成像雷達：一個(gè)傳感器控制所有傳感器

業(yè)界對三種主要傳感器（攝像頭、雷達和LIDAR）在汽車(chē)中的不同作用，以及它們各自如何滿(mǎn)足先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)和自動(dòng)駕駛的感測需求仍然存在一些困惑。

最近，我和我的一個(gè)朋友進(jìn)行了一次有趣的討論，他知道我在研究用于A(yíng)DAS系統和自動(dòng)駕駛車(chē)輛（AVs）中雷達的TI毫米波（mmWave）傳感器。

每當他讀到自動(dòng)駕駛汽車(chē)在不同駕駛環(huán)境下（比如障礙物檢測）運行情況的文章時(shí)都會(huì )不失時(shí)機地取笑我。其中一次的對話(huà)如下：

Matt：“如果那輛車(chē)搭載有LIDAR的話(huà)，就能輕松識別出車(chē)道中間的物體?！?/p>

我：“我依然不同意這樣的看法?！?/p>

Matt：“什么？！你為什么不同意？那輛車(chē)上裝有一個(gè)攝像頭傳感器和一個(gè)雷達傳感器，但ADAS系統仍然完全未能感測到車(chē)道中間的那輛車(chē)?！?/p>

我：“當讀到這些最近發(fā)生的事件時(shí)，你就會(huì )注意到如果攝像頭經(jīng)常暴露在刺眼的強光和其他因素之下，就會(huì )導致其看不到路上的物體。它們對高對比度的光線(xiàn)和能見(jiàn)度低的情況較為敏感，如大霧、雨雪天氣。在這種情況下，雷達傳感器可能確實(shí)識別了目標?！?/p>

Matt：“盡管如此，我們仍會(huì )遇到這些ADAS和AV系統似乎很難應對的不同情況。那么問(wèn)題到底出在什么地方呢？”

我：“ADAS的決策系統似乎依賴(lài)于作為主傳感器的攝像頭來(lái)判斷目標是否真的存在，或者是否為假警報?！?/p>

Matt：“那么，車(chē)載雷達和攝像頭就不值得信任咯。所以只能將LIDAR作為唯一可靠的傳感器了。我說(shuō)的沒(méi)錯吧？”

我：“不完全對。雖然LIDAR對能見(jiàn)度的敏感度不如攝像頭，但它對霧、雨、雪等天氣情況敏感。此外，LIDAR的成本還很高，可能導致其最初只能在相對高端的4級和5級自動(dòng)駕駛車(chē)輛上使用?！?/p>

Matt：“這就是了！沒(méi)有一種傳感器可以使自動(dòng)駕駛車(chē)輛真正可靠。我們必須將這三者結合使用，但這也意味著(zhù)自動(dòng)駕駛車(chē)輛的價(jià)格會(huì )非常貴?！?/p>

我：“你只說(shuō)對了一部分。4級和5級自動(dòng)駕駛車(chē)輛可能需要攝像頭、LIDAR和雷達這三種傳感器來(lái)提供高可靠性和全自動(dòng)駕駛體驗。但是，對于更多需要部分自動(dòng)駕駛且已經(jīng)開(kāi)始大規模量產(chǎn)的2級和3級經(jīng)濟型車(chē)輛來(lái)說(shuō)，使用TI毫米波傳感器的成像雷達能夠實(shí)現高性能和成本效益，并能夠廣泛采用ADAS功能?！?/p>

那么，什么是成像雷達呢？

正如我向Matt解釋的那樣，成像雷達是雷達的一個(gè)子集，因其高角分辨率能夠提供清晰的圖像而得名。

成像雷達由一個(gè)傳感器配置啟用，其中多個(gè)低功率TI毫米波傳感器級聯(lián)在一起，且作為一個(gè)單元同步運行。它具有多個(gè)接收和發(fā)射通道，能夠顯著(zhù)提高角分辨率和雷達距離性能。當毫米波傳感器級聯(lián)在一起時(shí)，可以使用集成移相器來(lái)創(chuàng )建波束賦形，從而達到400米的擴展范圍。圖1顯示了評估模塊上的級聯(lián)毫米波傳感器及其天線(xiàn)。

圖1：一種具有四個(gè)級聯(lián)TI毫米波傳感器的成像雷達評估模塊

用于成像雷達的毫米波技術(shù)

典型的雷達傳感器直到最近才被視為車(chē)輛中的主傳感器，其主要原因在于角分辨率性能較為有限。

角分辨率是指在相同范圍內和相同相對速度下區分物體的能力。

一個(gè)凸顯成像雷達傳感器優(yōu)勢的常見(jiàn)用途是能夠以高分辨率識別靜態(tài)物體。典型的毫米波傳感器具有高速度、高距離分辨率的性能，可以很輕松地識別和區分運動(dòng)物體，但對靜態(tài)物體來(lái)說(shuō)，其識別能力卻非常有限。

例如，為了讓傳感器“看到”車(chē)道中間停下來(lái)的車(chē)輛并將其與燈桿或柵欄區分開(kāi)來(lái)，傳感器需要在仰角和方位角上都有一定的角分辨率。

圖2顯示了一輛被困在隧道中的車(chē)，車(chē)內不斷冒煙。該車(chē)輛停在約100米遠處，隧道高度為3米。

圖2：來(lái)車(chē)的前雷達需要足夠高的角分辨率來(lái)區分隧道和停止車(chē)輛。毫米波傳感器可以穿透任何能見(jiàn)度情況，比如煙。

圖3：毫米波傳感器如何利用多輸入多輸出（MIMO）雷達實(shí)現高仰角分辨率。

為了識別圖2所示隧道中的車(chē)輛，傳感器需要將其與隧道頂棚和壁區分開(kāi)來(lái)。

實(shí)現場(chǎng)景分類(lèi)需要利用這些仰角和方位角分辨率：

(仰角) = 反正切 (2 m/100 m) = 1.14度

(仰角) = 反正切 (3.5 m/100 m) = 2度

其中，2 m是隧道高度減去車(chē)輛高度的值，100 m是帶成像雷達的來(lái)車(chē)與停在隧道內的車(chē)輛之間的距離，3.5 m是停在隧道內的車(chē)輛與隧道壁之間的距離。

在某些天氣和能見(jiàn)度情況下，依賴(lài)于其它光學(xué)傳感器可能具有挑戰性。煙、霧、惡劣天氣以及明暗對比都是具有挑戰性的能見(jiàn)度情況，這些情況會(huì )抑制光學(xué)被動(dòng)和主動(dòng)傳感器，如攝像頭和LIDAR，從而導致這些傳感器可能無(wú)法識別目標。然而，在惡劣的天氣和能見(jiàn)度情況下，TI毫米波傳感器仍能保持強勁的性能。

目前，成像雷達傳感器是唯一能在各種天氣和能見(jiàn)度情況下保持強勁性能的傳感器，其在方位角和仰角上都能達到1度的角分辨率（使用超分辨率算法計算數值時(shí)甚至更低）。

結論

采用TI毫米波傳感器的成像雷達具有很高的靈活性，能夠以非常高的分辨率感知和分類(lèi)近場(chǎng)中的物體，同時(shí)能夠在400米以外的遠場(chǎng)中跟蹤目標。這種成本高效的高分辨率成像雷達系統能夠使2級和3級ADAS應用以及高端4級和5級自動(dòng)駕駛車(chē)輛成為可能，并可用作車(chē)輛中的主傳感器。