大陆ARS540长距离毫米波雷达收发器技术解析
【大陆ARS540长距离毫米波雷达收发器技术解析】 近年来 ， 自动驾驶成为了当下最热门的话题 。随着自动驾驶技术的发展 ， 作为其关键传感器之一的毫米波雷达 ， 也得到了广泛关注 。但就目前来看 ， 海外巨头公司主导着全球毫米波雷达产业的发展 ， 其中 ， 大陆ARS540更以九项领先的绝对优势领跑全球毫米波雷达技术 。
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图为：大陆ARS540 首先 ， ARS540是分辨率最高的毫米波雷达 ， 地平经度Azimuth或者说水平分辨率达1.2° ， 绝大多数毫米波雷达水平分辨率只有5° ， ARS540是普通毫米波雷达水平分辨率的5倍 。其次 ， ARS540是具备能够真正测量目标高度的毫米波雷达 ， 也就是其垂直分辨率Elevation较高 ， 达到了2.3° 。
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图为：ARS540的高度测量 第三 ， ARS540有效距离在水平视场角（FOV）在100°情况下高达300米 ， 其他毫米波雷达有效距离可达250米 ， 但FOV会缩到只有8-10° ， 远低于ARS540的100° 。第四 ， ARS540是能够输出图像的毫米波雷达 ， 大陆汽车称之为Rdar Detection Image Output RDI ， 效果直逼8线激光雷达 。第五 ， ARS540使用微多普勒技术 ， 是可以检测道路弱势群体使用者VRU（如老年人和儿童）的毫米波雷达 。第六 ， ARS540是使用SAR合成孔径技术提高近距离分辨率的毫米波雷达 ， 在10米范围内 ， ARS540可以使用SAR技术提高角分辨率 。第七 ， ARS540是不过滤静态目标的毫米波雷达 。目前 ， 绝大多数毫米波雷达为降低误报率 ， 会过滤掉静态目标 ， ARS540具备超高分辨率 ， 同时能检测物体高度 ， 误报率大幅降低 ， 所以保留了静态目标 。第八 ， ARS540是具备复杂交通场景下轨迹跟踪与预测的毫米波雷达 。第九 ， ARS540可以探测到隐藏的车辆 。ARS540探测到隐藏车辆的几率从上一代最先进产品ARS430的40% ， 提升至80% ， 而大部分毫米波雷达只能做到20% 。
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侦查隐藏车辆（车队）
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ARS540取得绝对第一性能的背后是其复杂的设计 。
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图为ARS540结构示意图 结构上 ， ARS540采用4片级联的形式 ， 将4片NXP的77GHz毫米波雷达收发器（即MMIC）MR3003级联 ， 每个MR3003是3发4收 ， 4片就是12发16收 ， 目前绝大多数毫米波雷达都是采用单片收发器 ， 通常只有3发4收 ， 也就是只有12个虚拟通道 ， 而ARS540高达192个虚拟通道 ， 分辨率大大提高 。可以称之为图像雷达 。
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图为图像雷达注解；图片来源：恩智浦 目前绝大多数毫米波雷达都是处于第一阶段 ， 即1片MMIC 。目前大部分前向主毫米波雷达主要由大陆和博世垄断 ， 中低端车型使用大陆的ARS4B、ARS408或ARS410 ， 其核心都是一片比较老的NXP收发器MR2001 ， 如特斯拉Model 3为节约成本使用最便宜的ARS4B ， 其有效距离最多只有170米 ， 中国本土品牌多使用ARS410 ， 有效距离250米 。国外高端车型则使用ARS510 ， 核心为一片最新的MR3003 。博世在国内主推MRR1 PLUS ， 使用英飞凌的分离型收发器RRN7745P/RTN7735P 。长距离的LRR4使用一片MR2001 。
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图为MR2001系统示意图 。MR2001是MR3003的上一代产品 ， 也是使用最广泛的长距离毫米波雷达收发器 ， 博世、大陆集团、安波福、奥托立夫均有使用 。
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图为MR3003内部框架图 从上面两张图中 ， 我们可以看到MR3003相比MR2001有很大变化 ， 首先是MR3003集成了ADC即模拟数字变换 ， MR2001需要经过低通滤波器过滤后将模拟数据传输给MCU再处理 ， 这当中信号或有损失 ， 影响了精度 ， MR3003集成了ADC变换 ， 不再将ADC放在MCU中 ， 采用MIPI CSI2或LVDS输出 ， 可以输出高带宽 ， 为图像输出打下基础 ， 也提高了信噪比 ， 也就是分辨率和精度 。其次是增加了功能安全模块 。再次是集成了PLL锁相环电路 ， 而不是MR2001那样外置VCO 。成本更低 ， 可靠性更高 。最后 ， MR2001是4发3收天线设计 ， MR3003是3发4收天线设计 。MCU方面 ， ARS540也采用新一代的S32R274 ， 而对应MR2001的一般是MPC5773 。
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图为S32R274的内部框架图 S32R274采用三核设计 ， 两个e200z7260负责计算 ， 一个e200z420负责安全 。最高可达ASIL-D级安全应用 。在通讯接口方面具备最大灵活度 ， 远比上一代产品强 ， 首先是增加了对以太网的支持 ， 拥有以太网MAC ， 支持超过百兆以上以太网RGMII ， 可以输出图像 。有一对Flexray总线通道 ， 支持128位信息缓冲 。有三个柔性CAN ， 可以支持CAN-FD 。还有最高达320Mbps的Zipwire高速串行通讯 。默认输出还是CAN ， 备选为以太网输出 。
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雷达信号处理示意图；图片来源：恩智浦 算法方面 ， 主要是加强了CPI和DOA 。Chirp是啁啾（读音：“周纠”） ， 是通信技术有关编码脉冲技术中的一种术语 ， 是指对脉冲进行编码时 ， 其载频在脉冲持续时间内线性地增加 ， 当将脉冲变到音频地 ， 会发出一种声音 ， 听起来像鸟叫的啁啾声 ， 故名“啁啾” 。FFT是快速傅里叶变换 ， CFAR是Constant False-Alarm Rate恒虚警率的缩写 。在雷达信号检测中 ， 当外界干扰强度变化时 ， 雷达能自动调整其灵敏度 ， 使雷达的虚警概率保持不变 。具有这种特性的接收机称为恒虚警接收机 。DOA(direction of arrival)估计算法是核心 ， 这种算法通常需要比较高的算力 ， NXP或者说Freescale的Power架构比较合适 ， ARM架构则成本较高 。DOA估计（或波达方向估计）：将接受信号进行空间傅里叶变换（空间傅里叶变换和离散时间傅里叶变换的区别是 ， 空间傅里叶变换的求和是对阵元空间位置m ， 而时域傅里叶变换的求和变量时离散时间n） ， 进而取模的平方得到空间谱 ， 估计出信号的到达方向（空间谱的最大值对应的相位φ ， 再根据定义φ=2πdsinθ/λ ， 计算θ） 。ARS540采用双MCU设计 ， 即两片S32R274 。每一片S32R274连接两片MR3003 。某种意义上讲ARS540等于4个ARS510雷达放在一个盒子里 。这个难度远高于一个雷达 ， 雷达是超高频元件 ， 互相之间很容易出现干扰 ， 其中很多诀窍不是靠电脑仿真就能解决的 ， 需要长时间的经验累积 ， 不仅要有射射频电子领域的经验 ， 还要有对材料和机械结构领域的经验 。ARS540也是第一个采用级联设计的量产毫米波雷达 。不仅设计很具有挑战性 ， 在生产工艺也是如此 ， 外壳的材料厚度都会影响雷达性能 ， 这些导致雷达一致性在生产工艺上面临巨大挑战 ， 很多领域都是靠经验积累才能解决的 ， 中国不缺优秀的设计师 ， 但是经验丰富的一线员工则完全没有 。随着毫米波雷达性能的增长 ， 对激光雷达地位开始产生威胁 ， 特别是4线激光雷达 。未来如果实现6个或8个单位级联 ， 那么毫米波雷达将对16线激光雷达产生威胁 。与此同时 ， 毫米波雷达还在性价比和车规方面拥有压倒性优势 ， 这也就意味着 ， 未来激光雷达要着力提高分辨率才能保证其地位 。
