安富利推出4D毫米波雷達評估套件

最近網(wǎng)上特別火的測試自適應巡航ACC功能視頻中，測試場景是強逆光加飛雪，強逆光環(huán)境下攝像頭基本是癱瘓的，而面對飛雪激光雷達也難以發(fā)揮作用，結果可想而知，大部分只依賴攝像頭和激光雷達的車輛均未通過測試，追尾前方車輛。在視頻場景中，只有毫米波雷達可以可靠工作，所以毫米波雷達是攝像頭和激光雷達的有益補充，甚至在安全方面毫米波雷達是最后的底線。

4D毫米波雷達，也被稱為4D成像毫米波雷達，4D指代的是距離（Range）、速度（Velocity）、水平角度（Azimuth）和俯仰角度（Elevation）四個維度。相比于攝像頭和激光雷達來講，毫米波雷達具有較強的穿透能力，能夠穿透霧、煙、灰塵等障礙物，因此在惡劣天氣和環(huán)境下仍能正常工作。此外毫米波雷達不受光照條件限制，可以在白天、夜晚以及強逆光和無光環(huán)境下正常工作，全天候性能較好。在機械結構方面，毫米波雷達機械結構簡單，成本低也是毫米波雷達相對于激光雷達優(yōu)勢。

安富利毫米波雷達評估套件

安富利目前推出S32R41+2*TFE82雙片級聯(lián)方案，天線布局上水平接收孔徑等效32*lambda/2，即32個水平天線，天線間隔半個波長。垂直采用稀疏布局等效孔徑4*lambda/2，即4個接收天線，間距半個波長。安富利雷達評估套件外觀如Figure 1所示。

Figure 1 安富利6T8R毫米波雷達評估套件

TEF8232工作頻率是76GHz到81GHz，支持4GHz寬頻帶掃頻，集成3個發(fā)射通道和4個接收通道，發(fā)射鏈路支持BPSK和QPSK調相，集成DDMA相位生成器，發(fā)射鏈路集成有6-bit移相器，支持發(fā)射波束賦形，內部集成SAR ADC直接采樣頻率為80MSPS，經過PDC，2倍抽取后最高支持40MSPS。

S32R41，內部集成SPT3.5，支持雙線程，工作頻率600MHz，SPT是一堆用于毫米波雷達數(shù)字信號處理的硬件加速器的總稱，包括FFT，MAXS(峰值搜索)，Copy(數(shù)據(jù)拷貝)，VMT(求模求對數(shù)等數(shù)學運算)，HIST(柱狀圖統(tǒng)計)，SORT(排序)等。也就是說在S32R41中，基礎雷達信號處理都用硬件加速器實現(xiàn)的，速度快，功耗低。針對4D毫米波雷達中其他的數(shù)字信號處理，比如矩陣運算，矩陣求逆，矩陣分解的向量運算，S32R41中集成了Cadence BBE32 600MHz DSP，支持浮點數(shù)向量運算（VFPU）。

天線校準

毫米波雷達接收天線之間耦合嚴重，如果未經校準，很難對入射角度進行精準測量，甚至未經校準的接收天線在角度分析時，會引入虛假目標，大大降低雷達的可靠性。針對雷達校準，我們開發(fā)了一套雷達校準算法，校準效果如Figure 2天線校準視頻所示。

在天線校準視頻中，我們可以看到，對未經校準的接收天線接收數(shù)據(jù)運行FFT，會有很多旁瓣，并且旁瓣較高，而實際的場景是我們是在空曠場景中對單一角反射器進行測試，空間只有一個目標，所以這些都是天線之間耦合的結果，耦合原因是接收天線之間的射頻耦合，天線共地之間的串擾等。經過我們的天線校準后，如果圖中橙色所示，旁瓣消失，主瓣也更加收斂，符合單一目標的特征。

Python開發(fā)環(huán)境

為了方便射頻工程師評估TEF82的射頻性能，同時也為了方便算法工程師快速的開發(fā)驗證自己的算法，本開發(fā)套件支持Python開發(fā)環(huán)境，客戶在Python環(huán)境中將波形配置文件通過網(wǎng)口發(fā)送到S32R41，S32R41解析后將通過SPI對前端芯片進行配置。目前提供可在Python環(huán)境中將前端配置成單音模式：TD-MIMO模式和DD-MIMO模式。針對各種配置模式，均提供示例程序方便客戶快速開發(fā)。TEF82前端的ADC數(shù)據(jù)經由UDP后送到PC，在PC端通過Python對接收的數(shù)據(jù)進行處理。

Figure 3 雷達Python開發(fā)環(huán)境

孔徑外推技術

雷達目標的角度探測精度，取決于雷達接收孔徑的大小，通過芯片級聯(lián)以及TD-MIMO或者DD-MIMO技術可以對接收孔徑進行擴展。芯片級聯(lián)或者多收多發(fā)，會增加器件成本以及板卡面積，不可能一直用增加芯片數(shù)量來擴展孔徑，目前市面流行的6T8R或者12T16R，亦或者16T16R。除了通過多收多發(fā)來擴展孔徑外，本作者開發(fā)了一種孔徑外推技術，利用Burg以及Marple等時穩(wěn)信號處理算法，對接收孔徑進行線性外推。

Figure 4 孔徑外推算法

在孔徑外推算法中，我們模擬了32根接收天線，假設有三個目標，三個目標的角度分別在角度FFT的index的坐標位（5，6，7），因為目標距離太近，常規(guī)算法無論是32點補零，還是稀疏內插零，都無法分辨目標數(shù)量，三個目標將被當成一個目標，如圖中藍色線所示。通過孔徑外推算法后，結果如圖中橙色線所示，可以準確區(qū)分我們設定的三個目標。

起始頻率慢飄移

掃頻帶寬和無模糊速度上限在具體器件上也是一對矛盾，針對具體器件掃頻速度取決于PLL的帶寬，而鎖相環(huán)帶寬要兼顧相噪而不能設置得過寬，因此如果要提高掃頻帶寬增加距離分辨率的前提下，往往需要提高掃頻時間，從而降低了無模糊速度上限。TEF82支持掃頻起始頻率慢飄移，有專門的寄存器設置，設置非常簡單對用戶非常友好。起始頻率慢飄移如圖Figure 5所示，每個chirp的起始頻率相對于前一個chirp的起始頻率都有一個提高（或者降低，取決有chirp方向）。這種波形設計的好處是，單個chirp掃頻時間短，因此在做doppler運算的時候，無模糊上線速度更高，同時通過chirp級聯(lián)方法可以獲得更高的掃頻帶寬，從而可以獲得更高的距離分辨率。同時由于每個chirp的占據(jù)帶寬是不同的，也在一定程度上有避免雷達被干擾的作用。

Figure 5 起始頻率慢飄移

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