雷達傳感器增強ADAS安全性，實現(xiàn)駕駛員便利功能

在汽車越來越自動化，半導(dǎo)體成為關(guān)鍵創(chuàng)新因素的世界中，傳感器變得至關(guān)重要，特別是在處理移動物體時。雷達傳感器使用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）技術(shù)，即使在極端天氣條件下也能可靠地檢測移動或靜止物體，如汽車、火車、卡車和負載。對于正面吊、叉車等移動的機器以及手推車、機械手和裝載機等港口機械，它們也是理想的防撞解決方案。

FMCW在汽車雷達領(lǐng)域的應(yīng)用范圍從安全到舒適功能，包括盲點檢測、車道變換輔助、駕駛員生命體征監(jiān)測、自由空間檢測和停車輔助。這些功能基于雷達準確檢測和定位障礙物的能力，無論天氣和環(huán)境光線條件如何。

FMCW雷達典型的高分辨率距離和速度（多普勒）性能使其適用于基于手勢的非觸摸界面。汽車行業(yè)的用例包括基于手勢的車門/行李箱開啟器和基于手勢的信息娛樂系統(tǒng)控制（例如揮手在屏幕之間切換或旋轉(zhuǎn)手指控制音量）。對駕駛員的生命體征（例如心率和呼吸率）的連續(xù)準確監(jiān)測是提高道路安全性的重要特征。這些傳感器的小尺寸使該功能的非侵入式實現(xiàn)成為可能。例如，傳感器可以結(jié)合到駕駛員座椅的靠背中。

連續(xù)波調(diào)頻

圖1給出了具有單個發(fā)射鏈（Tx）和單個接收鏈（Rx）的FMCW雷達的典型框圖。本地振蕩器（LO）生成稱為線性調(diào)頻的信號，該信號具有隨時間線性變化的頻率，并且經(jīng)由Tx天線發(fā)送。由Rx天線接收的信號（從雷達前方的場景反射）與發(fā)射信號混合以產(chǎn)生中頻信號。然后，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將接收到的IF信號數(shù)字化，以用于后續(xù)的數(shù)字處理（DSP）。對數(shù)字化樣本進行快速傅立葉變換（FFT）處理，從而可以評估物體的范圍。

圖1：FMCW雷達的框圖（左）。在范圍FFT圖（右）中，峰值頻率對應(yīng)于場景中各種對象的范圍。（圖片來源：Texas Instruments）

雖然FFT圖中峰值的頻率直接對應(yīng)于對象的范圍，但是峰值的相位對對象位置的微小變化極其敏感。這種靈敏度是雷達估計物體振動頻率能力的基礎(chǔ)，也是速度估計的基礎(chǔ)。

雷達性能指標取決于發(fā)射信號的選擇。舉例來說：

距離分辨率提高（增加）啁啾帶寬。

速度分辨率可改善（增加）幀持續(xù)時間。

最大可測量速度與相鄰啁啾之間的間隔成反比。

Tx/Rx天線的數(shù)量限制了角度的分辨率。

應(yīng)用

自由空間傳感器利用雷達在遠距離的分辨率和近距離檢測障礙物（如電線桿、墻壁或附近停放的汽車）的能力。自由空間傳感器也可以用作停車傳感器。

該器件通過執(zhí)行2D FFT來處理來自ADC的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)沿著一幀，可求解距離和多普勒中的對象，并將附近的移動對象與靜止障礙物分開。對于移動的雷達，例如安裝在門上的雷達，多普勒分辨率也有助于基于雷達和物體之間的相對速度差來檢測靜止物體。2D FFT陣列的非相干累積創(chuàng)建了距離—多普勒熱圖，可以通過檢測算法進行處理（圖2）。

圖2：自由空間傳感器應(yīng)用的典型處理鏈（圖片：Texas Instruments）

天線配置和天線元件的視場（FOV）是自由空間傳感器應(yīng)用中的重要設(shè)計考慮因素。通常，可以在FOV仰角和地面雜波抑制之間，以及在估計仰角的能力和方位分辨率之間找到折衷。

在FMCW雷達中接收的信號的相位對物體位置的微小變化極其敏感。通過利用該特性，可以估計物體的振動頻率（例如由心跳和呼吸引起的振動）。對于駕駛員生命體征監(jiān)測，該設(shè)備發(fā)送線性調(diào)頻序列，并且范圍FFT中的峰值識別來自駕駛員胸部的強烈反射。該設(shè)備中的算法跟蹤啁啾中這個峰值的相位，并對步驟序列進行頻譜分析，以提取駕駛員的心率和呼吸率數(shù)據(jù)。

圖3：手勢識別應(yīng)用中使用的信號處理鏈框圖（圖片：Texas Instruments）

對于基于手勢的識別，該器件對通過幀的啁啾收集的ADC數(shù)據(jù)執(zhí)行2D FFT（圖3）。這解決了距離和多普勒的情況。然后針對每個Rx天線（或者如果雷達處于MIMO模式，則針對每個虛擬天線）計算2D FFT矩陣。通過天線的2D FFT矩陣的非相干累積創(chuàng)建距離-多普勒熱圖。下一步是從距離-多普勒熱圖中提取更多特征。

我們知道在高溫下將兒童和動物留在封閉的車輛中的危險，包括致命的后果。安裝在乘客艙中的FMCW雷達可以檢測無人值守車輛中的存在，從而進行及時干預(yù)。這種應(yīng)用主要取決于雷達實現(xiàn)出色速度分辨率的能力。雷達必須將物體分開，即使是最微弱的運動（如熟睡的孩子）也能從車內(nèi)靜止的雜波中區(qū)分出來。

傳感器ic

Texas Instruments的AWR1x和IWR1x系列傳感器基于CMOS技術(shù)。AWR系列專為汽車應(yīng)用而設(shè)計，而IWR系列則適用于工業(yè)應(yīng)用。毫米波（毫米波頻段）雷達產(chǎn)品可以傳輸波長為毫米量級的信號。毫米波系統(tǒng)工作在76至81 GHz，對應(yīng)波長約為4 mm，可以檢測到小至幾分之一毫米的運動。

每個芯片都可以實現(xiàn)智能和高精度的自主檢測，分辨率在4 cm以內(nèi)，現(xiàn)場精度優(yōu)于50 μ m，范圍可達300米。毫米波AWR1x系列的目標是幫助工程師克服他們在設(shè)計符合高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）監(jiān)管標準的功能時通常遇到的障礙。

通過允許車輛識別危險情況，77-GHz雷達系統(tǒng)可以防止事故并提高汽車安全性。它們用于檢測30至250米范圍內(nèi)的不同類型的障礙物，例如行人和其他車輛，即使在能見度很差的情況下也是如此。它們的巨大優(yōu)勢包括高精度和從短距離到長距離的出色可擴展性。從設(shè)計的角度來看，缺點是它們的技術(shù)復(fù)雜性較高，盡管可以使用開發(fā)工具包來解決這一挑戰(zhàn)。雷達信息用于ADAS應(yīng)用，如自動緊急制動和自適應(yīng)巡航速度控制。STMicroelectronics的STRADA 770收發(fā)器覆蓋76至81 GHz的毫米波頻段，包括三個發(fā)射器、四個接收器和一個twitter調(diào)制器。

圖4：汽車雷達解決方案（圖片：英飛凌科技）

英飛凌科技為車輛提供77 GHz雷達系統(tǒng)解決方案，減少了所需組件的數(shù)量（圖4）。雷達系統(tǒng)IC（RASIC）系列為76至77 GHz范圍的汽車雷達提供高集成度。英飛凌的32位AURIX ADAS器件為雷達應(yīng)用提供專用功能集，在許多情況下無需添加DSP、SRAM和外部ADC。

微控制器和傳感器的改進使ADAS的功能得以擴展，如電子穩(wěn)定控制、后視攝像頭和基于視覺的行人檢測。更先進的基于雷達的嵌入式解決方案提供安全功能，以補充汽車設(shè)計中的ADAS功能。新的雷達傳感器可用于實現(xiàn)具有成本效益的手勢識別解決方案。

作者：Maurizio Di Paolo Emilio (EE Times)