在汽車越來越自動化，半導(dǎo)體成為關(guān)鍵創(chuàng)新因素的世界中，傳感器變得至關(guān)重要，特別是在處理移動物體時(shí)。雷達(dá)傳感器使用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）技術(shù)，即使在極端天氣條件下也能可靠地檢測移動或靜止物體，如汽車、火車、卡車和負(fù)載。對于正面吊、叉車等移動的機(jī)器以及手推車、機(jī)械手和裝載機(jī)等港口機(jī)械，它們也是理想的防撞解決方案。

FMCW在汽車?yán)走_(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍從安全到舒適功能，包括盲點(diǎn)檢測、車道變換輔助、駕駛員生命體征監(jiān)測、自由空間檢測和停車輔助。這些功能基于雷達(dá)準(zhǔn)確檢測和定位障礙物的能力，無論天氣和環(huán)境光線條件如何。

FMCW雷達(dá)典型的高分辨率距離和速度（多普勒）性能使其適用于基于手勢的非觸摸界面。汽車行業(yè)的用例包括基于手勢的車門/行李箱開啟器和基于手勢的信息娛樂系統(tǒng)控制（例如揮手在屏幕之間切換或旋轉(zhuǎn)手指控制音量）。對駕駛員的生命體征（例如心率和呼吸率）的連續(xù)準(zhǔn)確監(jiān)測是提高道路安全性的重要特征。這些傳感器的小尺寸使該功能的非侵入式實(shí)現(xiàn)成為可能。例如，傳感器可以結(jié)合到駕駛員座椅的靠背中。

連續(xù)波調(diào)頻

圖1給出了具有單個(gè)發(fā)射鏈（Tx）和單個(gè)接收鏈（Rx）的FMCW雷達(dá)的典型框圖。本地振蕩器（LO）生成稱為線性調(diào)頻的信號，該信號具有隨時(shí)間線性變化的頻率，并且經(jīng)由Tx天線發(fā)送。由Rx天線接收的信號（從雷達(dá)前方的場景反射）與發(fā)射信號混合以產(chǎn)生中頻信號。然后，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將接收到的IF信號數(shù)字化，以用于后續(xù)的數(shù)字處理（DSP）。對數(shù)字化樣本進(jìn)行快速傅立葉變換（FFT）處理，從而可以評估物體的范圍。

圖1：FMCW雷達(dá)的框圖（左）。在范圍FFT圖（右）中，峰值頻率對應(yīng)于場景中各種對象的范圍。（圖片來源：Texas Instruments）

雖然FFT圖中峰值的頻率直接對應(yīng)于對象的范圍，但是峰值的相位對對象位置的微小變化極其敏感。這種靈敏度是雷達(dá)估計(jì)物體振動頻率能力的基礎(chǔ)，也是速度估計(jì)的基礎(chǔ)。

雷達(dá)性能指標(biāo)取決于發(fā)射信號的選擇。舉例來說：

距離分辨率提高（增加）啁啾帶寬。

速度分辨率可改善（增加）幀持續(xù)時(shí)間。

最大可測量速度與相鄰啁啾之間的間隔成反比。

Tx/Rx天線的數(shù)量限制了角度的分辨率。

應(yīng)用

自由空間傳感器利用雷達(dá)在遠(yuǎn)距離的分辨率和近距離檢測障礙物（如電線桿、墻壁或附近停放的汽車）的能力。自由空間傳感器也可以用作停車傳感器。

該器件通過執(zhí)行2D FFT來處理來自ADC的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)沿著一幀，可求解距離和多普勒中的對象，并將附近的移動對象與靜止障礙物分開。對于移動的雷達(dá)，例如安裝在門上的雷達(dá)，多普勒分辨率也有助于基于雷達(dá)和物體之間的相對速度差來檢測靜止物體。2D FFT陣列的非相干累積創(chuàng)建了距離—多普勒熱圖，可以通過檢測算法進(jìn)行處理（圖2）。

圖2：自由空間傳感器應(yīng)用的典型處理鏈（圖片：Texas Instruments）

天線配置和天線元件的視場（FOV）是自由空間傳感器應(yīng)用中的重要設(shè)計(jì)考慮因素。通常，可以在FOV仰角和地面雜波抑制之間，以及在估計(jì)仰角的能力和方位分辨率之間找到折衷。

在FMCW雷達(dá)中接收的信號的相位對物體位置的微小變化極其敏感。通過利用該特性，可以估計(jì)物體的振動頻率（例如由心跳和呼吸引起的振動）。對于駕駛員生命體征監(jiān)測，該設(shè)備發(fā)送線性調(diào)頻序列，并且范圍FFT中的峰值識別來自駕駛員胸部的強(qiáng)烈反射。該設(shè)備中的算法跟蹤啁啾中這個(gè)峰值的相位，并對步驟序列進(jìn)行頻譜分析，以提取駕駛員的心率和呼吸率數(shù)據(jù)。

圖3：手勢識別應(yīng)用中使用的信號處理鏈框圖（圖片：Texas Instruments）

對于基于手勢的識別，該器件對通過幀的啁啾收集的ADC數(shù)據(jù)執(zhí)行2D FFT（圖3）。這解決了距離和多普勒的情況。然后針對每個(gè)Rx天線（或者如果雷達(dá)處于MIMO模式，則針對每個(gè)虛擬天線）計(jì)算2D FFT矩陣。通過天線的2D FFT矩陣的非相干累積創(chuàng)建距離-多普勒熱圖。下一步是從距離-多普勒熱圖中提取更多特征。

我們知道在高溫下將兒童和動物留在封閉的車輛中的危險(xiǎn)，包括致命的后果。安裝在乘客艙中的FMCW雷達(dá)可以檢測無人值守車輛中的存在，從而進(jìn)行及時(shí)干預(yù)。這種應(yīng)用主要取決于雷達(dá)實(shí)現(xiàn)出色速度分辨率的能力。雷達(dá)必須將物體分開，即使是最微弱的運(yùn)動（如熟睡的孩子）也能從車內(nèi)靜止的雜波中區(qū)分出來。

傳感器ic

Texas Instruments的AWR1x和IWR1x系列傳感器基于CMOS技術(shù)。AWR系列專為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)，而IWR系列則適用于工業(yè)應(yīng)用。毫米波（毫米波頻段）雷達(dá)產(chǎn)品可以傳輸波長為毫米量級的信號。毫米波系統(tǒng)工作在76至81 GHz，對應(yīng)波長約為4 mm，可以檢測到小至幾分之一毫米的運(yùn)動。

每個(gè)芯片都可以實(shí)現(xiàn)智能和高精度的自主檢測，分辨率在4 cm以內(nèi)，現(xiàn)場精度優(yōu)于50 μ m，范圍可達(dá)300米。毫米波AWR1x系列的目標(biāo)是幫助工程師克服他們在設(shè)計(jì)符合高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的功能時(shí)通常遇到的障礙。

通過允許車輛識別危險(xiǎn)情況，77-GHz雷達(dá)系統(tǒng)可以防止事故并提高汽車安全性。它們用于檢測30至250米范圍內(nèi)的不同類型的障礙物，例如行人和其他車輛，即使在能見度很差的情況下也是如此。它們的巨大優(yōu)勢包括高精度和從短距離到長距離的出色可擴(kuò)展性。從設(shè)計(jì)的角度來看，缺點(diǎn)是它們的技術(shù)復(fù)雜性較高，盡管可以使用開發(fā)工具包來解決這一挑戰(zhàn)。雷達(dá)信息用于ADAS應(yīng)用，如自動緊急制動和自適應(yīng)巡航速度控制。STMicroelectronics的STRADA 770收發(fā)器覆蓋76至81 GHz的毫米波頻段，包括三個(gè)發(fā)射器、四個(gè)接收器和一個(gè)twitter調(diào)制器。

圖4：汽車?yán)走_(dá)解決方案（圖片：英飛凌科技）

英飛凌科技為車輛提供77 GHz雷達(dá)系統(tǒng)解決方案，減少了所需組件的數(shù)量（圖4）。雷達(dá)系統(tǒng)IC（RASIC）系列為76至77 GHz范圍的汽車?yán)走_(dá)提供高集成度。英飛凌的32位AURIX ADAS器件為雷達(dá)應(yīng)用提供專用功能集，在許多情況下無需添加DSP、SRAM和外部ADC。

微控制器和傳感器的改進(jìn)使ADAS的功能得以擴(kuò)展，如電子穩(wěn)定控制、后視攝像頭和基于視覺的行人檢測。更先進(jìn)的基于雷達(dá)的嵌入式解決方案提供安全功能，以補(bǔ)充汽車設(shè)計(jì)中的ADAS功能。新的雷達(dá)傳感器可用于實(shí)現(xiàn)具有成本效益的手勢識別解決方案。

作者：Maurizio Di Paolo Emilio (EE Times)