汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計的未來之路

您深夜還在路上疾馳，急著趕時間，您的電子記錄器幾乎填滿了，您的卡車嚴(yán)重超載。雨下得越來越大。您覺得太快了，但是周圍的汽車卻一點(diǎn)也不慢。

突然，一陣警報讓您精神起來。您本能的透過前大燈來觀察前面——什么也看不清。但是您的汽車已經(jīng)開始了緊急剎車。您撇了一眼儀表盤上的顯示，在那里，一片紅色的圖像越來越大，是一輛翻倒的貨車，擋住了彎道周圍的車道。您的卡車自己停下了，前大燈照亮了正在努力救出貨車司機(jī)的救援人員。

歡迎來到雷達(dá)輔助駕駛世界。

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)，將對汽車系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)產(chǎn)生很大的影響。

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度危險評估功能，如圖1所示。

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。

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。

采集信號

理解雷達(dá)對汽車系統(tǒng)設(shè)計的影響是從理解傳感器開始的。大部分汽車?yán)走_(dá)設(shè)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(diào)制的連續(xù)波（FMCW）設(shè)計，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：“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。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。

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。