【導(dǎo)讀】近年來，雷達被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，在汽車電子領(lǐng)域更是扮演者重要角色，尤其是在高級輔助駕駛系統(tǒng)中。隨著雷達在領(lǐng)域中的逐漸拓展，雷達收發(fā)器、信號處理、自動避險等功能使得車載系統(tǒng)更加如魚得水。車載雷達在汽車系統(tǒng)的設(shè)計中產(chǎn)生了深遠影響。
為什么是雷達?
對ADAS的大部分討論都集中在使用可見波長攝像機的被動視覺系統(tǒng)上。而Freescale半導(dǎo)體公司的雷達系統(tǒng)工程師Ralf Reuter很有說服力的論證了77-GHz雷達的作用。Reuter在一次最近的訪談中談?wù)摰剑?ldquo;重要的一點是，[ADAS傳感技術(shù)]只有雷達是與天氣 無關(guān)的。而攝像機在識別目標(biāo)上有優(yōu)勢，雷達更善于探測物體，測量其速度。”Reuter解釋到，出于這些原因，很多重視探測和風(fēng)險分類評估的早期系統(tǒng)會選 擇雷達。他指出：“在歐洲，對卡車緊急剎車系統(tǒng)有很大的需求。它是基于雷達的。”
雷達系統(tǒng)會啟動一個簡單的中距離系統(tǒng)，向前直視整條道路。但是，很快會發(fā)展到多傳感器系統(tǒng)，同時包括長距離前視和短距離360度危險評估功能，如圖1所示。
圖1.雷達系統(tǒng)能夠進行前向搜索，以及觀察車輛四周。
雖然光學(xué)視覺系統(tǒng)非常成熟了，而雷達系統(tǒng)的優(yōu)勢會使其更加完善。Reuter預(yù)測，在不久的將來，具有目標(biāo)識別的多攝像機復(fù)雜系統(tǒng)能夠融合視頻和雷達數(shù)據(jù)，對周圍的世界建立動態(tài)模型。
采集信號
理解雷達對汽車系統(tǒng)設(shè)計的影響是從理解傳感器開始的。大部分汽車?yán)走_設(shè)計都愿意使用24或者77-GHz自由頻段。發(fā)送器一般是頻率調(diào)制的連續(xù)波(FMCW)設(shè)計，它發(fā)出“啁啾”：在頻域的快速變化，如圖2所示。
圖2.車載雷達將使用啁啾類型的FMCW。
Reuter 解釋說：“FMCW最大的優(yōu)勢是簡化了對反射信號的理解。您可以從反射頻率中直接讀取目標(biāo)范圍，從多普勒頻移中得出速度。與脈沖調(diào)制方案相比，產(chǎn)生CW不 太復(fù)雜，理解起來也很容易，很可靠。這是車輛廠商最關(guān)心的問題，他們覺得花在改進ADAS上的每一個歐元都直接來自企業(yè)利潤。
接收信號也需要低成本新穎的設(shè)計。通過采集方位信息來收集反射信號需要機械掃描天線或者相控陣天線，并且結(jié)合了數(shù)字聚束算法。天線后面一般是具有很多通道的零差接收機，這是天線設(shè)計所需要的——用于簡單旋轉(zhuǎn)天線，一個陣列有16個。
Reuter說：“接收機輸出是DC-20-MHz頻帶的基帶信號。”設(shè)計實現(xiàn)具有良好方位角分辨率的系統(tǒng)會有8至16個通道，需要8至16個高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。
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從啁啾中提取信息
來自每一通道的數(shù)字基帶信號流入到快速傅里葉變換(FFT)模塊中，實現(xiàn)長度高達2K采樣的變換。Reuter說：“過去，執(zhí)行FFT意味著需要很多 FPGA。今天，發(fā)展趨勢是集成了浮點DSP加速器的32位微控制器。”聚束系統(tǒng)可以使用兩塊FFT從信號中提取出范圍和速度數(shù)據(jù)，如圖3所示。
圖3.聚束以及范圍和速度估算的FFT配置。
實際上，這一前端處理單元處理輸入的多個FMCW模擬通道，形成方位角/范圍/速度數(shù)組的數(shù)字碼流。這一數(shù)據(jù)流進入到一個或者多個CPU內(nèi)核中，由其他加速器所支持的軟件會推斷出在車輛周圍是否有物體出現(xiàn)，物體的位置以及屬性。
Reuter解釋說：“您需要識別出目標(biāo)，把它們從背景中分離出來，選擇最關(guān)鍵的一個。您可能需要處理200個目標(biāo)，因此，計算會非常復(fù)雜，特別是提取出角度信息。”
系統(tǒng)的物理配置也越來越復(fù)雜。Reuter說，目前傳感器本身的處理工作很少。相反，ADC有專用模擬接口，信號處理硬件的專用數(shù)字接口用于FFT，微控制 器還有其他的接口來提取出目標(biāo)，并對其進行分類。目標(biāo)信息被輸入到車輛控制區(qū)域網(wǎng)(CAN)或者FlexRay總線上，中央CPU集群對其進行解釋和分析。
整條流水線都有很大的帶寬和延時要求。Reuter說，CPU對數(shù)據(jù)的解釋一般以圖形顯示的方式呈現(xiàn)給司機，即，他通過擋風(fēng)玻璃能夠觀 察到的前端多功能顯示屏。這種混合顯示要求最多不能超過50-ms的更新間隔，以及更具挑戰(zhàn)性的50-ms最大延時。否則，圖像會很不平穩(wěn)，通過擋風(fēng)玻璃 的圖像會有滯后，可能導(dǎo)致司機誤判。
隨著系統(tǒng)從一個傳感器發(fā)展到支持聚束功能的多個傳感器，以實現(xiàn)攝像機數(shù)據(jù)融合，互聯(lián)體系結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化。Reuter說：“有使用以太網(wǎng)來降低成本的需求。”但是，系統(tǒng)仍然要求實時工作，帶來了怎樣保證以太網(wǎng)實時性的問題。
到處都是干擾的未來
只要周圍沒有人使用雷達，車載雷達一般都比較可靠。但是，這有很明顯的問題：越來越多的車輛使用了雷達，因此，設(shè)備之間不可避免的會出現(xiàn)干擾。Reuter 說，您可以改變調(diào)制速率以減小干擾，最終，采用編碼跳頻碼型來替代簡單的頻率變化，因此，每一輛車都能夠識別出自己的啁啾。這種變化能夠保持早期系統(tǒng)的體 系結(jié)構(gòu)以及大部分硬件不變，但是要實現(xiàn)復(fù)雜的提取和分析功能，則要求每一系統(tǒng)能夠識別出來自其天線的反射信號。
而且，還有一類不容易解決的問題：固定設(shè)備所產(chǎn)生的干擾。Reuter提醒說：“馬上帶來的問題是，歐洲的隧道使用大功率雷達來識別車輛。他們的發(fā)射器會導(dǎo)致車載雷達無法工作。”
一個更科學(xué)化的敏感問題是，天文物體輻射頻譜的關(guān)鍵部分位于77-GHz頻帶。在人口密集區(qū)，越來越多的車載雷達會強烈干擾天文射頻信號。
Reuter提醒說：“在日本已經(jīng)出現(xiàn)了要求關(guān)掉射頻天文望遠鏡1,000公里范圍內(nèi)發(fā)射器的法規(guī)。這有可能覆蓋整個國家。”
啁啾調(diào)制器、數(shù)字聚束、目標(biāo)識別、危險評估、防護跳頻、干擾等——這些聽起來都像是新型作戰(zhàn)飛機的情形，而不是貨車和轎車。實際上，ADAS繼承了軍事系統(tǒng)的很多技術(shù)。這并不奇怪，當(dāng)天氣越來越糟，車越來越堵時，這的確像是一場戰(zhàn)爭。
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