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成像雷達(dá)：一個(gè)傳感器控制所有傳感器

2019-08-23 16:05:29 德州儀器

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業(yè)界對(duì)三種主要傳感器（攝像頭、雷達(dá)和LIDAR）在汽車(chē)中的不同作用，以及它們各自如何滿足先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和自動(dòng)駕駛的感測(cè)需求仍然存在一些困惑。

最近，我和我的一個(gè)朋友進(jìn)行了一次有趣的討論，他知道我在研究用于ADAS系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛車(chē)輛（AVs）中雷達(dá)的TI毫米波（mmWave）傳感器。

每當(dāng)他讀到自動(dòng)駕駛汽車(chē)在不同駕駛環(huán)境下（比如障礙物檢測(cè)）運(yùn)行情況的文章時(shí)都會(huì)不失時(shí)機(jī)地取笑我。其中一次的對(duì)話如下：

Matt：“如果那輛車(chē)搭載有LIDAR的話，就能輕松識(shí)別出車(chē)道中間的物體。”

我：“我依然不同意這樣的看法。”

Matt：“什么？！你為什么不同意？那輛車(chē)上裝有一個(gè)攝像頭傳感器和一個(gè)雷達(dá)傳感器，但ADAS系統(tǒng)仍然完全未能感測(cè)到車(chē)道中間的那輛車(chē)。”

我：“當(dāng)讀到這些最近發(fā)生的事件時(shí)，你就會(huì)注意到如果攝像頭經(jīng)常暴露在刺眼的強(qiáng)光和其他因素之下，就會(huì)導(dǎo)致其看不到路上的物體。它們對(duì)高對(duì)比度的光線和能見(jiàn)度低的情況較為敏感，如大霧、雨雪天氣。在這種情況下，雷達(dá)傳感器可能確實(shí)識(shí)別了目標(biāo)。”

Matt：“盡管如此，我們?nèi)詴?huì)遇到這些ADAS和AV系統(tǒng)似乎很難應(yīng)對(duì)的不同情況。那么問(wèn)題到底出在什么地方呢？”

我：“ADAS的決策系統(tǒng)似乎依賴于作為主傳感器的攝像頭來(lái)判斷目標(biāo)是否真的存在，或者是否為假警報(bào)。”

Matt：“那么，車(chē)載雷達(dá)和攝像頭就不值得信任咯。所以只能將LIDAR作為唯一可靠的傳感器了。我說(shuō)的沒(méi)錯(cuò)吧？”

我：“不完全對(duì)。雖然LIDAR對(duì)能見(jiàn)度的敏感度不如攝像頭，但它對(duì)霧、雨、雪等天氣情況敏感。此外，LIDAR的成本還很高，可能導(dǎo)致其最初只能在相對(duì)高端的4級(jí)和5級(jí)自動(dòng)駕駛車(chē)輛上使用。”

Matt：“這就是了！沒(méi)有一種傳感器可以使自動(dòng)駕駛車(chē)輛真正可靠。我們必須將這三者結(jié)合使用，但這也意味著自動(dòng)駕駛車(chē)輛的價(jià)格會(huì)非常貴。”

我：“你只說(shuō)對(duì)了一部分。4級(jí)和5級(jí)自動(dòng)駕駛車(chē)輛可能需要攝像頭、LIDAR和雷達(dá)這三種傳感器來(lái)提供高可靠性和全自動(dòng)駕駛體驗(yàn)。但是，對(duì)于更多需要部分自動(dòng)駕駛且已經(jīng)開(kāi)始大規(guī)模量產(chǎn)的2級(jí)和3級(jí)經(jīng)濟(jì)型車(chē)輛來(lái)說(shuō)，使用TI毫米波傳感器的成像雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)高性能和成本效益，并能夠廣泛采用ADAS功能。”

那么，什么是成像雷達(dá)呢？

正如我向Matt解釋的那樣，成像雷達(dá)是雷達(dá)的一個(gè)子集，因其高角分辨率能夠提供清晰的圖像而得名。

成像雷達(dá)由一個(gè)傳感器配置啟用，其中多個(gè)低功率TI毫米波傳感器級(jí)聯(lián)在一起，且作為一個(gè)單元同步運(yùn)行。它具有多個(gè)接收和發(fā)射通道，能夠顯著提高角分辨率和雷達(dá)距離性能。當(dāng)毫米波傳感器級(jí)聯(lián)在一起時(shí)，可以使用集成移相器來(lái)創(chuàng)建波束賦形，從而達(dá)到400米的擴(kuò)展范圍。圖1顯示了評(píng)估模塊上的級(jí)聯(lián)毫米波傳感器及其天線。

圖1：一種具有四個(gè)級(jí)聯(lián)TI毫米波傳感器的成像雷達(dá)評(píng)估模塊

用于成像雷達(dá)的毫米波技術(shù)

典型的雷達(dá)傳感器直到最近才被視為車(chē)輛中的主傳感器，其主要原因在于角分辨率性能較為有限。

角分辨率是指在相同范圍內(nèi)和相同相對(duì)速度下區(qū)分物體的能力。

一個(gè)凸顯成像雷達(dá)傳感器優(yōu)勢(shì)的常見(jiàn)用途是能夠以高分辨率識(shí)別靜態(tài)物體。典型的毫米波傳感器具有高速度、高距離分辨率的性能，可以很輕松地識(shí)別和區(qū)分運(yùn)動(dòng)物體，但對(duì)靜態(tài)物體來(lái)說(shuō)，其識(shí)別能力卻非常有限。

例如，為了讓傳感器“看到”車(chē)道中間停下來(lái)的車(chē)輛并將其與燈桿或柵欄區(qū)分開(kāi)來(lái)，傳感器需要在仰角和方位角上都有一定的角分辨率。

圖2顯示了一輛被困在隧道中的車(chē)，車(chē)內(nèi)不斷冒煙。該車(chē)輛停在約100米遠(yuǎn)處，隧道高度為3米。

圖2：來(lái)車(chē)的前雷達(dá)需要足夠高的角分辨率來(lái)區(qū)分隧道和停止車(chē)輛。毫米波傳感器可以穿透任何能見(jiàn)度情況，比如煙。

圖3：毫米波傳感器如何利用多輸入多輸出（MIMO）雷達(dá)實(shí)現(xiàn)高仰角分辨率。

為了識(shí)別圖2所示隧道中的車(chē)輛，傳感器需要將其與隧道頂棚和壁區(qū)分開(kāi)來(lái)。

實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景分類需要利用這些仰角和方位角分辨率：

? (仰角) = 反正切 (2 m/100 m) = 1.14度

? (仰角) = 反正切 (3.5 m/100 m) = 2度

其中，2 m是隧道高度減去車(chē)輛高度的值，100 m是帶成像雷達(dá)的來(lái)車(chē)與停在隧道內(nèi)的車(chē)輛之間的距離，3.5 m是停在隧道內(nèi)的車(chē)輛與隧道壁之間的距離。

在某些天氣和能見(jiàn)度情況下，依賴于其它光學(xué)傳感器可能具有挑戰(zhàn)性。煙、霧、惡劣天氣以及明暗對(duì)比都是具有挑戰(zhàn)性的能見(jiàn)度情況，這些情況會(huì)抑制光學(xué)被動(dòng)和主動(dòng)傳感器，如攝像頭和LIDAR，從而導(dǎo)致這些傳感器可能無(wú)法識(shí)別目標(biāo)。然而，在惡劣的天氣和能見(jiàn)度情況下，TI毫米波傳感器仍能保持強(qiáng)勁的性能。

目前，成像雷達(dá)傳感器是唯一能在各種天氣和能見(jiàn)度情況下保持強(qiáng)勁性能的傳感器，其在方位角和仰角上都能達(dá)到1度的角分辨率（使用超分辨率算法計(jì)算數(shù)值時(shí)甚至更低）。

結(jié)論

采用TI毫米波傳感器的成像雷達(dá)具有很高的靈活性，能夠以非常高的分辨率感知和分類近場(chǎng)中的物體，同時(shí)能夠在400米以外的遠(yuǎn)場(chǎng)中跟蹤目標(biāo)。這種成本高效的高分辨率成像雷達(dá)系統(tǒng)能夠使2級(jí)和3級(jí)ADAS應(yīng)用以及高端4級(jí)和5級(jí)自動(dòng)駕駛車(chē)輛成為可能，并可用作車(chē)輛中的主傳感器。

關(guān)鍵詞：雷達(dá) 傳感器