77GHz毫米波雷達(dá)傳感器技術(shù)研究

崔春寬，何少斌，李東浩，王崇陽(yáng)，劉奎

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601）

前言

汽車主、被動(dòng)安全逐步成為法規(guī)要求項(xiàng)，主動(dòng)安全產(chǎn)品越來(lái)越受到消費(fèi)者關(guān)注，智能化、舒適性電氣功能越來(lái)越多的成為用戶期待的整車功能。智能輔助駕駛系統(tǒng)是當(dāng)前國(guó)家和行業(yè)層面重點(diǎn)發(fā)展的對(duì)象，國(guó)家已經(jīng)制定了相應(yīng)的發(fā)展戰(zhàn)略支持，并鼓勵(lì)各主機(jī)廠研究智能輔助駕駛技術(shù)。77GHz毫米波雷達(dá)作為實(shí)現(xiàn)汽車主動(dòng)安全主要的傳感器，將會(huì)被越來(lái)越多的應(yīng)用到整車上，是2025年實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵傳感器，通過(guò)77GHz毫米波雷達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)前碰撞預(yù)警、自動(dòng)緊急制動(dòng)、自適應(yīng)巡航功能，大大提高整車駕駛主、被動(dòng)安全性[1]。目前汽車行業(yè)內(nèi)開發(fā)的基于77GHz毫米波雷達(dá)的防撞預(yù)警、自適應(yīng)巡航功能的車型越來(lái)越多，且有很多車型已量產(chǎn)，如新高爾夫、博瑞等車型。

1 毫米波雷達(dá)系統(tǒng)工作原理

毫米波雷達(dá)通過(guò)微帶陣列天線向外發(fā)射毫米波（調(diào)頻連續(xù)波），接收目標(biāo)反射信號(hào)，處理后獲取汽車車身周圍的物理環(huán)境信息（如汽車與其他物體之間的相對(duì)距離、相對(duì)速度、方位角度等），然后根據(jù)所探知的物體信息進(jìn)行識(shí)別和目標(biāo)追蹤，進(jìn)而結(jié)合車身動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。經(jīng)合理決策后，以聲、光及觸覺等多種方式警告駕駛員，或及時(shí)對(duì)汽車做出主動(dòng)干預(yù)，減少事故發(fā)生幾率[2]。工作原理圖如圖1所示。

圖1 毫米波雷達(dá)系統(tǒng)工作原理圖

1.1 毫米波雷達(dá)測(cè)距、測(cè)速原理

毫米波雷達(dá)通過(guò)天線向外發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波（三角波），接收目標(biāo)反射信號(hào)，與本頻發(fā)射頻率混頻出中頻信號(hào)IF，對(duì)中頻信號(hào)IF處理，從而獲得目標(biāo)距離和速度信息。反射波與發(fā)射波形狀相同：存在一個(gè)時(shí)間差△t，還包括一個(gè)多普勒頻移fd。雷達(dá)發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)如圖 2所示，雷達(dá)識(shí)別的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與靜止目標(biāo)的反射信號(hào)如圖3所示。

根據(jù)距離公式，求出相距目標(biāo)的距離：

根據(jù)多普勒原理，求出相對(duì)目標(biāo)的相對(duì)速度：

圖2 雷達(dá)發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)

圖3 雷達(dá)識(shí)別的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與靜止目標(biāo)的反射信號(hào)

1.2 毫米波雷達(dá)測(cè)角原理

角度測(cè)量是探測(cè)“目標(biāo)與天線中心線的連線”與法線的夾角，用于目標(biāo)定位，從而獲得目標(biāo)與本車位置信息。天線一般需設(shè)置為一發(fā)兩收，采用比相法來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)角功能。毫米波雷達(dá)測(cè)角原理圖如圖4所示。其中接收天線之間相隔距離為 d，造成回波信號(hào)一前一后的到達(dá)接收天線，導(dǎo)致兩根天線同時(shí)接收到的信號(hào)在相位上相差一個(gè)Δφ，θ為待測(cè)角度，經(jīng)計(jì)算得出：

圖4 毫米波雷達(dá)測(cè)角原理圖

2 毫米波雷達(dá)的硬件介紹

整個(gè)汽車行業(yè)采用的 77GHz毫米波汽車?yán)走_(dá)技術(shù)方案是多種多樣的，其核心射頻芯片主要來(lái)源英飛凌、恩智浦/飛思卡爾、意法等公司。其中英飛凌采用多芯片射頻系統(tǒng)的毫米波雷達(dá)技術(shù)，收發(fā)通道為 2T/4R，系統(tǒng)特點(diǎn)為：2發(fā) 4收，發(fā)射模塊、接收模塊分離，集成度較高，采用該方案來(lái)設(shè)計(jì)77GHz射頻前端電路具有一定的靈活性，但由于涉及到較多的控制電路設(shè)計(jì)，后期的調(diào)試工作量較大，目前未對(duì)國(guó)內(nèi)開放。飛思卡爾采用多芯片射頻系統(tǒng)的毫米波雷達(dá)技術(shù)，收發(fā)通道為2T/3R，系統(tǒng)特點(diǎn)為：2發(fā)3收，發(fā)射模塊、接收模塊分離，集成度較高，采用該方案來(lái)設(shè)計(jì)77GHz射頻前端電路具有一定的靈活性，但由于涉及到比較多的控制電路設(shè)計(jì)，后期的調(diào)試工作量也較大。意法采用單芯片射頻系統(tǒng)的毫米波雷達(dá)技術(shù)，收發(fā)通道為 3T/4R，系統(tǒng)特點(diǎn)：3發(fā) 4收，發(fā)射模塊、接收等模塊集成設(shè)計(jì)，輔以MCU等部分電路可構(gòu)建雷達(dá)系統(tǒng)，集成度高，采用該方案來(lái)設(shè)計(jì) 77GHz射頻前端電路內(nèi)部配置靈活，由于涉及到的控制電路少，后期的調(diào)試工作量較少、成本低，目前也已對(duì)國(guó)內(nèi)開放。

通過(guò)以上的對(duì)比分析可以看出，77GHz毫米波雷達(dá)開發(fā)及應(yīng)用主要取決于前端射頻芯片性能，高頻段多芯片方案導(dǎo)致設(shè)計(jì)、調(diào)試復(fù)雜，開發(fā)難度較大。目前意法 ST集成芯片為核心的架構(gòu)進(jìn)行77Ghz毫米波雷達(dá)開發(fā)，具有集成度高、通道多、性能好以及技術(shù)開放程度高，有利于快速開發(fā)。

3 毫米波雷達(dá)的軟件架構(gòu)

毫米波雷達(dá)通過(guò)整車的 CAN網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與整車的通信和控制。毫米波雷達(dá)通過(guò)接收反射回來(lái)的雷達(dá)波進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將回波信號(hào)進(jìn)行識(shí)別與處理，經(jīng)過(guò)內(nèi)部軟件算法運(yùn)算，識(shí)別前方目標(biāo)，根據(jù)車輛當(dāng)前的行駛狀況，毫米波雷達(dá)控制器得出相應(yīng)的決策，進(jìn)而控制儀表作出相關(guān)顯示，以及控制車輛完成加速或制動(dòng)等操作[3]。毫米波雷達(dá)的軟件架構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 毫米波雷達(dá)的軟件架構(gòu)圖

3.1 毫米波雷達(dá)的目標(biāo)識(shí)別

毫米波雷達(dá)的目標(biāo)識(shí)別基本原理是：利用雷達(dá)回波中的幅度、相位、頻譜和極化等目標(biāo)特征信息，通過(guò)數(shù)學(xué)上的各種多維空間變換來(lái)估算目標(biāo)的大小、形狀等物理特性參數(shù)，最后根據(jù)大量訓(xùn)練樣本所確定的鑒別函數(shù)，在分類器中進(jìn)行識(shí)別判決，內(nèi)容包括目標(biāo)識(shí)別預(yù)處理、特征信號(hào)提取、特征空間變換、模式分類器及樣本學(xué)習(xí)等模塊。其中特征信號(hào)提取是指毫米波雷達(dá)采集提取其發(fā)射的電磁波與目標(biāo)相互作用產(chǎn)生的各種信息，包括：RCS（雷達(dá)散射截面積）以及其他特征參數(shù)，常用的特征參數(shù)有目標(biāo)的結(jié)構(gòu)外形特征、目標(biāo)的動(dòng)態(tài)特征和回波波形特征等；而特征空間變換的目的為：改變?cè)紨?shù)據(jù)分布結(jié)構(gòu)、壓縮特征空間的維數(shù)（降低）、去除冗余特征，常用的特征變換技術(shù)：K-L變換（去冗余）和Walsh變換（降維）等。毫米波雷達(dá)的目標(biāo)識(shí)別原理圖如圖6所示。

圖6 毫米波雷達(dá)的目標(biāo)識(shí)別原理圖

毫米波雷達(dá)的目標(biāo)識(shí)別的方法有兩種：基于模板的方法和基于模型的方法?；谀０宓姆椒ㄊ侵福汉撩撞ɡ走_(dá)直接從目標(biāo)回波中提取有直觀物理意義的特征或目標(biāo)圖像作為模板，通過(guò)實(shí)測(cè)模板與模板庫(kù)的比較進(jìn)行分類；基于模型的方法是指：在大量訓(xùn)練樣本的基礎(chǔ)上，建立目標(biāo)回波或圖像的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)比較實(shí)測(cè)回波特征與模型預(yù)測(cè)特征進(jìn)行分類。

3.2 毫米波雷達(dá)的目標(biāo)跟蹤

目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)有目標(biāo)信息預(yù)處理、目標(biāo)跟蹤處理、目標(biāo)濾波處理等模塊組成。其中目標(biāo)信息預(yù)處理主要包括目標(biāo)回波的處理、目標(biāo)檢測(cè)、點(diǎn)跡凝聚、參數(shù)計(jì)算等，相關(guān)定義如下。

①回波處理：主要包括回波的解調(diào)、信號(hào)的FFT變換等；

②目標(biāo)檢測(cè)：目標(biāo)的門限檢測(cè)、虛警率控制處理；

③點(diǎn)跡凝聚：主要對(duì)多個(gè)回波信號(hào)進(jìn)行重心、質(zhì)心等計(jì)算，估算目標(biāo)位置；

④參數(shù)計(jì)算：通過(guò)各種處理模型算法計(jì)算出目標(biāo)的位置及運(yùn)動(dòng)參數(shù)信息。

目標(biāo)跟蹤處理及濾波主要包括目標(biāo)預(yù)測(cè)、目標(biāo)相關(guān)、目標(biāo)濾波等。目標(biāo)預(yù)測(cè)是指根據(jù)前一時(shí)刻的值預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)；目標(biāo)相關(guān)是指預(yù)測(cè)信息與存在目標(biāo)信息的關(guān)聯(lián)度判斷參數(shù)計(jì)算（距離、速度、方位等）；目標(biāo)濾波是指根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正，主要濾波函數(shù)為Kalman濾波。

4 毫米波雷達(dá)的實(shí)車匹配

毫米波雷達(dá)在整車上布置有較高的要求，只有滿足相關(guān)的布置要求，毫米波雷達(dá)的功能和性能才能得到更好的保障，表1列舉出了毫米波雷達(dá)的布置要求。

表1 毫米波雷達(dá)的布置要求

滿足毫米波雷達(dá)的整車安裝布置只是其實(shí)現(xiàn)功能的最基本要求，為確保毫米波雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛的自動(dòng)緊急制動(dòng)或自適應(yīng)巡航等功能，還需要毫米波雷達(dá)與整車完成相關(guān)的信號(hào)通信。其中毫米波雷達(dá)需求的整車信號(hào)包含：輪速信號(hào)、橫擺角速度信號(hào)、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)、轉(zhuǎn)向盤角速度信號(hào)、ABS/TCS/VDC狀態(tài)信號(hào)、油門踏板信號(hào)等[4]。

為實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)緊急制動(dòng)或自適應(yīng)巡航等功能，除了需要安裝毫米波雷達(dá)來(lái)為車輛提供顯示及控制信號(hào)，還需要整車其他相關(guān)零部件滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)要求。

整車硬件結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)要求包含：第一，滿足基于自適應(yīng)巡航系統(tǒng)、自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)ESP（車身穩(wěn)定系統(tǒng)）在壽命、制動(dòng)壓力建壓速度和噪音等要求，①ESP馬達(dá)低頻控制的ECU硬件需要升級(jí)為中頻控制的ECU，②ESP需要更換半填充設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的常開閥過(guò)濾器、硬度更高的常開閥底座等硬件；第二，增加自適應(yīng)巡航功能操作硬件控制開關(guān)；第三，對(duì)車輛前保險(xiǎn)杠造型作設(shè)計(jì)變動(dòng)。

整車軟件方面的設(shè)計(jì)要求包含：第一，需要 ESP提供車輪轉(zhuǎn)速、橫擺角速度、制動(dòng)壓力等信號(hào)給毫米波雷達(dá)；第二，需要 EMS（發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元）提供發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和油門踏板位置信號(hào)等，且必須滿足根據(jù)毫米波雷達(dá)指令及時(shí)響應(yīng)扭矩請(qǐng)求的要求；第三，需要 TCU（變速箱控制單元）提供檔位信息；第四，需要儀表增加自適應(yīng)巡航系統(tǒng)、自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)工作指示燈和報(bào)警指示燈，增加相關(guān)系統(tǒng)所需的顯示信息，第五，在導(dǎo)航上設(shè)置相關(guān)功能的設(shè)置軟開關(guān)。

5 總結(jié)

針對(duì)77GHz毫米波雷達(dá)廣闊運(yùn)用，分析了其工作原理，得出毫米波雷達(dá)測(cè)距、測(cè)速、測(cè)角度的具體計(jì)算方法。通過(guò)對(duì)毫米波雷達(dá)的芯片選擇對(duì)比，得出意法 ST集成芯片在毫米波雷達(dá)上有著更開放的技術(shù)運(yùn)用。對(duì)于毫米波雷達(dá)的軟件架構(gòu)的研究，說(shuō)明了毫米波雷達(dá)的目標(biāo)識(shí)別與目標(biāo)跟蹤的原理。最終通過(guò)介紹毫米波雷達(dá)的實(shí)車匹配，為其實(shí)現(xiàn)車輛主動(dòng)安全系列功能提供了設(shè)計(jì)思路。

[1] 黃文奎.毫米波汽車防撞雷達(dá)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D],中國(guó)科學(xué)院研究生院,2006.

[2] 徐濤.毫米波汽車防撞雷達(dá)實(shí)用化研究[D],中國(guó)科學(xué)院研究生院,2006.

[3] 丁海風(fēng).汽車主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)雷達(dá)信號(hào)處理研究[D],吉林大學(xué),2013.

[4] 王景武,金立生.車輛自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展[J],汽車技術(shù),2004.07.