輔助駕駛毫米波雷達信號處理流程詳解

毫米波雷達大規模用于汽車(chē)輔助駕駛的傳感器，由于受氣象變化、可見(jiàn)光強弱影響較小，測距較精準，可以和攝像頭取長(cháng)補短，共同實(shí)現可靠的AEB功能。2018年版C-NCAP加入了主動(dòng)安全配置(AEB)性能測試要求，而2021年版C-NCAP調高了主動(dòng)安全部分權重【1】。交通運輸部發(fā)布了《營(yíng)運車(chē)輛自動(dòng)緊急制動(dòng)系統性能要求和測試規程》（JT/T1242-2019）于2019年4月1日起正式實(shí)施。該標準規定了營(yíng)運車(chē)輛自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）系統的一般要求、功能要求、環(huán)境適應性要求和測試規程。

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

英飛凌技術(shù)專(zhuān)家  錢(qián)偉喆

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(guò)高速ADC轉換成數字信號，送入單片機內的信號處理單元。處理單元首先對該時(shí)域信號進(jìn)行干擾抑制，之后分別在距離和多普勒維度進(jìn)行FFT運算，得到多個(gè)天線(xiàn)的二維距離-多普勒頻域結果。在此基礎上進(jìn)一步處理，比如數字波束成形，通過(guò)恒虛警率（CFAR）過(guò)濾，篩選出點(diǎn)目標等等。之后對已經(jīng)過(guò)濾出的點(diǎn)目標進(jìn)行角度計算，接著(zhù)基于提取出的點(diǎn)目標距離、速度和角度信息，將它們聚類(lèi)，因為實(shí)際上來(lái)自同一個(gè)較大反射面積的目標（比如商用車(chē)）可能會(huì )有多個(gè)反射點(diǎn)，聚類(lèi)算法就是找出可能來(lái)自同一個(gè)目標的點(diǎn)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(shí)際物體目標的距離、速度和角度不可能在較短時(shí)間內（雷達信號處理周期一般是50ms-70ms）變化較大，利用這個(gè)性質(zhì)對目標的運動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤預測，結合本車(chē)的運動(dòng)信息，來(lái)判斷目標是否有可能出現在本車(chē)的運行軌跡上。

圖1.毫米波雷達典型信號處理流程

圖1中最后一個(gè)功能模塊用虛線(xiàn)標注，這是由于各家主機廠(chǎng)的傳感器融合構架不同，最后一步的傳感器融合/執行可以放在雷達傳感器內，也可以放在攝像頭模塊內實(shí)現，甚至當傳感器數量較多時(shí)，有獨立的融合模塊。它的主要功能是結合不同傳感器的目標檢測結果，做出最終判斷。多個(gè)傳感器檢測融合的優(yōu)點(diǎn)，一是取長(cháng)補短，擴大檢測范圍及使用場(chǎng)景；二是增加系統冗余，提高系統功能安全級別，降低虛報或誤報率。融合后的最終決策信息給到車(chē)輛執行機構，可以實(shí)施告警、或者剎車(chē)、加減速、轉向等等車(chē)輛控制。

硬件實(shí)現

圖2展示了英飛凌77GHz汽車(chē)毫米波雷達的實(shí)現方案。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，高調制帶寬（76GHz~81GHz）能進(jìn)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(shí)現多種波形配置，比如TDM MIMO（時(shí)分調制），或DDM MIMO（多普勒分址調制），后者需要對各個(gè)發(fā)射通道進(jìn)行獨立調相，調相精度高達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(shí)現更短的發(fā)波時(shí)間，從而提高測速范圍，同時(shí)降低發(fā)波占空比，以及功耗。CTRX實(shí)現了業(yè)界最高的接收機P1dB指標，始終保證通道的良好線(xiàn)性，當近處有較大反射目標時(shí)，遠處小目標也可以精準檢測到。同時(shí)，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(shí)現了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(hù)方便地實(shí)現雷達傳感器整體的ASIL-B功能安全等級。

圖2. 英飛凌76-81GHz汽車(chē)毫米波雷達方案

圖2中另一個(gè)重要芯片是實(shí)現雷達信號處理的AURIXTM 2G單片機。AURIXTM 2G是英飛凌32位車(chē)規級單片機，片內資源豐富，適合多種汽車(chē)應用。從雷達射頻芯片CTRX輸出的數字信號，通過(guò)LVDS（low-voltage differential signal）高速同步串行口，進(jìn)入單片機內的RIF（Radar interface）單元進(jìn)行數據校驗及整形，發(fā)送給下一級單元SPU（signal process unit），進(jìn)行雷達信號處理，輸出的中間及最終結果可存儲于片內RAM。如果是中間結果，比如第一維距離FFT的結果，先存儲在RAM，之后被SPU讀取，經(jīng)過(guò)再次運算得到第二維多普勒FFT結果。通常SPU用于實(shí)現雷達信號預處理，如圖1所示，SPU可以完成數字波束成形，CFAR濾波及點(diǎn)目標檢測，之后的到達角計算，也可以用SPU進(jìn)行FFT運算獲取。如果使用超分辨率算法，則需要CPU實(shí)現。AURIXTM 2G片內有多個(gè)CPU支持浮點(diǎn)運算，配合DSP函數庫，便于實(shí)現更靈活更復雜的算法。檢測出的目標或濾波后的點(diǎn)云數據可以通過(guò)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)現不同的融合架構。AURIXTM 2G實(shí)現了ASIL-D功能安全等級，片內集成了大量硬件安全機制，從而節省了要用軟件彌補硬件不足的資源開(kāi)銷(xiāo)。從射頻芯片發(fā)出的信號，途徑LVDS，RIF，SPU，RAM，CPU，內部總線(xiàn)等，整個(gè)數據處理路徑使用的硬件部件，都有相應的安全機制保證數據的完整性，可靠性。

總結

本文簡(jiǎn)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(shí)現方案。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(shí)現性，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據及時(shí)處理完成。千兆以太網(wǎng)接口能將原始數據、或距離FFT結果傳送給上層ECU，方便系統實(shí)現不同的融合架構。豐富的功能安全硬件機制保證了數據的完整性、可靠性。

參考文獻

【1】“C-NCAP 管理規則（2021 年版修訂版），附錄C主動(dòng)安全ADAS 系統試驗方法”，中國汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司。

來(lái)源：英飛凌

作者：Qian Weizhe, Chen Rosan