一文讀懂自動駕駛雷達感應器應用設計方案

感測器是無人駕駛汽車的關鍵部件。能夠監控與前方、後方或側車的距離，可為中央控制器提供重要數據。光學和紅外線攝影機、雷射、超音波和雷達都可用於提供有關周圍環境、道路和其他車輛的數據。例如，攝影機可用於偵測道路上的標記，以使車輛保持在正確的車道上。這已用於在駕駛員輔助系統（ADAS） 中提供車道偏離警告。如今的 ADAS 系統還使用雷達進行碰撞偵測警告和自適應巡航控制，車輛可以跟隨前車。

如果沒有駕駛員的輸入，自動駕駛汽車需要更多的感測器系統，通常使用來自不同感測器的多個輸入來提供更高水準的保證。這些感測器系統正在從經過驗證的 ADAS 實施中進行調整，儘管系統架構正在發生變化以管理更廣泛的感測器和更高的資料速率。

雷達使用

隨著用於自適應巡航控制和碰撞偵測的ADAS 系統越來越多地採用，24 GHz雷達感測器的成本正在下降。這些現在正成為汽車製造商達到歐洲五星級 NCAP 安全等級的要求。

例如，英飛凌科技公司的BGT24M 24GHz 雷達感測器可與電子控制單元（ECU） 中的外部微控制器一起使用，以修改油門，以保持與前方車輛的恆定距離，範圍可達20 m，如圖1所示。

圖 1：英飛凌科技的汽車雷達感測系統。

許多汽車雷達系統使用脈衝多普勒方法，其中發射器運行短時間，稱為脈衝重複間隔（PRI），然後系統切換到接收模式，直到下一個發射脈衝。當雷達返回時，對反射進行相干處理，以提取檢測到的物體的距離和相對運動。

另一種方法是使用連續波頻率調變 （CWFM）。這使用了一個連續的載波頻率，隨著時間的推移而變化，接收器不斷地打開。為了防止發射訊號洩漏到接收器中，必須使用單獨的發射和接收天線。

BGT24MTR12 是一款用於訊號產生和接收的矽鍺 （SiGe） 感測器，工作頻率為 24.0 至 24.25 GHz。它使用 24 GHz 基波壓控振盪器，並包括一個輸出頻率為 1.5 GHz 和 23 kHz 的可切換頻率預分頻器。

一個RC 多相濾波器（PPF） 用於下變頻混頻器的LO 正交相位生成，而輸出功率感測器和溫度感測器則整合到設備中以進行監控。

圖 2：英飛凌科技的 BGT24MTR12 雷達感測器。

該裝置透過 SPI 控制，採用 0.18 ?m SiGe:C 技術製造，截止頻率為 200 GHz，採用 32 引腳無引線 VQFN 封裝。

然而，無人駕駛車輛的架構正在改變。來自車輛周圍各種雷達系統的數據不是本地 ECU，而是被饋送到中央高性能控制器，該控制器將訊號與來自攝影機的訊號以及可能來自雷射雷達雷射感測器的訊號結合。

控制器可以是具有圖形控制單元 （GCU） 的高效能通用處理器，也可以是可以由專用硬體處理訊號處理的現場可程式閘陣列。這更加強調了必須處理更高資料速率和更多資料來源的類比前端（AFE） 介面設備。

正在使用的雷達感測器類型也在改變。 77 GHz 感測器提供更遠的範圍和更高的解析度。 77 GHz 或79 GHz 雷達感測器可即時調整，以在10° 圓弧內提供長達200 m 的遠程感測，例如用於檢測其他車輛，但它也可用於更寬的30° 感測30 m 的較低範圍的弧。更高的頻率提供更高的分辨率，使雷達感測器系統能夠即時區分多個對象，例如檢測 30° 弧內的許多行人，為無人駕駛車輛的控制器提供更多時間和更多數據。

77 GHz 感測器使用具有 300 GHz 振盪頻率的矽鍺雙極電晶體。這使得一個雷達感測器可以用於多種安全系統，例如前方警報、碰撞警告和自動制動，並且 77 GHz 技術還可以更好地抵抗車輛的振動，因此需要的過濾更少。

圖 3：NXP提供的無人駕駛車輛中雷達感測器的不同用例。

感測器用於偵測車輛座標系 （VCS） 中目標車輛的距離、速度和方位角。數據的準確性取決於雷達感測器的對準。

雷達感測器對準演算法在車輛運作時執行超過 40 Hz 的頻率。它必須在 1 毫秒內根據雷達感測器提供的數據以及車速、感測器在車輛上的位置及其指向角度來計算錯位角。

軟體工具可用於分析從真實車輛的道路測試中擷取的記錄感測器資料。此測試數據可用於開發雷達感測器對準演算法，該演算法使用二乘演算法根據原始雷達偵測和主車輛速度計算感測器未對準角度。這也根據二乘解的殘差估計計算角度的精度。

02 系統架構

德州儀器（TI）的AFE5401-Q1等類比前端（圖4）可用來將雷達感測器連接到汽車系統的其餘部分，如圖1 所示。 AFE5401 包含四個通道，每個通道包含一個低雜訊放大器（LNA）、可選均衡器（EQ）、可程式增益放大器（PGA） 和抗混疊濾波器，後接25 MSPS 的高速12 位元模數轉換器（ADC）每個頻道。四個 ADC 輸出在 12 位元、平行、CMOS 相容輸出匯流排上重複使用。

圖 4：德州儀器 （TI） 的 AFE5401 雷達模擬前端中的四個通道可用於多個感測器。

對於低成本系統，ADI 公司的AD8284提供帶有四通道差分多路復用器（mux）的類比前端，可為具有可編程增益放大器（PGA） 和抗混疊濾波器的單通道低雜訊前置放大器（LNA） 供電（AAF）。這也使用單一直接到 ADC 通道，所有通道都與單一 12 位元類比數位轉換器 （ADC） 整合。 AD8284 還包含一個飽和檢測電路，用於檢測否則會被 AAF 過濾的高頻過壓條件。類比通道的增益範圍為 17 dB 至 35 dB，增量為 6 dB，ADC 的轉換速率高達 60 MSPS。在增益下，整個通道的組合輸入參考電壓雜訊為 3.5 nV/√Hz。

AFE 的輸出被送到處理器或 FPGA，例如Microsemi的IGLOO2或Fusion或英特爾的Cyclone IV。這可以使用 FPGA 設計工具在硬體中實現 2D FFT，以處理 FFT 並提供有關周圍物件所需的資料。然後可以將其饋入中央控制器。

FPGA 面臨的一個關鍵挑戰是偵測多個對象，這對於 CWFM 架構來說比脈衝多普勒更複雜。一種方法是改變斜坡的持續時間和頻率，並評估偵測到的頻率如何以不同的頻率斜坡陡度在頻譜中移動。由於斜坡可以以 1 ms 的間隔變化，因此每秒可以分析數百個變化。

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圖 5：CWFM 雷達前端與英特爾的 FPGA 搭配使用。

來自其他感測器的資料融合也可以提供幫助，因為攝影機資料可用於區分來自車輛的較強回波與來自人的較弱回波，以及預期的多普勒偏移類型。

另一種選擇是多模雷達，它使用CWFM 在高速公路上尋找更遠距離的目標，而短程脈衝多普勒雷達則用於更容易檢測到行人的城市地區。

03 結論

無人駕駛車輛 ADAS 感測器系統的發展正在改變雷達系統的實施方式。從更簡單的防撞或自適應巡航控制轉向全方位偵測是一項重大挑戰。雷達是一種非常流行的感測技術，已在汽車製造商中廣泛認可，因此也是這種方法的技術。將更高頻率的 77 GHz 感測器與多模 CWFM 和脈衝多普勒架構以及來自其他感測器（如相機）的數據結合在一起，也對處理子系統提出了重大挑戰。以安全、一致和具有成本效益的方式解決這些挑戰對於自動駕駛汽車的持續發展至關重要。

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