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輔助駕駛毫米波雷達信號處理器
2023-06-28 381次

  毫米波雷達大規(guī)模用于汽車輔助駕駛的傳感器,由于受氣象變化、可見光強弱影響較小,測距較精準,可以和攝像頭取長補短,共同實現(xiàn)可靠的AEB功能。2018年版C-NCAP加入了主動安全配置(AEB)性能測試要求,而2021年版C-NCAP調(diào)高了主動安全部分權(quán)重【1】。交通運輸部發(fā)布了《營運車輛自動緊急制動系統(tǒng)性能要求和測試規(guī)程》(JT/T1242-2019)于2019年4月1日起正式實施。該標準規(guī)定了營運車輛自動緊急制動(AEB)系統(tǒng)的一般要求、功能要求、環(huán)境適應(yīng)性要求和測試規(guī)程。

 

  信號處理流程

  典型的毫米波雷達信號處理流程如下面圖1所示。從雷達射頻前端采集到的模擬信號,通過高速ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,送入單片機內(nèi)的信號處理單元。處理單元首先對該時域信號進行干擾抑制,之后分別在距離和多普勒維度進行FFT運算,得到多個天線的二維距離-多普勒頻域結(jié)果。在此基礎(chǔ)上進一步處理,比如數(shù)字波束成形,通過恒虛警率(CFAR)過濾,篩選出點目標等等。之后對已經(jīng)過濾出的點目標進行角度計算,接著基于提取出的點目標距離、速度和角度信息,將它們聚類,因為實際上來自同一個較大反射面積的目標(比如商用車)可能會有多個反射點,聚類算法就是找出可能來自同一個目標的點集。上述一系列步驟完成了目標檢測,之后就是目標跟蹤,由于實際物體目標的距離、速度和角度不可能在較短時間內(nèi)(雷達信號處理周期一般是50ms-70ms)變化較大,利用這個性質(zhì)對目標的運動軌跡進行跟蹤預(yù)測,結(jié)合本車的運動信息,來判斷目標是否有可能出現(xiàn)在本車的運行軌跡上。

  

 

1.毫米波雷達典型信號處理流程

 

1中最后一個功能模塊用虛線標注,這是由于各家主機廠的傳感器融合構(gòu)架不同,最后一步的傳感器融合/執(zhí)行可以放在雷達傳感器內(nèi),也可以放在攝像頭模塊內(nèi)實現(xiàn),甚至當傳感器數(shù)量較多時,有獨立的融合模塊。它的主要功能是結(jié)合不同傳感器的目標檢測結(jié)果,做出最終判斷。多個傳感器檢測融合的優(yōu)點,一是取長補短,擴大檢測范圍及使用場景;二是增加系統(tǒng)冗余,提高系統(tǒng)功能安全級別,降低虛報或誤報率。融合后的最終決策信息給到車輛執(zhí)行機構(gòu),可以實施告警、或者剎車、加減速、轉(zhuǎn)向等等車輛控制。

 

  硬件實現(xiàn)

  圖2展示了英飛凌77GHz汽車毫米波雷達的實現(xiàn)方案。其中RASICTM CTRX是英飛凌新一代雷達射頻芯片,支持4發(fā)4收,28nm CMOS工藝。單通道典型輸出功率為14dBm,高調(diào)制帶寬(76GHz~81GHz)能進一步提高測距精度。配合ramp design tool(波形配置圖形化工具)可以快捷地實現(xiàn)多種波形配置,比如TDM MIMO(時分調(diào)制),或DDM MIMO(多普勒分址調(diào)制),后者需要對各個發(fā)射通道進行獨立調(diào)相,調(diào)相精度高達3度。創(chuàng)新性的DPLL提供更快的波形變化率(400MHz/us),配合高采樣頻率的ADC,能實現(xiàn)更短的發(fā)波時間,從而提高測速范圍,同時降低發(fā)波占空比,以及功耗。CTRX實現(xiàn)了業(yè)界最高的接收機P1dB指標,始終保證通道的良好線性,當近處有較大反射目標時,遠處小目標也可以精準檢測到。同時,抗干擾能力也是射頻芯片的重要指標,CTRX各通道隔離度保證35dB以上。除了優(yōu)越的性能,CTRX還實現(xiàn)了ASIL-C功能安全等級,豐富的功能安全軟件/硬件機制,可以幫助用戶方便地實現(xiàn)雷達傳感器整體的ASIL-B功能安全等級。

  

 

2. 英飛凌76-81GHz汽車毫米波雷達方案

 

  圖2中另一個重要芯片是實現(xiàn)雷達信號處理的AURIXTM 2G單片機。AURIXTM 2G是英飛凌32位車規(guī)級單片機,片內(nèi)資源豐富,適合多種汽車應(yīng)用。從雷達射頻芯片CTRX輸出的數(shù)字信號,通過LVDS(low-voltage differential signal)高速同步串行口,進入單片機內(nèi)的RIF(Radar interface)單元進行數(shù)據(jù)校驗及整形,發(fā)送給下一級單元SPU(signal process unit),進行雷達信號處理,輸出的中間及最終結(jié)果可存儲于片內(nèi)RAM。如果是中間結(jié)果,比如第一維距離FFT的結(jié)果,先存儲在RAM,之后被SPU讀取,經(jīng)過再次運算得到第二維多普勒FFT結(jié)果。通常SPU用于實現(xiàn)雷達信號預(yù)處理,如圖1所示,SPU可以完成數(shù)字波束成形,CFAR濾波及點目標檢測,之后的到達角計算,也可以用SPU進行FFT運算獲取。如果使用超分辨率算法,則需要CPU實現(xiàn)。AURIXTM 2G片內(nèi)有多個CPU支持浮點運算,配合DSP函數(shù)庫,便于實現(xiàn)更靈活更復(fù)雜的算法。檢測出的目標或濾波后的點云數(shù)據(jù)可以通過豐富的通訊接口傳給融合單元,AURIXTM 2G提供多路CAN-FD,和千兆以太網(wǎng)接口,方便配合實現(xiàn)不同的融合架構(gòu)。AURIXTM 2G實現(xiàn)了ASIL-D功能安全等級,片內(nèi)集成了大量硬件安全機制,從而節(jié)省了要用軟件彌補硬件不足的資源開銷。從射頻芯片發(fā)出的信號,途徑LVDS,RIF,SPU,RAM,CPU,內(nèi)部總線等,整個數(shù)據(jù)處理路徑使用的硬件部件,都有相應(yīng)的安全機制保證數(shù)據(jù)的完整性,可靠性。


  本文簡要介紹了毫米波雷達信號處理流程,以及英飛凌提供的硬件實現(xiàn)方案。前端射頻芯片的高性能,保證了更好的雷達檢測指標的可實現(xiàn)性,比如更精準更遠的測距,更寬范圍的測速,更精準的測角,更少的干擾等等。而后端單片機的豐富硬件資源,能快速精準地將大量原始數(shù)據(jù)及時處理完成。千兆以太網(wǎng)接口能將原始數(shù)據(jù)、或距離FFT結(jié)果傳送給上層ECU,方便系統(tǒng)實現(xiàn)不同的融合架構(gòu)。豐富的功能安全硬件機制保證了數(shù)據(jù)的完整性、可靠性。

 

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