汽車電子自動(dòng)化推動(dòng)了交通領(lǐng)域的下一次創(chuàng)新飛躍，其基本前提是：在汽車應(yīng)用中，車輛必須能夠準(zhǔn)確地感知周圍環(huán)境。

事實(shí)上，汽車不僅必須準(zhǔn)確感知自身的距離、速度和方向，還必須準(zhǔn)確感知可能穿過(guò)其路徑的任何物體的距離、速度和方向。雷達(dá)是收集這些數(shù)據(jù)的最佳方式，這些汽車系統(tǒng)必須成功地解讀數(shù)據(jù)才能做出生死攸關(guān)的決定。

雷達(dá)的工作原理

為了確定附近是否有可能影響汽車的物體，汽車系統(tǒng)必須確定物體的方向或到達(dá)角 (AoA)、速度和距離，以及檢測(cè)到的物體是真實(shí)的還是來(lái)自背景中的噪音或雜亂。圖 1 顯示了如何收集雷達(dá)數(shù)據(jù)。

圖 1：雷達(dá)系統(tǒng)框圖。

生成數(shù)字發(fā)射信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為模擬格式和發(fā)射信號(hào) (TX)。

這些信號(hào)從發(fā)射天線釋放到環(huán)境中。

信號(hào)“反彈”或反射回接收器 (RX)，并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 轉(zhuǎn)換回?cái)?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

然后數(shù)據(jù)由數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 處理，以根據(jù)該數(shù)據(jù)做出決策。

DSP：判斷是否停止

影響 DSP 執(zhí)行決策過(guò)程的值包括三個(gè)主要因素，如圖2所示：

方向：在處理流程中，來(lái)自輸入數(shù)據(jù)立方體的樣本使用空間波束形成濾波器進(jìn)行過(guò)濾，以創(chuàng)建數(shù)字波束，作為數(shù)字波束形成 (DBF) 模塊的一部分。

速度和距離：這些波束通過(guò)二維快速傅里葉變換 (FFT) 算法沿距離和多普勒軸進(jìn)行進(jìn)一步處理。

CFAR：恒定誤報(bào)率或 CFAR，作為“過(guò)濾器”來(lái)確定檢測(cè)到的對(duì)象是否可能是真實(shí)對(duì)象或背景“噪聲”的一部分。

圖 2：DSP 框圖和流程。

為了實(shí)現(xiàn)高效，處理器必須同時(shí)執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸。軟件的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量減少數(shù)據(jù)傳輸，并且直接內(nèi)存訪問(wèn) (DMA) 應(yīng)用于與模塊計(jì)算同時(shí)執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸。 ?

A. 定向波束成形

DBF 內(nèi)核沿?cái)?shù)據(jù)立方體中的通道維度執(zhí)行有限脈沖響應(yīng) (FIR) 濾波。FIR 濾波器的長(zhǎng)度等于天線單元的數(shù)量（在這種情況下為 8 個(gè)），并且預(yù)先選擇 FIR 抽頭以傳遞來(lái)自以特定預(yù)定空間方向?yàn)?a target="_blank">中心的波束的信號(hào)并抑制來(lái)自其他方向。

在實(shí)踐中，DBF 將數(shù)據(jù)立方體處理為輸入，并產(chǎn)生距離多普勒 2D 信號(hào)作為輸出光束。不同組的 FIR 抽頭可用于使用相同的數(shù)據(jù)立方體生成多個(gè)光束信號(hào)。在此示例中，使用單獨(dú)的 FIR 抽頭組沿不同方向生成五個(gè)光束。

B. 速度和距離的多普勒和距離 FFT

雷達(dá)使用距離多普勒維度的二維頻域頻譜進(jìn)行處理。該頻譜是通過(guò)執(zhí)行 2D FFT — 沿距離維度執(zhí)行 1D FFT，然后沿多普勒維度執(zhí)行 1D FFT — 并因此形成圖 2中所示的立方體而獲得的。

二維距離多普勒 FFT 內(nèi)核用于將 DBF 內(nèi)核產(chǎn)生的五個(gè)二維波束信號(hào)中的每一個(gè)轉(zhuǎn)換為二維頻域頻譜。加窗 2D FFT 用于分離信號(hào)，范圍 FFT 沿距離維度，然后是多普勒 FFT，沿多普勒維度。每個(gè)一維 FFT 還使用一個(gè)漢明窗。

范圍 FFT 計(jì)算為一維 FFT，而多普勒 FFT 執(zhí)行為基于塊的 FFT，以避免轉(zhuǎn)置輸入和輸出。FFT 算法基于基于 Kronecker 乘積的形式化。在最后階段，多普勒 FFT 內(nèi)核計(jì)算每個(gè) bin 的逐點(diǎn)能量。

C. 用于目標(biāo)檢測(cè)的 CFAR

CFAR 的作用是確定閾值，超過(guò)該閾值的任何回報(bào)都可以被認(rèn)為可能來(lái)自目標(biāo)。如果此閾值太低，則會(huì)檢測(cè)到更多目標(biāo)，但會(huì)增加誤報(bào)數(shù)量。

相反，如果閾值過(guò)高，則檢測(cè)到的目標(biāo)較少，但誤報(bào)的數(shù)量也較低。在大多數(shù)雷達(dá)探測(cè)器中，這個(gè)閾值是通過(guò)算法確定的，以計(jì)算誤報(bào)的概率——或者等效地，誤報(bào)率或誤報(bào)之間的時(shí)間。

CFAR 內(nèi)核對(duì)頻域中的 2D 能量信號(hào)進(jìn)行操作，通過(guò)將每個(gè) CUT 與縮放估計(jì)值進(jìn)行比較，將 2D FFT 能量信號(hào)中的每個(gè) bin 或被測(cè)單元 (CUT) 分類為目標(biāo)（正）或噪聲/雜波噪音和混亂。使用的比例因子和閾值由誤報(bào)概率或 CFAR 確定。

圖 3：顯示陽(yáng)性結(jié)果和檢測(cè)超過(guò)閾值的 CFAR 圖。

在圖 3中，調(diào)制良好的 CFAR 是閾值，“正”是檢測(cè)超過(guò)閾值的地方。換句話說(shuō)，為了確定目標(biāo)，將 CUT 的值與 CFAR 進(jìn)行比較——計(jì)算閾值以確定 CUT 周圍的本底噪聲水平。

CFAR 是通過(guò)檢查 CUT 周圍的一個(gè)單元塊來(lái)計(jì)算的（圖 4）。為了避免使用來(lái)自 CUT 本身的值破壞該估計(jì)，通常會(huì)忽略與 CUT 相鄰的單元或保護(hù)單元。如果目標(biāo)的值大于其所有相鄰單元格（CFAR 或噪聲和雜波閾值），則聲明目標(biāo)存在于 CUT 中。

圖 4：CFAR 塊處理。

CFAR 內(nèi)核的區(qū)別在于如何使用訓(xùn)練單元形成噪聲估計(jì)。例如，單元平均恒定誤報(bào)率（CA-CFAR）噪聲估計(jì)是通過(guò)對(duì)訓(xùn)練區(qū)域中的單元的值進(jìn)行平均來(lái)形成的，而有序統(tǒng)計(jì)恒定誤報(bào)率（OS-CFAR）噪聲估計(jì)是由以降序?qū)τ?xùn)練區(qū)域的單元格值進(jìn)行排序，并使用第 N個(gè) 排序值。

也可以使用 CA-CFAR 和 OS-CFAR 的組合。AND CFAR 組合對(duì)每個(gè) CUT 的 CA-CFAR 和 OS-CFAR 的分類結(jié)果執(zhí)行邏輯 AND，而 OR CFAR 組合執(zhí)行邏輯 OR。

DSP：決策者

在計(jì)算出方向、速度、距離和 CFAR 后，DSP 將能夠確定孩子從操場(chǎng)扔到迎面而來(lái)的汽車的路徑中的球是否可能會(huì)在當(dāng)前軌跡上攔截車輛，以及是否必須采取規(guī)避措施。換句話說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)將有助于使整個(gè)車輛對(duì)每個(gè)人都更安全。

　　審核編輯：湯梓紅