此可以同時采用4芯片級聯(lián)的MIMO方案，將虛擬陣列擴展到12×16=192個通道。

使用MIMO技術(shù)的汽車?yán)走_中的虛擬陣列合成依賴于不同天線發(fā)射的發(fā)射信號的分離，目前采用的MIMO 雷達技術(shù)有三種模式，分別是TDMA-MIMO、DDMA-MIMO、BPMA-MIMO。

當(dāng)不同天線的發(fā)射信號正交時，分離更容易，實現(xiàn)波形正交性的最簡單方法是TDMA-MIMO，故TDMA-MIMO波形因其實現(xiàn)簡單和高度正交性而成為目前應(yīng)用最廣泛的方法，但是TDMA-MIMO的缺點是發(fā)射功率低導(dǎo)致探測距離受限制，并且最大不模糊速度、距離分辨率與正交信號數(shù)量之間存在矛盾關(guān)系。雖然后續(xù)解決速度模糊問題的算法有很多，但頻譜混疊造成的目標(biāo)檢測難度仍然嚴(yán)重，發(fā)射天線較多的情況更是雪上加霜。

BPMA-MIMO （相位編碼）雷達利用碼分多址 (CDMA) 技術(shù)，可以在不犧牲發(fā)射功率、帶寬或線性調(diào)頻持續(xù)時間的情況下有效地實現(xiàn)低互相關(guān)波形。由于不存在具有理想自相關(guān)和互相關(guān)特性的理想正交碼序列，因此相位編碼波形有時僅近似滿足正交性要求。

相位編碼MIMO雷達的主要問題是干擾的多普勒FFT將擴散到整個多普勒頻譜中，如下圖所示。最嚴(yán)重的影響是微弱的目標(biāo)信號會被淹沒在干擾信號中，例如當(dāng)有卡車和行人在同一距離分辨單元中時，行人很可能無法檢測到。

具有四個天線同時發(fā)射的相位編碼MIMO的RD譜

（a） Gold序列，長度128

（b） Chu序列，長度128

DDMA-MIMO可以提高雷達探測距離，每個發(fā)射通道以一個較小和唯一的頻率偏移同時發(fā)射相同的斜率的調(diào)頻信號，這有效地將多普勒頻譜中的每個發(fā)射信號分離，等效于正交性波形。然而，由于較小的多普勒偏移，導(dǎo)致發(fā)射通道間存在耦合，額外擴展的目標(biāo)很容易重疊。

DDMA-MIMO RD譜

(a)同時發(fā)射兩根天線

（b）同時發(fā)射三根天線

盡管在多普勒域中采用不同的多普勒頻移調(diào)制每個發(fā)射陣元來實現(xiàn)波形正交性，但DDM-MIMO雷達技術(shù)存在一些缺點，限制了其在汽車?yán)走_中的應(yīng)用。

在多目標(biāo)場景中，每個目標(biāo)將在距離多普勒譜中生成一個真實位置，但在同一距離單元之間伴隨著多根發(fā)射天線的干擾，當(dāng)有多個目標(biāo)在相同距離但速度不同時出現(xiàn)問題，真正的目標(biāo)和干擾將被混淆。因此，如何緩解多目標(biāo)場景下干擾帶來的誤報是關(guān)鍵問題。

三種波形的技術(shù)特點如下圖所示：

2、TDM+DDM-MIMO技術(shù)

根據(jù)上述的介紹和分析，僅僅采用波形正交性技術(shù)之一的DDMA或者TDMA來完成4D高分辨率成像汽車?yán)走_的設(shè)計幾乎是不可能的，因此必須考慮一種綜合的方案，該論文設(shè)計了一個集成的TDM-DDM-MIMO的框架來獲得折衷的性能。

TDM-DDM-MIMO 技術(shù)利用了 TDMA 和 DDMA 的最佳波形正交性，多個發(fā)射天線同時發(fā)射信號也可以降低能量損耗。當(dāng)采用與ARS540相同的芯片級聯(lián)MIMO技術(shù)時，最多12個發(fā)射天線，TDM-DDM-MIMO框架可以設(shè)置為2個或更多的發(fā)射天線進行DDMA編碼，但不建議同時使用4個以上的發(fā)射天線進行發(fā)射，因為干擾會嚴(yán)重降低目標(biāo)檢測性能。與TDM-MIMO技術(shù)相比，TDM-DDM-MIMO中距離多普勒譜所代表的最大不模糊速度將比單Chirp周期內(nèi)發(fā)射的天線數(shù)量提高數(shù)倍，但干擾的影響會嚴(yán)重一些。

采用2個發(fā)射天線的TDM-DDM-MIMO汽車波形如上圖所示，在兩個不同通道的數(shù)據(jù)上使用多普勒FFT，干擾和目標(biāo)將分布在多普勒域中，但干擾位于通道之間目標(biāo)的不同側(cè)，因此可以區(qū)分目標(biāo)和干擾。

有兩種特殊情況，一旦多普勒域中兩個目標(biāo)的坐標(biāo)間距為Na/4或Na/2，Na為慢時間采樣點，采用上述目標(biāo)檢測方法會出現(xiàn)虛假目標(biāo)和真實目標(biāo)估計不準(zhǔn)確的情況。因此，需要添加更多的信息來區(qū)分目標(biāo)和干擾，例如信號幅度、相位信息等。

個人心得：波形設(shè)計是4D成像雷達的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以和天線布局與優(yōu)化、超分辨算法和跟蹤關(guān)聯(lián)合稱為4D成像雷達的四大核心技術(shù)！

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【本期結(jié)束】

本文是空閑時個人的心得體會，僅供參考。目前我還有很多內(nèi)容需要學(xué)習(xí)，如果還有沒有說到或者不全面的地方，還請指正，感謝大家。

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