汽车雷达传感器

文章：M. di Paolo Emilio

在汽车日益自动化、半导体成为关键创新因素的当今世界，传感器变得至关重要，尤其是在处理移动物体时。雷达传感器使用FMCW(频率调制连续波)技术可靠地探测移动或静止目标，如在极端天气条件下的汽车、火车、卡车和货物。它们也是避免移动设备碰撞的理想解决方案，如可触及堆垛机、叉车和港口部门机械，如电车、机械手和装载机。

在汽车雷达扇区中的连续波频调制（FMCW）的综合应用从安全到舒适功能都可以如下：盲点检测，车道改变辅助，监控驾驶员的生命体征，自由空间检测和停车辅助系统。这些功能基于雷达以准确的方式检测和定位障碍物的能力，无论天气和环境光条件如何。

典型的FMCW雷达的范围和速度（或多普勒）的高分辨率使得适用于基于手势的无风界面。汽车行业中的用例包括用于信息娱乐系统的手势的门/行李箱打开和基于手势的控制（例如摇动手在屏幕之间切换或旋转手指控制量）。

对重要驾驶员标志的连续和准确监测，如心率和呼吸率，对于提高道路安全至关重要。这些传感器的小尺寸意味着非侵入性的实施;例如，传感器可以合并到驾驶员座椅的后部。

连续波频率调制

图1中示出了具有单个传输链（Tx）和单个接收链（Rx）的FMCW雷达的可能框图和单个接收链（RX）。本地振荡器（LO）产生称为CHIRP的信号，随时间具有线性变量的频率通过TX天线传输。由Rx天线接收的信号（从雷达前面的场景反射）与发送信号混合以产生中频信号（IF）。然后，模数转换器（ADC）然后为后续数值处理（DSP）数字化接收的IF信号。在数字化样本上执行的FFT（快速傅里叶变换）处理使得可以评估对象的范围。

图1:FMCW雷达框图(左图);在距离- fft图(右侧)中，峰值频率对应于场景中各种物体的范围[来源:德州仪器]

虽然FFT图中峰值的频率直接对应于目标的范围，但峰值的相位对目标位置的微小变化非常敏感。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。

雷达性能的指标取决于传输信号的选择。例如：

• 范围分辨率可提高啁啾带宽;
• 速度分辨率提高了帧长;
• 最大可测速度与相邻啁啾之间的间距成反比;
• Tx / Rx天线的数量限制了角度的分辨率。

应用程序

自由空间传感器利用大距离的雷达分辨率及其检测近距离（墙壁，墙壁，停放在附近的汽车）的障碍物的能力。自由空间传感器也可以充当停车传感器。

该设备通过执行2D FFT来处理来自模数转换器(ADC)的沿帧数据，从而解决距离和多普勒目标，并将近移动目标与静止障碍物分离。使用移动雷达，比如安装在门上的雷达，多普勒分辨率也有助于探测物体，尽管物体是静止的，但其相对速度与雷达不同。二维FFT阵列的非相干积累创建了一个可以通过检测算法处理的距离-多普勒热图(图2)。

图2:自由空间传感器应用的典型加工链[来源:德州仪器]

天线结构的选择和天线单元视场的选择是自由空间传感器应用的重要考虑因素。一般来说，在视场仰角和地面杂波抑制之间，以及在仰角估计能力和方位角分辨率之间，可以找到一个折衷。

FMCW雷达接收到的信号相位对目标位置的微小变化非常敏感。利用这一特性，可以估计物体振动的频率(如心跳和呼吸引起的振动)。该设备发送一个啁啾序列，而在范围内的一个峰值- fft识别来自驾驶员胸部的强烈反射。该装置的算法跟踪这一峰值在啁啾之间的相位，并对这一系列步骤进行频谱分析，以提取驾驶员的心率和呼吸频率。

在基于手势的识别应用中，该设备在通过帧的啁啾（图3）上收集的ADC数据上执行2D FFT（图3）。这解决了范围和多普勒的场景。然后，对于每个Rx天线（如果雷达处于MIMO模式），则计算每个RX天线（或每个虚拟天线）计算2D FFT矩阵。通过天线的2D FFT矩阵的非相干累积产生范围多普勒热图。下一步是从范围 - 多普勒热图中提取更多特征。

图3:手势识别应用中的信号处理链框图[来源:德州仪器]

我们知道甚至致命的损失，甚至可能被儿童和动物留在封闭车内的封闭车内。安装在乘客舱中的FMCW雷达可以检测其在无人值守的车辆中的存在，从而能够及时干预。该应用主要取决于实现优异速度分辨率的雷达能力。与车辆中的静止杂波相比，雷达也必须考虑最小的运动（如睡眠儿童）。

传感器集成电路

这awr1x和iwr1x.一系列传感器基于CMOS（互补金属 - 氧化物半导体）技术。AWR系列专用于汽车领域，而IWR系列适用于工业应用。MMWAVE（毫米波频带）雷达可以以毫米的幅度级的波长传输信号，以及在76-81GHz的MM波系统，相应波长约为4毫米，具有能力，检测动作小于毫米的一小部分。

每个芯片都能实现智能和高精度的自主检测，分辨率小于4厘米，场精度小于50微米，范围高达300米。MMWave AWR1X系列的目标是帮助工程师克服他们通常在符合ADAS（高级驾驶员援助系统）的函数中遇到的障碍。

77 GHz雷达通过允许车辆识别危险情况并防止事故来提高汽车安全。它们用于检测不同类型的障碍，例如在30到250米范围内的其他车辆和行人，即使在可见性差。

雷达提供的信息用于负责多种应用的ADAS系统，包括自主应急制动和自适应巡航速度控制。ST微电子有自己的Strada770它覆盖了从76到81 GHz的毫米波频带，包括三个发射器，四个接收器和一个推特调制器。

图4:汽车雷达解决方案[来源:英飞凌]

英飞凌为77 GHz雷达系统提供系统解决方案，用于减少所需组件数量的车辆（图4）。汽车雷达76-77 GHz系列的雷达系统IC系列（RASIC™）提供了高水平的集成度。英飞凌32位AULIXTM突变体ADAS设备为雷达应用提供专用功能，即在许多情况下，可以添加额外的DSP，SRAM和外部ADC过时。

结论

ADAS系统（高级驾驶员辅助系统）的扩散 - 例如电子稳定控制，后视摄像机和基于视觉的行人检测系统 - 通过微控制器和传感器引入的改进已经实现。基于先进的基于雷达的嵌入式解决方案为ADAS系统设计人员提供了互补的安全功能。

77ghz汽车雷达系统能够支持一系列新的特性和功能，具有广阔的前景。其巨大的优势:高精度和从短到远的可扩展性。缺点:使用开发工具包解决了更高程度的技术复杂性。雷达传感器系列可用于实现经济有效的手势识别解决方案。德州仪器(Texas Instruments)、ST微电子(ST Microelectronics)和英飞凌(Infineon)的传感器可能是单手势应用(如打开车门或后备箱)的合适选择。