安富利推出4D毫米波雷达评估套件

原创安富利 2024-01-30 17:00 697浏览 0评论 0点赞

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最近网上特别火的测试自适应巡航ACC功能视频中，测试场景是强逆光加飞雪，强逆光环境下摄像头基本是瘫痪的，而面对飞雪激光雷达也难以发挥作用，结果可想而知，大部分只依赖摄像头和激光雷达的车辆均未通过测试，追尾前方车辆。在视频场景中，只有毫米波雷达可以可靠工作，所以毫米波雷达是摄像头和激光雷达的有益补充，甚至在安全方面毫米波雷达是最后的底线。

4D毫米波雷达，也被称为4D成像毫米波雷达，4D指代的是距离（Range）、速度（Velocity）、水平角度（Azimuth）和俯仰角度（Elevation）四个维度。相比于摄像头和激光雷达来讲，毫米波雷达具有较强的穿透能力，能够穿透雾、烟、灰尘等障碍物，因此在恶劣天气和环境下仍能正常工作。此外毫米波雷达不受光照条件限制，可以在白天、夜晚以及强逆光和无光环境下正常工作，全天候性能较好。在机械结构方面，毫米波雷达机械结构简单，成本低也是毫米波雷达相对于激光雷达优势。

安富利毫米波雷达评估套件

安富利目前推出S32R41+2*TFE82双片级联方案，天线布局上水平接收孔径等效32*lambda/2，即32个水平天线，天线间隔半个波长。垂直采用稀疏布局等效孔径4*lambda/2，即4个接收天线，间距半个波长。安富利雷达评估套件外观如Figure 1所示。

Figure 1 安富利6T8R毫米波雷达评估套件

TEF8232工作频率是76GHz到81GHz，支持4GHz宽频带扫频，集成3个发射通道和4个接收通道，发射链路支持BPSK和QPSK调相，集成DDMA相位生成器，发射链路集成有6-bit移相器，支持发射波束赋形，内部集成SAR ADC直接采样频率为80MSPS，经过PDC，2倍抽取后最高支持40MSPS。

S32R41，内部集成SPT3.5，支持双线程，工作频率600MHz，SPT是一堆用于毫米波雷达数字信号处理的硬件加速器的总称，包括FFT，MAXS(峰值搜索)，Copy(数据拷贝)，VMT(求模求对数等数学运算)，HIST(柱状图统计)，SORT(排序)等。也就是说在S32R41中，基础雷达信号处理都用硬件加速器实现的，速度快，功耗低。针对4D毫米波雷达中其他的数字信号处理，比如矩阵运算，矩阵求逆，矩阵分解的向量运算，S32R41中集成了Cadence BBE32 600MHz DSP，支持浮点数向量运算（VFPU）。

天线校准

毫米波雷达接收天线之间耦合严重，如果未经校准，很难对入射角度进行精准测量，甚至未经校准的接收天线在角度分析时，会引入虚假目标，大大降低雷达的可靠性。针对雷达校准，我们开发了一套雷达校准算法，校准效果如Figure 2天线校准视频所示。

Figure 2 天线校准视频

在天线校准视频中，我们可以看到，对未经校准的接收天线接收数据运行FFT，会有很多旁瓣，并且旁瓣较高，而实际的场景是我们是在空旷场景中对单一角反射器进行测试，空间只有一个目标，所以这些都是天线之间耦合的结果，耦合原因是接收天线之间的射频耦合，天线共地之间的串扰等。经过我们的天线校准后，如果图中橙色所示，旁瓣消失，主瓣也更加收敛，符合单一目标的特征。

Python开发环境

为了方便射频工程师评估TEF82的射频性能，同时也为了方便算法工程师快速的开发验证自己的算法，本开发套件支持Python开发环境，客户在Python环境中将波形配置文件通过网口发送到S32R41，S32R41解析后将通过SPI对前端芯片进行配置。目前提供可在Python环境中将前端配置成单音模式：TD-MIMO模式和DD-MIMO模式。针对各种配置模式，均提供示例程序方便客户快速开发。TEF82前端的ADC数据经由UDP后送到PC，在PC端通过Python对接收的数据进行处理。

Figure 3 雷达Python开发环境

孔径外推技术

雷达目标的角度探测精度，取决于雷达接收孔径的大小，通过芯片级联以及TD-MIMO或者DD-MIMO技术可以对接收孔径进行扩展。芯片级联或者多收多发，会增加器件成本以及板卡面积，不可能一直用增加芯片数量来扩展孔径，目前市面流行的6T8R或者12T16R，亦或者16T16R。除了通过多收多发来扩展孔径外，本作者开发了一种孔径外推技术，利用Burg以及Marple等时稳信号处理算法，对接收孔径进行线性外推。

Figure 4 孔径外推算法

在孔径外推算法中，我们模拟了32根接收天线，假设有三个目标，三个目标的角度分别在角度FFT的index的坐标位（5，6，7），因为目标距离太近，常规算法无论是32点补零，还是稀疏内插零，都无法分辨目标数量，三个目标将被当成一个目标，如图中蓝色线所示。通过孔径外推算法后，结果如图中橙色线所示，可以准确区分我们设定的三个目标。

起始频率慢飘移

扫频带宽和无模糊速度上限在具体器件上也是一对矛盾，针对具体器件扫频速度取决于PLL的带宽，而锁相环带宽要兼顾相噪而不能设置得过宽，因此如果要提高扫频带宽增加距离分辨率的前提下，往往需要提高扫频时间，从而降低了无模糊速度上限。TEF82支持扫频起始频率慢飘移，有专门的寄存器设置，设置非常简单对用户非常友好。起始频率慢飘移如图Figure 5所示，每个chirp的起始频率相对于前一个chirp的起始频率都有一个提高（或者降低，取决有chirp方向）。这种波形设计的好处是，单个chirp扫频时间短，因此在做doppler运算的时候，无模糊上线速度更高，同时通过chirp级联方法可以获得更高的扫频带宽，从而可以获得更高的距离分辨率。同时由于每个chirp的占据带宽是不同的，也在一定程度上有避免雷达被干扰的作用。