安富利推出4D毫米波雷達(dá)評估套件

最近網(wǎng)上特別火的測試自適應(yīng)巡航ACC功能視頻中，測試場景是強(qiáng)逆光加飛雪，強(qiáng)逆光環(huán)境下攝像頭基本是癱瘓的，而面對飛雪激光雷達(dá)也難以發(fā)揮作用，結(jié)果可想而知，大部分只依賴攝像頭和激光雷達(dá)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(dá)可以可靠工作，所以毫米波雷達(dá)是攝像頭和激光雷達(dá)的有益補(bǔ)充，甚至在安全方面毫米波雷達(dá)是最后的底線。

4D毫米波雷達(dá)，也被稱為4D成像毫米波雷達(dá)，4D指代的是距離（Range）、速度（Velocity）、水平角度（Azimuth）和俯仰角度（Elevation）四個(gè)維度。相比于攝像頭和激光雷達(dá)來講，毫米波雷達(dá)具有較強(qiáng)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(dá)不受光照條件限制，可以在白天、夜晚以及強(qiáng)逆光和無光環(huán)境下正常工作，全天候性能較好。在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，毫米波雷達(dá)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，成本低也是毫米波雷達(dá)相對于激光雷達(dá)優(yōu)勢。

安富利毫米波雷達(dá)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(gè)水平天線，天線間隔半個(gè)波長。垂直采用稀疏布局等效孔徑4*lambda/2，即4個(gè)接收天線，間距半個(gè)波長。安富利雷達(dá)評估套件外觀如Figure 1所示。

Figure 1 安富利6T8R毫米波雷達(dá)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(gè)發(fā)射通道和4個(gè)接收通道，發(fā)射鏈路支持BPSK和QPSK調(diào)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(nèi)部集成SAR ADC直接采樣頻率為80MSPS，經(jīng)過PDC，2倍抽取后最高支持40MSPS。

S32R41，內(nèi)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(dá)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(xué)運(yùn)算)，HIST(柱狀圖統(tǒng)計(jì))，SORT(排序)等。也就是說在S32R41中，基礎(chǔ)雷達(dá)信號處理都用硬件加速器實(shí)現(xiàn)的，速度快，功耗低。針對4D毫米波雷達(dá)中其他的數(shù)字信號處理，比如矩陣運(yùn)算，矩陣求逆，矩陣分解的向量運(yùn)算，S32R41中集成了Cadence BBE32 600MHz DSP，支持浮點(diǎn)數(shù)向量運(yùn)算（VFPU）。

天線校準(zhǔn)

毫米波雷達(dá)接收天線之間耦合嚴(yán)重，如果未經(jīng)校準(zhǔn)，很難對入射角度進(jìn)行精準(zhǔn)測量，甚至未經(jīng)校準(zhǔn)的接收天線在角度分析時(shí)，會引入虛假目標(biāo)，大大降低雷達(dá)的可靠性。針對雷達(dá)校準(zhǔn)，我們開發(fā)了一套雷達(dá)校準(zhǔn)算法，校準(zhǔn)效果如Figure 2天線校準(zhǔn)視頻所示。

在天線校準(zhǔn)視頻中，我們可以看到，對未經(jīng)校準(zhǔn)的接收天線接收數(shù)據(jù)運(yùn)行FFT，會有很多旁瓣，并且旁瓣較高，而實(shí)際的場景是我們是在空曠場景中對單一角反射器進(jìn)行測試，空間只有一個(gè)目標(biāo)，所以這些都是天線之間耦合的結(jié)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?dāng)_等。經(jīng)過我們的天線校準(zhǔn)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(biāo)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(shí)也為了方便算法工程師快速的開發(fā)驗(yàn)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(jìn)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(jīng)由UDP后送到PC，在PC端通過Python對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

Figure 3 雷達(dá)Python開發(fā)環(huán)境

孔徑外推技術(shù)

雷達(dá)目標(biāo)的角度探測精度，取決于雷達(dá)接收孔徑的大小，通過芯片級聯(lián)以及TD-MIMO或者DD-MIMO技術(shù)可以對接收孔徑進(jìn)行擴(kuò)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(kuò)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(kuò)展孔徑外，本作者開發(fā)了一種孔徑外推技術(shù)，利用Burg以及Marple等時(shí)穩(wěn)信號處理算法，對接收孔徑進(jìn)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(shè)有三個(gè)目標(biāo)，三個(gè)目標(biāo)的角度分別在角度FFT的index的坐標(biāo)位（5，6，7），因?yàn)槟繕?biāo)距離太近，常規(guī)算法無論是32點(diǎn)補(bǔ)零，還是稀疏內(nèi)插零，都無法分辨目標(biāo)數(shù)量，三個(gè)目標(biāo)將被當(dāng)成一個(gè)目標(biāo)，如圖中藍(lán)色線所示。通過孔徑外推算法后，結(jié)果如圖中橙色線所示，可以準(zhǔn)確區(qū)分我們設(shè)定的三個(gè)目標(biāo)。

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(shè)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(shí)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(shè)置，設(shè)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(gè)chirp的起始頻率相對于前一個(gè)chirp的起始頻率都有一個(gè)提高（或者降低，取決有chirp方向）。這種波形設(shè)計(jì)的好處是，單個(gè)chirp掃頻時(shí)間短，因此在做doppler運(yùn)算的時(shí)候，無模糊上線速度更高，同時(shí)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(shí)由于每個(gè)chirp的占據(jù)帶寬是不同的，也在一定程度上有避免雷達(dá)被干擾的作用。

Figure 5 起始頻率慢飄移

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