為什么是雷達(dá)?
對(duì)ADAS的大部分討論都集中在使用可見波長攝像機(jī)的被動(dòng)視覺系統(tǒng)上。而Freescale半導(dǎo)體公司的雷達(dá)系統(tǒng)工程師Ralf Reuter很有說服力的論證了77-GHz雷達(dá)的作用。Reuter在一次最近的訪談中談?wù)摰剑?ldquo;重要的一點(diǎn)是,[ADAS傳感技術(shù)]只有雷達(dá)是與天氣 無關(guān)的。而攝像機(jī)在識(shí)別目標(biāo)上有優(yōu)勢,雷達(dá)更善于探測物體,測量其速度。”Reuter解釋到,出于這些原因,很多重視探測和風(fēng)險(xiǎn)分類評(píng)估的早期系統(tǒng)會(huì)選 擇雷達(dá)。他指出:“在歐洲,對(duì)卡車緊急剎車系統(tǒng)有很大的需求。它是基于雷達(dá)的。”
雷達(dá)系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)一個(gè)簡單的中距離系統(tǒng),向前直視整條道路。但是,很快會(huì)發(fā)展到多傳感器系統(tǒng),同時(shí)包括長距離前視和短距離360度危險(xiǎn)評(píng)估功能,如圖1所示。
雖然光學(xué)視覺系統(tǒng)非常成熟了,而雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)勢會(huì)使其更加完善。Reuter預(yù)測,在不久的將來,具有目標(biāo)識(shí)別的多攝像機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)能夠融合視頻和雷達(dá)數(shù)據(jù),對(duì)周圍的世界建立動(dòng)態(tài)模型。
采集信號(hào)
理解雷達(dá)對(duì)汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響是從理解傳感器開始的。大部分汽車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)都愿意使用24或者77-GHz自由頻段。發(fā)送器一般是頻率調(diào)制的連續(xù)波(FMCW)設(shè)計(jì),它發(fā)出“啁啾”:在頻域的快速變化,如圖2所示。
Reuter 解釋說:“FMCW最大的優(yōu)勢是簡化了對(duì)反射信號(hào)的理解。您可以從反射頻率中直接讀取目標(biāo)范圍,從多普勒頻移中得出速度。與脈沖調(diào)制方案相比,產(chǎn)生CW不 太復(fù)雜,理解起來也很容易,很可靠。這是車輛廠商最關(guān)心的問題,他們覺得花在改進(jìn)ADAS上的每一個(gè)歐元都直接來自企業(yè)利潤。
接收信號(hào)也需要低成本新穎的設(shè)計(jì)。通過采集方位信息來收集反射信號(hào)需要機(jī)械掃描天線或者相控陣天線,并且結(jié)合了數(shù)字聚束算法。天線后面一般是具有很多通道的零差接收機(jī),這是天線設(shè)計(jì)所需要的——用于簡單旋轉(zhuǎn)天線,一個(gè)陣列有16個(gè)。
Reuter說:“接收機(jī)輸出是DC-20-MHz頻帶的基帶信號(hào)。”設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具有良好方位角分辨率的系統(tǒng)會(huì)有8至16個(gè)通道,需要8至16個(gè)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。
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從啁啾中提取信息
來自每一通道的數(shù)字基帶信號(hào)流入到快速傅里葉變換(FFT)模塊中,實(shí)現(xiàn)長度高達(dá)2K采樣的變換。Reuter說:“過去,執(zhí)行FFT意味著需要很多 FPGA。今天,發(fā)展趨勢是集成了浮點(diǎn)DSP加速器的32位微控制器。”聚束系統(tǒng)可以使用兩塊FFT從信號(hào)中提取出范圍和速度數(shù)據(jù),如圖3所示。
實(shí)際上,這一前端處理單元處理輸入的多個(gè)FMCW模擬通道,形成方位角/范圍/速度數(shù)組的數(shù)字碼流。這一數(shù)據(jù)流進(jìn)入到一個(gè)或者多個(gè)CPU內(nèi)核中,由其他加速器所支持的軟件會(huì)推斷出在車輛周圍是否有物體出現(xiàn),物體的位置以及屬性。
Reuter解釋說:“您需要識(shí)別出目標(biāo),把它們從背景中分離出來,選擇最關(guān)鍵的一個(gè)。您可能需要處理200個(gè)目標(biāo),因此,計(jì)算會(huì)非常復(fù)雜,特別是提取出角度信息。”
系統(tǒng)的物理配置也越來越復(fù)雜。Reuter說,目前傳感器本身的處理工作很少。相反,ADC有專用模擬接口,信號(hào)處理硬件的專用數(shù)字接口用于FFT,微控制 器還有其他的接口來提取出目標(biāo),并對(duì)其進(jìn)行分類。目標(biāo)信息被輸入到車輛控制區(qū)域網(wǎng)(CAN)或者FlexRay總線上,中央CPU集群對(duì)其進(jìn)行解釋和分析。
整條流水線都有很大的帶寬和延時(shí)要求。Reuter說,CPU對(duì)數(shù)據(jù)的解釋一般以圖形顯示的方式呈現(xiàn)給司機(jī),即,他通過擋風(fēng)玻璃能夠觀 察到的前端多功能顯示屏。這種混合顯示要求最多不能超過50-ms的更新間隔,以及更具挑戰(zhàn)性的50-ms最大延時(shí)。否則,圖像會(huì)很不平穩(wěn),通過擋風(fēng)玻璃 的圖像會(huì)有滯后,可能導(dǎo)致司機(jī)誤判。
隨著系統(tǒng)從一個(gè)傳感器發(fā)展到支持聚束功能的多個(gè)傳感器,以實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)數(shù)據(jù)融合,互聯(lián)體系結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化。Reuter說:“有使用以太網(wǎng)來降低成本的需求。”但是,系統(tǒng)仍然要求實(shí)時(shí)工作,帶來了怎樣保證以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性的問題。
到處都是干擾的未來
只要周圍沒有人使用雷達(dá),車載雷達(dá)一般都比較可靠。但是,這有很明顯的問題:越來越多的車輛使用了雷達(dá),因此,設(shè)備之間不可避免的會(huì)出現(xiàn)干擾。Reuter 說,您可以改變調(diào)制速率以減小干擾,最終,采用編碼跳頻碼型來替代簡單的頻率變化,因此,每一輛車都能夠識(shí)別出自己的啁啾。這種變化能夠保持早期系統(tǒng)的體 系結(jié)構(gòu)以及大部分硬件不變,但是要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的提取和分析功能,則要求每一系統(tǒng)能夠識(shí)別出來自其天線的反射信號(hào)。
而且,還有一類不容易解決的問題:固定設(shè)備所產(chǎn)生的干擾。Reuter提醒說:“馬上帶來的問題是,歐洲的隧道使用大功率雷達(dá)來識(shí)別車輛。他們的發(fā)射器會(huì)導(dǎo)致車載雷達(dá)無法工作。”
一個(gè)更科學(xué)化的敏感問題是,天文物體輻射頻譜的關(guān)鍵部分位于77-GHz頻帶。在人口密集區(qū),越來越多的車載雷達(dá)會(huì)強(qiáng)烈干擾天文射頻信號(hào)。
Reuter提醒說:“在日本已經(jīng)出現(xiàn)了要求關(guān)掉射頻天文望遠(yuǎn)鏡1,000公里范圍內(nèi)發(fā)射器的法規(guī)。這有可能覆蓋整個(gè)國家。”
啁啾調(diào)制器、數(shù)字聚束、目標(biāo)識(shí)別、危險(xiǎn)評(píng)估、防護(hù)跳頻、干擾等——這些聽起來都像是新型作戰(zhàn)飛機(jī)的情形,而不是貨車和轎車。實(shí)際上,ADAS繼承了軍事系統(tǒng)的很多技術(shù)。這并不奇怪,當(dāng)天氣越來越糟,車越來越堵時(shí),這的確像是一場戰(zhàn)爭。
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