【導讀】近年來(lái)，雷達被廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域，在汽車(chē)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中。隨著(zhù)雷達在領(lǐng)域中的逐漸拓展，雷達收發(fā)器、信號處理、自動(dòng)避險等功能使得車(chē)載系統更加如魚(yú)得水。車(chē)載雷達在汽車(chē)系統的設計中產(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(jiàn)波長(cháng)攝像機的被動(dòng)視覺(jué)系統上。而Freescale半導體公司的雷達系統工程師Ralf Reuter很有說(shuō)服力的論證了77-GHz雷達的作用。Reuter在一次最近的訪(fǎng)談中談?wù)摰剑?ldquo;重要的一點(diǎn)是，[ADAS傳感技術(shù)]只有雷達是與天氣 無(wú)關(guān)的。而攝像機在識別目標上有優(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(lèi)評估的早期系統會(huì )選 擇雷達。他指出：“在歐洲，對卡車(chē)緊急剎車(chē)系統有很大的需求。它是基于雷達的。”
雷達系統會(huì )啟動(dòng)一個(gè)簡(jiǎn)單的中距離系統，向前直視整條道路。但是，很快會(huì )發(fā)展到多傳感器系統，同時(shí)包括長(cháng)距離前視和短距離360度危險評估功能，如圖1所示。
圖1.雷達系統能夠進(jìn)行前向搜索，以及觀(guān)察車(chē)輛四周。
雖然光學(xué)視覺(jué)系統非常成熟了，而雷達系統的優(yōu)勢會(huì )使其更加完善。Reuter預測，在不久的將來(lái)，具有目標識別的多攝像機復雜系統能夠融合視頻和雷達數據，對周?chē)氖澜缃?dòng)態(tài)模型。
采集信號
理解雷達對汽車(chē)系統設計的影響是從理解傳感器開(kāi)始的。大部分汽車(chē)雷達設計都愿意使用24或者77-GHz自由頻段。發(fā)送器一般是頻率調制的連續波(FMCW)設計，它發(fā)出“啁啾”：在頻域的快速變化，如圖2所示。
圖2.車(chē)載雷達將使用啁啾類(lèi)型的FMCW。
Reuter 解釋說(shuō)：“FMCW最大的優(yōu)勢是簡(jiǎn)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范圍，從多普勒頻移中得出速度。與脈沖調制方案相比，產(chǎn)生CW不 太復雜，理解起來(lái)也很容易，很可靠。這是車(chē)輛廠(chǎng)商最關(guān)心的問(wèn)題，他們覺(jué)得花在改進(jìn)ADAS上的每一個(gè)歐元都直接來(lái)自企業(yè)利潤。
接收信號也需要低成本新穎的設計。通過(guò)采集方位信息來(lái)收集反射信號需要機械掃描天線(xiàn)或者相控陣天線(xiàn)，并且結合了數字聚束算法。天線(xiàn)后面一般是具有很多通道的零差接收機，這是天線(xiàn)設計所需要的——用于簡(jiǎn)單旋轉天線(xiàn)，一個(gè)陣列有16個(gè)。
Reuter說(shuō)：“接收機輸出是DC-20-MHz頻帶的基帶信號。”設計實(shí)現具有良好方位角分辨率的系統會(huì )有8至16個(gè)通道，需要8至16個(gè)高速模數轉換器(ADC)。
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從啁啾中提取信息
來(lái)自每一通道的數字基帶信號流入到快速傅里葉變換(FFT)模塊中，實(shí)現長(cháng)度高達2K采樣的變換。Reuter說(shuō)：“過(guò)去，執行FFT意味著(zhù)需要很多 FPGA。今天，發(fā)展趨勢是集成了浮點(diǎn)DSP加速器的32位微控制器。”聚束系統可以使用兩塊FFT從信號中提取出范圍和速度數據，如圖3所示。
圖3.聚束以及范圍和速度估算的FFT配置。
實(shí)際上，這一前端處理單元處理輸入的多個(gè)FMCW模擬通道，形成方位角/范圍/速度數組的數字碼流。這一數據流進(jìn)入到一個(gè)或者多個(gè)CPU內核中，由其他加速器所支持的軟件會(huì )推斷出在車(chē)輛周?chē)欠裼形矬w出現，物體的位置以及屬性。
Reuter解釋說(shuō)：“您需要識別出目標，把它們從背景中分離出來(lái)，選擇最關(guān)鍵的一個(gè)。您可能需要處理200個(gè)目標，因此，計算會(huì )非常復雜，特別是提取出角度信息。”
系統的物理配置也越來(lái)越復雜。Reuter說(shuō)，目前傳感器本身的處理工作很少。相反，ADC有專(zhuān)用模擬接口，信號處理硬件的專(zhuān)用數字接口用于FFT，微控制 器還有其他的接口來(lái)提取出目標，并對其進(jìn)行分類(lèi)。目標信息被輸入到車(chē)輛控制區域網(wǎng)(CAN)或者FlexRay總線(xiàn)上，中央CPU集群對其進(jìn)行解釋和分析。
整條流水線(xiàn)都有很大的帶寬和延時(shí)要求。Reuter說(shuō)，CPU對數據的解釋一般以圖形顯示的方式呈現給司機，即，他通過(guò)擋風(fēng)玻璃能夠觀(guān) 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(guò)50-ms的更新間隔，以及更具挑戰性的50-ms最大延時(shí)。否則，圖像會(huì )很不平穩，通過(guò)擋風(fēng)玻璃 的圖像會(huì )有滯后，可能導致司機誤判。
隨著(zhù)系統從一個(gè)傳感器發(fā)展到支持聚束功能的多個(gè)傳感器，以實(shí)現攝像機數據融合，互聯(lián)體系結構也發(fā)生了變化。Reuter說(shuō)：“有使用以太網(wǎng)來(lái)降低成本的需求。”但是，系統仍然要求實(shí)時(shí)工作，帶來(lái)了怎樣保證以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性的問(wèn)題。
到處都是干擾的未來(lái)
只要周?chē)鷽](méi)有人使用雷達，車(chē)載雷達一般都比較可靠。但是，這有很明顯的問(wèn)題：越來(lái)越多的車(chē)輛使用了雷達，因此，設備之間不可避免的會(huì )出現干擾。Reuter 說(shuō)，您可以改變調制速率以減小干擾，最終，采用編碼跳頻碼型來(lái)替代簡(jiǎn)單的頻率變化，因此，每一輛車(chē)都能夠識別出自己的啁啾。這種變化能夠保持早期系統的體 系結構以及大部分硬件不變，但是要實(shí)現復雜的提取和分析功能，則要求每一系統能夠識別出來(lái)自其天線(xiàn)的反射信號。
而且，還有一類(lèi)不容易解決的問(wèn)題：固定設備所產(chǎn)生的干擾。Reuter提醒說(shuō)：“馬上帶來(lái)的問(wèn)題是，歐洲的隧道使用大功率雷達來(lái)識別車(chē)輛。他們的發(fā)射器會(huì )導致車(chē)載雷達無(wú)法工作。”
一個(gè)更科學(xué)化的敏感問(wèn)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，越來(lái)越多的車(chē)載雷達會(huì )強烈干擾天文射頻信號。
Reuter提醒說(shuō)：“在日本已經(jīng)出現了要求關(guān)掉射頻天文望遠鏡1,000公里范圍內發(fā)射器的法規。這有可能覆蓋整個(gè)國家。”
啁啾調制器、數字聚束、目標識別、危險評估、防護跳頻、干擾等——這些聽(tīng)起來(lái)都像是新型作戰飛機的情形，而不是貨車(chē)和轎車(chē)。實(shí)際上，ADAS繼承了軍事系統的很多技術(shù)。這并不奇怪，當天氣越來(lái)越糟，車(chē)越來(lái)越堵時(shí)，這的確像是一場(chǎng)戰爭。
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