輔助駕駛毫米波雷達(dá)信號(hào)處理流程詳解

毫米波雷達(dá)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(qiáng)弱影響較小，測(cè)距較精準(zhǔn)，可以和攝像頭取長(zhǎng)補(bǔ)短，共同實(shí)現(xiàn)可靠的AEB功能。2018年版C-NCAP加入了主動(dòng)安全配置(AEB)性能測(cè)試要求，而2021年版C-NCAP調(diào)高了主動(dòng)安全部分權(quán)重【1】。交通運(yùn)輸部發(fā)布了《營(yíng)運(yùn)車輛自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)性能要求和測(cè)試規(guī)程》（JT/T1242-2019）于2019年4月1日起正式實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了營(yíng)運(yùn)車輛自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）系統(tǒng)的一般要求、功能要求、環(huán)境適應(yīng)性要求和測(cè)試規(guī)程。

本文簡(jiǎn)要介紹了毫米波雷達(dá)信號(hào)處理流程，及其方案實(shí)現(xiàn)中所用的主要芯片，希望能使大家初步了解毫米波雷達(dá)的信號(hào)處理原理及其硬件實(shí)現(xiàn)。

英飛凌技術(shù)專家  錢偉喆

信號(hào)處理流程

典型的毫米波雷達(dá)信號(hào)處理流程如下面圖1所示。從雷達(dá)射頻前端采集到的模擬信號(hào)，通過高速ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)內(nèi)的信號(hào)處理單元。處理單元首先對(duì)該時(shí)域信號(hào)進(jìn)行干擾抑制，之后分別在距離和多普勒維度進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到多個(gè)天線的二維距離-多普勒頻域結(jié)果。在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(diǎn)目標(biāo)等等。之后對(duì)已經(jīng)過濾出的點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行角度計(jì)算，接著基于提取出的點(diǎn)目標(biāo)距離、速度和角度信息，將它們聚類，因?yàn)閷?shí)際上來自同一個(gè)較大反射面積的目標(biāo)（比如商用車）可能會(huì)有多個(gè)反射點(diǎn)，聚類算法就是找出可能來自同一個(gè)目標(biāo)的點(diǎn)集。上述一系列步驟完成了目標(biāo)檢測(cè)，之后就是目標(biāo)跟蹤，由于實(shí)際物體目標(biāo)的距離、速度和角度不可能在較短時(shí)間內(nèi)（雷達(dá)信號(hào)處理周期一般是50ms-70ms）變化較大，利用這個(gè)性質(zhì)對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤預(yù)測(cè)，結(jié)合本車的運(yùn)動(dòng)信息，來判斷目標(biāo)是否有可能出現(xiàn)在本車的運(yùn)行軌跡上。

圖1.毫米波雷達(dá)典型信號(hào)處理流程

圖1中最后一個(gè)功能模塊用虛線標(biāo)注，這是由于各家主機(jī)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(dá)傳感器內(nèi)，也可以放在攝像頭模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)，甚至當(dāng)傳感器數(shù)量較多時(shí)，有獨(dú)立的融合模塊。它的主要功能是結(jié)合不同傳感器的目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果，做出最終判斷。多個(gè)傳感器檢測(cè)融合的優(yōu)點(diǎn)，一是取長(zhǎng)補(bǔ)短，擴(kuò)大檢測(cè)范圍及使用場(chǎng)景；二是增加系統(tǒng)冗余，提高系統(tǒng)功能安全級(jí)別，降低虛報(bào)或誤報(bào)率。融合后的最終決策信息給到車輛執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以實(shí)施告警、或者剎車、加減速、轉(zhuǎn)向等等車輛控制。

硬件實(shí)現(xiàn)

圖2展示了英飛凌77GHz汽車毫米波雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)方案。其中RASICTM CTRX是英飛凌新一代雷達(dá)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(jìn)一步提高測(cè)距精度。配合ramp design tool（波形配置圖形化工具）可以快捷地實(shí)現(xiàn)多種波形配置，比如TDM MIMO（時(shí)分調(diào)制），或DDM MIMO（多普勒分址調(diào)制），后者需要對(duì)各個(gè)發(fā)射通道進(jìn)行獨(dú)立調(diào)相，調(diào)相精度高達(dá)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(shí)現(xiàn)更短的發(fā)波時(shí)間，從而提高測(cè)速范圍，同時(shí)降低發(fā)波占空比，以及功耗。CTRX實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最高的接收機(jī)P1dB指標(biāo)，始終保證通道的良好線性，當(dāng)近處有較大反射目標(biāo)時(shí)，遠(yuǎn)處小目標(biāo)也可以精準(zhǔn)檢測(cè)到。同時(shí)，抗干擾能力也是射頻芯片的重要指標(biāo)，CTRX各通道隔離度保證35dB以上。除了優(yōu)越的性能，CTRX還實(shí)現(xiàn)了ASIL-C功能安全等級(jí)，豐富的功能安全軟件/硬件機(jī)制，可以幫助用戶方便地實(shí)現(xiàn)雷達(dá)傳感器整體的ASIL-B功能安全等級(jí)。

圖2. 英飛凌76-81GHz汽車毫米波雷達(dá)方案

圖2中另一個(gè)重要芯片是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)處理的AURIXTM 2G單片機(jī)。AURIXTM 2G是英飛凌32位車規(guī)級(jí)單片機(jī)，片內(nèi)資源豐富，適合多種汽車應(yīng)用。從雷達(dá)射頻芯片CTRX輸出的數(shù)字信號(hào)，通過LVDS（low-voltage differential signal）高速同步串行口，進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)的RIF（Radar interface）單元進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)及整形，發(fā)送給下一級(jí)單元SPU（signal process unit），進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)處理，輸出的中間及最終結(jié)果可存儲(chǔ)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(chǔ)在RAM，之后被SPU讀取，經(jīng)過再次運(yùn)算得到第二維多普勒FFT結(jié)果。通常SPU用于實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)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(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)，之后的到達(dá)角計(jì)算，也可以用SPU進(jìn)行FFT運(yùn)算獲取。如果使用超分辨率算法，則需要CPU實(shí)現(xiàn)。AURIXTM 2G片內(nèi)有多個(gè)CPU支持浮點(diǎn)運(yùn)算，配合DSP函數(shù)庫，便于實(shí)現(xiàn)更靈活更復(fù)雜的算法。檢測(cè)出的目標(biāo)或?yàn)V波后的點(diǎn)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(shí)現(xiàn)不同的融合架構(gòu)。AURIXTM 2G實(shí)現(xiàn)了ASIL-D功能安全等級(jí)，片內(nèi)集成了大量硬件安全機(jī)制，從而節(jié)省了要用軟件彌補(bǔ)硬件不足的資源開銷。從射頻芯片發(fā)出的信號(hào)，途徑LVDS，RIF，SPU，RAM，CPU，內(nèi)部總線等，整個(gè)數(shù)據(jù)處理路徑使用的硬件部件，都有相應(yīng)的安全機(jī)制保證數(shù)據(jù)的完整性，可靠性。

總結(jié)

本文簡(jiǎn)要介紹了毫米波雷達(dá)信號(hào)處理流程，以及英飛凌提供的硬件實(shí)現(xiàn)方案。前端射頻芯片的高性能，保證了更好的雷達(dá)檢測(cè)指標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)性，比如更精準(zhǔn)更遠(yuǎn)的測(cè)距，更寬范圍的測(cè)速，更精準(zhǔn)的測(cè)角，更少的干擾等等。而后端單片機(jī)的豐富硬件資源，能快速精準(zhǔn)地將大量原始數(shù)據(jù)及時(shí)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(shí)現(xiàn)不同的融合架構(gòu)。豐富的功能安全硬件機(jī)制保證了數(shù)據(jù)的完整性、可靠性。

參考文獻(xiàn)

【1】“C-NCAP 管理規(guī)則（2021 年版修訂版），附錄C主動(dòng)安全ADAS 系統(tǒng)試驗(yàn)方法”，中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司。

來源：英飛凌

作者：Qian Weizhe, Chen Rosan