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

今后幾年中，雷達(dá)會(huì)在高級(jí)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(hào)處理和自動(dòng)避險(xiǎn)等功能將使得車載ADAS系統(tǒng)越來(lái)越像作戰(zhàn)飛機(jī)中的戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)，將對(duì)汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)生很大的影響。

為什么是雷達(dá)?

對(duì)ADAS的大部分討論都集中在使用可見(jiàn)波長(zhǎng)攝像機(jī)的被動(dòng)視覺(jué)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(shuō)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(wú)關(guān)的。而攝像機(jī)在識(shí)別目標(biāo)上有優(yōu)勢(shì)，雷達(dá)更善于探測(cè)物體，測(cè)量其速度。”

Reuter解釋到，出于這些原因，很多重視探測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)分類評(píng)估的早期系統(tǒng)會(huì)選擇雷達(dá)。他指出：“在歐洲，對(duì)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(huì)啟動(dòng)一個(gè)簡(jiǎn)單的中距離系統(tǒng)，向前直視整條道路。但是，很快會(huì)發(fā)展到多傳感器系統(tǒng)，同時(shí)包括長(zhǎng)距離前視和短距離360度危險(xiǎn)評(píng)估功能，如圖1所示。

雖然光學(xué)視覺(jué)系統(tǒng)非常成熟了，而雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)會(huì)使其更加完善。Reuter預(yù)測(cè)，在不久的將來(lái)，具有目標(biāo)識(shí)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(duì)周圍的世界建立動(dòng)態(tài)模型。

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(hào)

理解雷達(dá)對(duì)汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響是從理解傳感器開(kāi)始的。大部分汽車雷達(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。

圖2.車載雷達(dá)將使用啁啾類型的FMCW。

Reuter解釋說(shuō)：“FMCW最大的優(yōu)勢(shì)是簡(jiǎn)化了對(duì)反射信號(hào)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(lái)也很容易，很可靠。這是車輛廠商最關(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(rùn)。

接收信號(hào)也需要低成本新穎的設(shè)計(jì)。通過(guò)采集方位信息來(lái)收集反射信號(hào)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(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)天線，一個(gè)陣列有16個(gè)。

Reuter說(shuō)：“接收機(jī)輸出是DC-20-MHz頻帶的基帶信號(hào)。”設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具有良好方位角分辨率的系統(tǒng)會(huì)有8至16個(gè)通道，需要8至16個(gè)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。

從啁啾中提取信息

來(lái)自每一通道的數(shù)字基帶信號(hào)流入到快速傅里葉變換(FFT)模塊中，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度高達(dá)2K采樣的變換。Reuter說(shuō)：“過(guò)去，執(zhí)行FFT意味著需要很多FPGA。今天，發(fā)展趨勢(shì)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(hào)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(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(shù)組的數(shù)字碼流。這一數(shù)據(jù)流進(jìn)入到一個(gè)或者多個(gè)CPU內(nèi)核中，由其他加速器所支持的軟件會(huì)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(shuō)：“您需要識(shí)別出目標(biāo)，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(biāo)，因此，計(jì)算會(huì)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(lái)越復(fù)雜。Reuter說(shuō)，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(hào)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(lái)提取出目標(biāo)，并對(duì)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(duì)其進(jìn)行解釋和分析。

整條流水線都有很大的帶寬和延時(shí)要求。Reuter說(shuō)，CPU對(duì)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(guò)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(guò)50-ms的更新間隔，以及更具挑戰(zhàn)性的50-ms最大延時(shí)。否則，圖像會(huì)很不平穩(wěn)，通過(guò)擋風(fēng)玻璃的圖像會(huì)有滯后，可能導(dǎo)致司機(jī)誤判。

隨著系統(tǒng)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(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(shuō)：“有使用以太網(wǎng)來(lái)降低成本的需求。”但是，系統(tǒng)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)

只要周圍沒(méi)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(wèn)題：越來(lái)越多的車輛使用了雷達(dá)，因此，設(shè)備之間不可避免的會(huì)出現(xiàn)干擾。Reuter說(shuō)，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(lái)替代簡(jiǎn)單的頻率變化，因此，每一輛車都能夠識(shí)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(shí)別出來(lái)自其天線的反射信號(hào)。

而且，還有一類不容易解決的問(wèn)題：固定設(shè)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(dá)來(lái)識(shí)別車輛。他們的發(fā)射器會(huì)導(dǎo)致車載雷達(dá)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(qū)，越來(lái)越多的車載雷達(dá)會(huì)強(qiáng)烈干擾天文射頻信號(hào)。Reuter提醒說(shuō)：“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(gè)國(guó)家。”

啁啾調(diào)制器、數(shù)字聚束、目標(biāo)識(shí)別、危險(xiǎn)評(píng)估、防護(hù)跳頻、干擾等——這些聽(tīng)起來(lái)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(lái)越糟，車越來(lái)越堵時(shí)，這的確像是一場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)。