自動(dòng)駕駛雷達(dá)傳感器迎來(lái)技術(shù)革命

眾所周知，雷達(dá)技術(shù)的設(shè)計(jì)初衷是應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，用于識(shí)別或者跟蹤空中的軍事目標(biāo)。但是在自動(dòng)駕駛發(fā)展勢(shì)頭蓬勃的今天，人們更多的是通過(guò)自動(dòng)駕駛汽車領(lǐng)域的相關(guān)報(bào)道或者文獻(xiàn)中了解雷達(dá)。自動(dòng)駕駛中的雷達(dá)們是自動(dòng)駕駛關(guān)鍵的一環(huán)——外部環(huán)境感知，提供最基本的技術(shù)支持。自動(dòng)駕駛汽車在感知道路障礙物、行人等不確定因素時(shí)，發(fā)揮了巨大的作用。

以色列特拉維夫大學(xué)（TAU）一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，由光學(xué)相干斷層成像技術(shù)（OCT）啟發(fā)設(shè)計(jì)的低帶寬雷達(dá)，可以擺脫無(wú)線電帶寬的限制，以很低的帶寬或者不需要任何帶寬即可描繪出雷達(dá)周圍的物體的高分辨率地圖。這項(xiàng)研究打破了雷達(dá)技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域的長(zhǎng)期瓶頸，該項(xiàng)技術(shù)于上月刊登在Nature Communications上。

眾所周知，雷達(dá)技術(shù)的設(shè)計(jì)初衷是應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，用于識(shí)別或者跟蹤空中的軍事目標(biāo)。但是在自動(dòng)駕駛發(fā)展勢(shì)頭蓬勃的今天，人們更多的是通過(guò)自動(dòng)駕駛汽車領(lǐng)域的相關(guān)報(bào)道或者文獻(xiàn)中了解雷達(dá)。自動(dòng)駕駛中的雷達(dá)們是自動(dòng)駕駛關(guān)鍵的一環(huán)——外部環(huán)境感知，提供最基本的技術(shù)支持。自動(dòng)駕駛汽車在感知道路障礙物、行人等不確定因素時(shí)，發(fā)揮了巨大的作用。

人們普遍認(rèn)為，對(duì)距離的分辨能力，即區(qū)分兩個(gè)位置接近的目標(biāo)的能力，與發(fā)射雷達(dá)信號(hào)的帶寬成反比。TAU的學(xué)者受光學(xué)相干斷層掃描（OCT）啟發(fā)，演示了另一種類型的測(cè)距系統(tǒng)，具有良好的距離分辨率，并且?guī)缀跬耆皇軒捪拗疲c相同帶寬的標(biāo)準(zhǔn)相干雷達(dá)相比，它對(duì)目標(biāo)的分辨能力甚至提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，實(shí)現(xiàn)不需要帶寬就能精確地創(chuàng)建高分辨地圖的技術(shù)手段。

圖中顯示了三種不同的波：淺色最短，紫色居中，藍(lán)色最長(zhǎng)。光束的寬度表示每個(gè)不同的波。對(duì)于淺色波，由于其相干長(zhǎng)度較短，來(lái)自汽車的反射信號(hào)不再與信號(hào)的靜止發(fā)射部分相關(guān)。第一輛車反射的紫色波與發(fā)射信號(hào)相關(guān)，而第二輛車的反射則不相關(guān)，因此可以檢測(cè)到第一輛車的距離。藍(lán)色波具有最長(zhǎng)的相干長(zhǎng)度，與來(lái)自兩個(gè)物體的反射相關(guān)，也允許檢測(cè)第二輛車。雷達(dá)的相干長(zhǎng)度(或時(shí)間)從最短掃到最長(zhǎng)，掃描目標(biāo)在視線內(nèi)的位置。雷達(dá)系統(tǒng)的插圖（右上角）示意圖，是一個(gè)振蕩器和可控的相干時(shí)間τc傳播和混合反射的目標(biāo)。相位切換N次和混頻器的輸出平均長(zhǎng)度Nτc的窗口。通過(guò)掃描相干長(zhǎng)度來(lái)重復(fù)這個(gè)過(guò)程，產(chǎn)生了作為相干長(zhǎng)度函數(shù)的互相關(guān)系。

這是一張仿真結(jié)果及原理圖。連續(xù)波信號(hào)生成N階段跳躍隨機(jī)生產(chǎn)提供一個(gè)常數(shù)(可控)相干時(shí)間τm(相位切換事件之間的時(shí)間)。每個(gè)脈沖都有一個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間保持不變隨機(jī)相位(φn或向量φ)。信號(hào)從位于與延遲相關(guān)的距離的目標(biāo)處反射，該距離由一個(gè)因子a衰減，并與附加白噪聲一起接收。接收機(jī)的輸出與傳輸信號(hào)的持續(xù)時(shí)間和平均傳輸時(shí)間Nτm(平均啟動(dòng)信號(hào)的同時(shí)開始傳送) 混合在一起。集成的結(jié)果乘以τm相干時(shí)間。結(jié)果表示為互相關(guān)~Cm。對(duì)M個(gè)相干點(diǎn)(恒定相干長(zhǎng)度)重復(fù)該過(guò)程。M和N定義了系統(tǒng)的性能(距離分辨率和距離精度)。

上圖是實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)和傳輸帶寬測(cè)量結(jié)果。a是部分相干振蕩器的實(shí)拍圖。載波被分成兩個(gè)象限，其中一個(gè)相位延遲90。每個(gè)臂乘以所需隨機(jī)相位輸出在t時(shí)刻的適當(dāng)正弦或余弦項(xiàng)，將兩個(gè)臂組合在一起，顯示出具有所需相位跳變的單個(gè)載波、實(shí)現(xiàn)器和IQ矢量調(diào)制器。b圖測(cè)量雷達(dá)從相干長(zhǎng)度22-27m掃頻時(shí)的半帶寬，這對(duì)應(yīng)與27.2~22mhz的傳輸帶寬。隨著帶寬的增加，sinc函數(shù)的峰值降低，從而在整個(gè)掃描過(guò)程中保持傳輸功率。這些信號(hào)用于探索下圖所示的場(chǎng)景。

光學(xué)相干層析成像(OCT)把光源有限的相干長(zhǎng)度變成了一種優(yōu)勢(shì)，可以在生物組織內(nèi)部進(jìn)行亞毫米深分辨率的成像。通過(guò)掃過(guò)發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)之間的延遲，然后恢復(fù)相干函數(shù)的峰值，推導(dǎo)出被測(cè)散射目標(biāo)的距離。雖然控制光源的相干長(zhǎng)度仍然是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，但自一個(gè)多世紀(jì)前石英諧振器和零差接收機(jī)發(fā)明以來(lái)，電磁頻譜的低頻部分(低于1THz)一直受益于相干光源。如今，大量?jī)r(jià)格低廉的電子設(shè)備的出現(xiàn)，使得人們可以前所未有地控制傳輸電磁場(chǎng)的形狀，以及精確地測(cè)量反射信號(hào)的相位。這些優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)致全相干源在我們今天所知的大多數(shù)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)中占據(jù)主導(dǎo)地位。另一方面，在光學(xué)頻譜之下，部分相干源在很大程度上仍未得到探索。

為了實(shí)現(xiàn)高距離和多普勒分辨率，人們提出了多種相干載波調(diào)制方法，從而實(shí)現(xiàn)了不同的雷達(dá)實(shí)現(xiàn)，如連續(xù)傳輸?shù)恼{(diào)頻連續(xù)波(FMCW)和具有非傳輸周期的編碼脈沖雷達(dá)。值得說(shuō)明的是，本文介紹的“相干”一詞并不是指標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)中常用的積分方法，而是指發(fā)射波本身的性質(zhì)。在這一點(diǎn)上，可能有人會(huì)問(wèn)，為什么要費(fèi)心改進(jìn)開發(fā)良好的雷達(dá)系統(tǒng)？因?yàn)樗欣走_(dá)信號(hào)都存在距離分辨率(區(qū)分兩個(gè)位置相近的目標(biāo)的能力)和發(fā)射信號(hào)帶寬之間的聯(lián)系，這導(dǎo)致人們認(rèn)為這是一種牢不可破的關(guān)系。此外，距離精度，即已知到單個(gè)目標(biāo)的距離的確定性，往往與帶寬也有類似的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這就迫使昂貴的高帶寬應(yīng)用在對(duì)距離精度和距離分辨率要求很高的領(lǐng)域，比如近年來(lái)很火熱的自動(dòng)駕駛行業(yè)。自動(dòng)駕駛往往要求超過(guò)1ghz的帶寬才能實(shí)現(xiàn)高于一米的分辨率，這就存在一個(gè)問(wèn)題，高帶寬意味著高價(jià)格，而自動(dòng)駕駛商用進(jìn)程中的最重要的一個(gè)問(wèn)題就是控制價(jià)格成本，做消費(fèi)者消費(fèi)得起的自動(dòng)駕駛汽車。

作為該論文的主要作者之一的Kozlov表示：“我們的概念在需要高范圍分辨率和精度的情況下提供解決方案，但其可用帶寬有限，例如自動(dòng)駕駛汽車行業(yè)，光學(xué)成像和天文學(xué)”。Kozlov解釋說(shuō)，“今天路上行駛的汽車并不多，所以幾乎沒(méi)有分配頻率的競(jìng)爭(zhēng)。但未來(lái)會(huì)發(fā)生什么，每輛汽車都配備雷達(dá)，每個(gè)雷達(dá)都需要整個(gè)帶寬？到那時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)自己處于一種無(wú)線電交通堵塞狀態(tài)。我們的解決方案允許駕駛員在沒(méi)有任何沖突的情況下共享可用帶寬?！?/p>