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雷達(dá)技術(shù)在汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)的作用

作者: 時間:2012-10-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

今后幾年中,雷達(dá)會在高級輔助駕駛系統(tǒng)(ADAS)的發(fā)展中扮演重要角色。隨著其角色的擴(kuò)展,雷達(dá)收發(fā)器、信號處理和自動避險(xiǎn)等功能將使得車載ADAS系統(tǒng)越來越像作戰(zhàn)飛機(jī)中的戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng),將對基礎(chǔ)產(chǎn)生很大的影響。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/196308.htm

為什么是雷達(dá)?

對ADAS的大部分討論都集中在使用可見波長攝像機(jī)的被動視覺系統(tǒng)上。而Freescale半導(dǎo)體公司的雷達(dá)系統(tǒng)工程師Ralf Reuter很有說服力的論證了77-GHz雷達(dá)的作用。

Reuter在一次最近的訪談中談?wù)摰剑?ldquo;重要的一點(diǎn)是,[ADAS傳感技術(shù)]只有雷達(dá)是與天氣無關(guān)的。而攝像機(jī)在識別目標(biāo)上有優(yōu)勢,雷達(dá)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(xiǎn)分類評估的早期系統(tǒng)會選擇雷達(dá)。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(dá)的。”

雷達(dá)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(xiǎn)評估功能,如圖1所示。

雖然光學(xué)視覺系統(tǒng)非常成熟了,而雷達(dá)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(jī)復(fù)雜系統(tǒng)能夠融合視頻和雷達(dá)數(shù)據(jù),對周圍的世界建立動態(tài)模型。

雷達(dá)系統(tǒng)能夠進(jìn)行前向搜索,以及觀察車輛四周

圖1.雷達(dá)系統(tǒng)能夠進(jìn)行前向搜索,以及觀察車輛四周。

采集信號

理解雷達(dá)對的影響是從理解傳感器開始的。大部分雷達(dá)設(shè)計(jì)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(jì),它發(fā)出“啁啾”:在頻域的快速變化,如圖2所示。

車載雷達(dá)將使用啁啾類型的FMCW

圖2.車載雷達(dá)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(jìn)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(jì)。通過采集方位信息來收集反射信號需要機(jī)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(jī),這是天線設(shè)計(jì)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(jī)輸出是DC-20-MHz頻帶的基帶信號。”設(shè)計(jì)實(shí)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)。

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(shí)現(xiàn)長度高達(dá)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(diǎn)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。

聚束以及范圍和速度估算的FFT配置

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(jìn)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(jī),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(jī)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(shí)現(xiàn)攝像機(jī)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(shí)時工作,帶來了怎樣保證以太網(wǎng)實(shí)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(dá),車載雷達(dá)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(dá),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(shí)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(dá)來識別車輛。他們的發(fā)射器會導(dǎo)致車載雷達(dá)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(dá)會強(qiáng)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(yuǎn)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(xiǎn)評估、防護(hù)跳頻、干擾等——這些聽起來都像是新型作戰(zhàn)飛機(jī)的情形,而不是貨車和轎車。實(shí)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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