車(chē)載角雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)盲點(diǎn)檢測(cè)(BSD)、側(cè)向來(lái)車(chē)警示 (CTA)、車(chē)道變換輔助 (LCA)等功能，在輔助駕駛場(chǎng)景中具有重要應(yīng)用。下面以 TI 公司的 AWR1843 雷達(dá)為例介紹車(chē)載角雷達(dá)的工作原理。

調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)可以準(zhǔn)確測(cè)量障礙物和其他車(chē)輛的距離和相對(duì)速度，是汽車(chē)安全應(yīng)用的重要傳感器。雷達(dá)相對(duì)于攝像頭和基于激光雷達(dá)的系統(tǒng)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是雷達(dá)相對(duì)不易受環(huán)境條件的影響(例如雨水、灰塵、煙霧和眩光的影響)。

FMCW 雷達(dá)傳輸 Chirp(線性調(diào)頻)信號(hào)并處理其反射，因而可以在完全黑暗或明亮的日光下工作。與超聲波相比，雷達(dá)通常具有更長(zhǎng)的射程，并且雷達(dá)信號(hào)的傳輸時(shí)間遠(yuǎn)小于超聲波信號(hào)的傳輸時(shí)間。因此，雷達(dá)可以更準(zhǔn)確地報(bào)告動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。

毫米波雷達(dá)與激光雷達(dá)區(qū)別

從工作原理上來(lái)講，激光雷達(dá)(LIDAR，light detection and ranging)和毫米波雷達(dá)(RADAR，radio detection and ranging)基本類似，都是利用回波成像來(lái)顯示被探測(cè)物體。

不過(guò)激光雷達(dá)發(fā)射的電磁波是一條直線，主要以光粒子發(fā)射為主要方法，而毫米波雷達(dá)發(fā)射出去的電磁波是一個(gè)錐狀的波束，以電磁輻射為主。

角雷達(dá)的工作原理

角雷達(dá)設(shè)計(jì)應(yīng)用于超短程雷達(dá)(USRR)和短程雷達(dá)(SRR)。在 140km/h 的行駛條件下，AWR1843 雷達(dá)能夠檢測(cè)兩百多個(gè)個(gè)物體，并在 150 米的距離處跟蹤二十多個(gè)物體。

在角雷達(dá)應(yīng)用中，AWR1843 被配置為多模雷達(dá)，意味著它在跟蹤 150 m 處的物體的同時(shí)，還可以在 30 m 處生成豐富的物體點(diǎn)云。通過(guò)設(shè)計(jì)增益比更高的天線，可以實(shí)現(xiàn)超過(guò) 150 m 的范圍。

由于該設(shè)計(jì)是多模雷達(dá)，因此有兩組不同的規(guī)格。第一個(gè)是可用于BSD、LCA和TJA，對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)最大射程 150m 的配置(SRR)。第二個(gè)是對(duì)應(yīng)于 30m 配置的 USRR 規(guī)范。

AWR1843 雷達(dá)簡(jiǎn)介

AWR1843 是一款集成的單芯片調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)傳感器，能夠在 76-81GHz 頻段內(nèi)工作。該器件采用 45nm CMOS 工藝構(gòu)建，可在極小的外形尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字集成。

該傳感器有四個(gè)接收器和三個(gè)帶有閉環(huán)鎖相環(huán)(PLL)的發(fā)射器。其還包括一個(gè)用于射頻校準(zhǔn)和安全監(jiān)控的內(nèi)置無(wú)線電處理器(BIST)。傳感器設(shè)備支持 10MHz 的中頻帶寬和可重新配置的輸出采樣率。Arm Cortex R4F 和 TI 的 C674x DSP(定點(diǎn)和浮點(diǎn))以及 2MB 片上 RAM 支持高級(jí)算法開(kāi)發(fā)。

天線配置

角雷達(dá)使用四個(gè)接收器和三個(gè)發(fā)射器(兩種不同Chirp配置)。第一種配置(SRR)使用簡(jiǎn)單的非 MIMO 配置，TX1、TX2 和 TX3同時(shí)傳輸。

第二種 USRR 使用時(shí)分復(fù)用MIMO配置(即轉(zhuǎn)換 TX1、TX2 和 TX3 中交替發(fā)射 Chirp 信號(hào))。該多輸入多輸出(MIMO)配置合成了一個(gè)由 12 個(gè)虛擬 RX 天線組成的陣，將角度分辨率提高了三倍(與單個(gè) TX 配置相比)。

信號(hào)配置和系統(tǒng)性能

在對(duì)信號(hào)配置之前，我們先看看毫米波雷達(dá)的信號(hào)波形圖。

圖中，

Idle Time：空閑時(shí)間，上一次 chirp 結(jié)束和下一次 chirp 開(kāi)始之間的時(shí)間

Tx Start Time：發(fā)射開(kāi)啟時(shí)間，從斜坡開(kāi)始到發(fā)射器打開(kāi)的時(shí)間

ADC Start Time：ADC 啟動(dòng)時(shí)間，從斜坡開(kāi)始到 ADC 開(kāi)始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)間

Ramp End Time：斜坡結(jié)束時(shí)間，從斜坡開(kāi)始到 chirp 持續(xù)上升結(jié)束的時(shí)間

AWR1843 雷達(dá)最大探測(cè)距離大約 150m，最大探測(cè)距離 。頻率斜率 和最大距離 的乘積受限于可用的中頻帶寬 (AWR1843 為 10MHz)。因此，150m 的最大距離將 FMCW 信號(hào)的頻率斜率鎖定到大約 。

Chirp 信號(hào)周期的選擇是距離分辨率 和最大速度 之間的權(quán)衡。該雷達(dá)使用約 0.78m 的距離分辨率，其原始最大速度約為 55km/h。通過(guò)高級(jí)算法，可以檢測(cè)到的最大速度為 144km/h。

由于 L3 內(nèi)存和 IF 帶寬的限制，較遠(yuǎn)的距離會(huì)有較低的距離分辨率。解決這種權(quán)衡的一種有用技術(shù)是擁有多種配置，每種配置都針對(duì)特定的觀看范圍進(jìn)行定制。例如，典型的 SRR 雷達(dá)在兩種模式之間交替：低分辨率模式瞄準(zhǔn)更大的最大距離(例如 150 米，分辨率為 0.75 米)和高分辨率模式瞄準(zhǔn)更短的距離(例如 30 米，分辨率為 4 厘米)。

為了滿足 USRR 和 SRR 的要求，角雷達(dá)設(shè)計(jì)利用了 AWR1843 器件的高級(jí)幀配置 API。此 API 允許構(gòu)建由多個(gè)子幀組成的幀，每個(gè)子幀都被調(diào)整到特定的應(yīng)用程序。

這些子幀中的每一個(gè)都被調(diào)整到一個(gè)應(yīng)用程序。在 SRR 設(shè)計(jì)的情況下，使用了兩個(gè)子幀。一個(gè)子幀專用于 USRR 中，另一個(gè)子幀專用于 SRR 中。

幀配置使用高級(jí)幀配置 API 生成兩個(gè)單獨(dú)的子幀-SRR 子幀以及 USRR 子幀。如下圖所示。

SRR 子幀由兩種 Chirp 信號(hào)組成：快頻信號(hào)和慢頻信號(hào)?？祛l信號(hào)和慢頻信號(hào)具有相同的斜率，但是，慢頻信號(hào)的重復(fù)周期略高于快頻信號(hào)。

與快頻信號(hào)相比，在 2D-FFT 之后處理的慢頻信號(hào)將具有較小的最大速度?？?、慢頻信號(hào)不交替。相反，快頻信號(hào)重復(fù)一定次數(shù)，然后是慢頻信號(hào)再次重復(fù)相同次數(shù)。

這種設(shè)計(jì)的目的是使用來(lái)自快頻信號(hào)和慢頻信號(hào)的兩個(gè)獨(dú)立的目標(biāo)速度估計(jì)來(lái)生成具有更高最大速度估計(jì)。

USRR 子幀由三個(gè)交替的 Chirp 信號(hào)組成。每個(gè) Chirp 使用 AWR1843 上可用的三個(gè) TX 之一。該子幀的組合處理允許生成 8 個(gè) Rx 天線的虛擬 Rx 陣列，因此具有更好的角分辨率(在方位角方向約為14.32度)。

下圖顯示了到SRR應(yīng)用程序的處理數(shù)據(jù)路徑。

時(shí)間配置

下圖顯示了 Chirp 信號(hào)的時(shí)序和系統(tǒng)中的后續(xù)處理。

上圖顯示的數(shù)據(jù)路徑處理，描述如下。

RF 前端由 BIST 子系統(tǒng)(BSS)配置，從各個(gè)前端通道獲得的原始數(shù)據(jù)交由雷達(dá)硬件加速器(HWA)進(jìn)行處理。

Chirp 期間的處理包括：

從 ADC 緩沖器獲取來(lái)自多個(gè)接收天線的輸入(對(duì)應(yīng)于發(fā)射天線上的Chirp模式)，硬件加速器執(zhí)行的一維(距離)FFT 處理

通過(guò)增強(qiáng)型直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(EDMA)將處理結(jié)果輸?shù)絃3(三級(jí)緩存)RAM

在射頻電路的空閑期間(即幀間處理時(shí)間)進(jìn)行處理包括：

將 L3 RAM 中的一維輸出作為輸入，由硬件加速器執(zhí)行的二維(速度)FFT 處理，在 L3 RAM 中生成(距離、速度)矩陣

將數(shù)據(jù)從 L3 RAM 輸入 C674x DSP 以執(zhí)行多普勒方向的CFAR檢測(cè)，距離方向的 CFAR 檢測(cè)使用 mmWave 庫(kù)。其余的處理在 DSP 中繼續(xù)進(jìn)行

SRR子幀、多普勒和 USRR 子幀的峰值聚合(多普勒和距離)

到達(dá)方向(方位角)、俯仰角估計(jì)

基于目標(biāo)的 SNR 和 2D-FFT 幅度進(jìn)行額外修剪以避免地面雜波

在 SRR 和 USRR 中使用 DBSCAN 算法(基于密度的聚類算法)對(duì)檢測(cè)到的目標(biāo)進(jìn)行聚類

使用 SRR 的擴(kuò)展卡爾曼濾波器跟蹤集群

EDMA配置

存儲(chǔ)器之間的大規(guī)模數(shù)據(jù)移動(dòng)是在 SRR 中使用 EDMA 完成的。使用 EDMA 比使用處理器移動(dòng)數(shù)據(jù)更有效，因?yàn)楫?dāng)數(shù)據(jù)移動(dòng)完成時(shí)，DSP 和 HWA 可以繼續(xù)處理數(shù)據(jù)。必要的主要數(shù)據(jù)傳輸包括：

? 將距離 FFT 輸出數(shù)據(jù)從 HWA 內(nèi)存移動(dòng)到 L3 內(nèi)存

? 從 L3 獲取 1D-FFT 數(shù)據(jù)到 HWA 輸入緩沖區(qū)以執(zhí)行 2D FFT

? 移動(dòng)來(lái)自 L3 的 1D-FFT 數(shù)據(jù)進(jìn)行角度估計(jì)(在2D-DFT之后)

ping-pong 工作機(jī)制

ping-pong 是一種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，能夠同時(shí)利用兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)達(dá)到數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸?shù)哪康?，從而提高?shù)據(jù)傳輸速率。

由于單個(gè)緩沖區(qū)得到的數(shù)據(jù)在傳輸和處理中很容易被覆蓋，而 ping-pong 緩沖區(qū)的方式能夠總是保持一個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)被利用，另一個(gè)緩沖用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。即兩個(gè)相同的對(duì)象作為緩沖區(qū)交替地被讀和被寫(xiě)。

大多數(shù) EDMA 都在 ping-pong 緩沖區(qū)上工作，這意味著當(dāng) ping 緩沖區(qū)被填充時(shí)，HWA 或 DSP 可以使用 pong 緩沖區(qū)進(jìn)行處理。

內(nèi)存分配

AWR1843具有以下存儲(chǔ)器：

? L3 RAM 1024 kB

? L2 RAM 256 kB

? L1D RAM 32 kB

? L1P RAM 32 kB

R4F有512kB代碼和數(shù)據(jù)RAM。在 SRR設(shè)計(jì)中，R4F僅用于配置和 UART/LVDS 通信。它的內(nèi)存消耗和分配對(duì)設(shè)計(jì)沒(méi)有影響。因此，DSP 是內(nèi)存的主要消費(fèi)者。

在 L1P RAM 和 L1D RAM可用的32KB中，L1P RAM 的一半(16 kB)和L1D RAM的一半(16 kB)保留用于代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。剩余的用作緩存。

存儲(chǔ)在 L1P 中的代碼通常是 FFT 或 CFAR 等算法，或者是更復(fù)雜算法(如聚類和跟蹤)的一些內(nèi)核。將這些存儲(chǔ)在 L1 中可以更快地執(zhí)行這些內(nèi)核，并在剩余內(nèi)存中節(jié)省一些空間(在這種情況下，約為16kB)。

L1D 用作某些常用緩沖區(qū)的快速 RAM。L2 RAM 主要用于代碼存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)暫存等。L3 RAM 主要用存儲(chǔ)雷達(dá)立方體等。

處理雷達(dá)信號(hào)需要在處理階段(3D-FFT、檢測(cè)、角度估計(jì)等)的每個(gè)步驟中使用大量暫存緩沖區(qū)。通過(guò)覆蓋暫存緩沖區(qū)可以有效地使用可用內(nèi)存。在前一階段使用的暫存緩沖區(qū)可以在當(dāng)前階段重新使用。

原文標(biāo)題：車(chē)載毫米波角雷達(dá)簡(jiǎn)介

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