雷达传感器增强ADAS安全性，实现驾驶员便利功能

在汽车越来越自动化，半导体成为关键创新因素的世界中，传感器变得至关重要，特别是在处理移动物体时。雷达传感器使用调频连续波（FMCW）技术，即使在极端天气条件下也能可靠地检测移动或静止物体，如汽车、火车、卡车和负载。对于正面吊、叉车等移动的机器以及手推车、机械手和装载机等港口机械，它们也是理想的防撞解决方案。

FMCW在汽车雷达领域的应用范围从安全到舒适功能，包括盲点检测、车道变换辅助、驾驶员生命体征监测、自由空间检测和停车辅助。这些功能基于雷达准确检测和定位障碍物的能力，无论天气和环境光线条件如何。

FMCW雷达典型的高分辨率距离和速度（多普勒）性能使其适用于基于手势的非触摸界面。汽车行业的用例包括基于手势的车门/行李箱开启器和基于手势的信息娱乐系统控制（例如挥手在屏幕之间切换或旋转手指控制音量）。对驾驶员的生命体征（例如心率和呼吸率）的连续准确监测是提高道路安全性的重要特征。这些传感器的小尺寸使该功能的非侵入式实现成为可能。例如，传感器可以结合到驾驶员座椅的靠背中。

连续波调频

图1给出了具有单个发射链（Tx）和单个接收链（Rx）的FMCW雷达的典型框图。本地振荡器（LO）生成称为线性调频的信号，该信号具有随时间线性变化的频率，并且经由Tx天线发送。由Rx天线接收的信号（从雷达前方的场景反射）与发射信号混合以产生中频信号。然后，模数转换器（ADC）将接收到的IF信号数字化，以用于后续的数字处理（DSP）。对数字化样本进行快速傅立叶变换（FFT）处理，从而可以评估物体的范围。

图1：FMCW雷达的框图（左）。在范围FFT图（右）中，峰值频率对应于场景中各种对象的范围。（图片来源：Texas Instruments）

虽然FFT图中峰值的频率直接对应于对象的范围，但是峰值的相位对对象位置的微小变化极其敏感。这种灵敏度是雷达估计物体振动频率能力的基础，也是速度估计的基础。

雷达性能指标取决于发射信号的选择。举例来说：

距离分辨率提高（增加）啁啾带宽。

速度分辨率可改善（增加）帧持续时间。

最大可测量速度与相邻啁啾之间的间隔成反比。

Tx/Rx天线的数量限制了角度的分辨率。

应用

自由空间传感器利用雷达在远距离的分辨率和近距离检测障碍物（如电线杆、墙壁或附近停放的汽车）的能力。自由空间传感器也可以用作停车传感器。

该器件通过执行2D FFT来处理来自ADC的数据，该数据沿着一帧，可求解距离和多普勒中的对象，并将附近的移动对象与静止障碍物分开。对于移动的雷达，例如安装在门上的雷达，多普勒分辨率也有助于基于雷达和物体之间的相对速度差来检测静止物体。2D FFT阵列的非相干累积创建了距离—多普勒热图，可以通过检测算法进行处理（图2）。

图2：自由空间传感器应用的典型处理链（图片：Texas Instruments）

天线配置和天线元件的视场（FOV）是自由空间传感器应用中的重要设计考虑因素。通常，可以在FOV仰角和地面杂波抑制之间，以及在估计仰角的能力和方位分辨率之间找到折衷。

在FMCW雷达中接收的信号的相位对物体位置的微小变化极其敏感。通过利用该特性，可以估计物体的振动频率（例如由心跳和呼吸引起的振动）。对于驾驶员生命体征监测，该设备发送线性调频序列，并且范围FFT中的峰值识别来自驾驶员胸部的强烈反射。该设备中的算法跟踪啁啾中这个峰值的相位，并对步骤序列进行频谱分析，以提取驾驶员的心率和呼吸率数据。

图3：手势识别应用中使用的信号处理链框图（图片：Texas Instruments）

对于基于手势的识别，该器件对通过帧的啁啾收集的ADC数据执行2D FFT（图3）。这解决了距离和多普勒的情况。然后针对每个Rx天线（或者如果雷达处于MIMO模式，则针对每个虚拟天线）计算2D FFT矩阵。通过天线的2D FFT矩阵的非相干累积创建距离-多普勒热图。下一步是从距离-多普勒热图中提取更多特征。

我们知道在高温下将儿童和动物留在封闭的车辆中的危险，包括致命的后果。安装在乘客舱中的FMCW雷达可以检测无人值守车辆中的存在，从而进行及时干预。这种应用主要取决于雷达实现出色速度分辨率的能力。雷达必须将物体分开，即使是最微弱的运动（如熟睡的孩子）也能从车内静止的杂波中区分出来。

传感器ic

Texas Instruments的AWR1x和IWR1x系列传感器基于CMOS技术。AWR系列专为汽车应用而设计，而IWR系列则适用于工业应用。毫米波（毫米波频段）雷达产品可以传输波长为毫米量级的信号。毫米波系统工作在76至81 GHz，对应波长约为4 mm，可以检测到小至几分之一毫米的运动。

每个芯片都可以实现智能和高精度的自主检测，分辨率在4 cm以内，现场精度优于50 µ m，范围可达300米。毫米波AWR1x系列的目标是帮助工程师克服他们在设计符合高级驾驶辅助系统（ADAS）监管标准的功能时通常遇到的障碍。

通过允许车辆识别危险情况，77-GHz雷达系统可以防止事故并提高汽车安全性。它们用于检测30至250米范围内的不同类型的障碍物，例如行人和其他车辆，即使在能见度很差的情况下也是如此。它们的巨大优势包括高精度和从短距离到长距离的出色可扩展性。从设计的角度来看，缺点是它们的技术复杂性较高，尽管可以使用开发工具包来解决这一挑战。雷达信息用于ADAS应用，如自动紧急制动和自适应巡航速度控制。STMicroelectronics的STRADA 770收发器覆盖76至81 GHz的毫米波频段，包括三个发射器、四个接收器和一个twitter调制器。

图4：汽车雷达解决方案（图片：英飞凌科技）

英飞凌科技为车辆提供77 GHz雷达系统解决方案，减少了所需组件的数量（图4）。雷达系统IC（RASIC）系列为76至77 GHz范围的汽车雷达提供高集成度。英飞凌的32位AURIX ADAS器件为雷达应用提供专用功能集，在许多情况下无需添加DSP、SRAM和外部ADC。

微控制器和传感器的改进使ADAS的功能得以扩展，如电子稳定控制、后视摄像头和基于视觉的行人检测。更先进的基于雷达的嵌入式解决方案提供安全功能，以补充汽车设计中的ADAS功能。新的雷达传感器可用于实现具有成本效益的手势识别解决方案。

作者：Maurizio Di Paolo Emilio (EE Times)