IWR1642 傳感器的用例/架構(gòu)

IWR1642 傳感器是基于雷達(dá)的傳感器，將快速 FMCW 雷達(dá)前端與集成式 Arm R4F MCU 和 TI C674x DSP 集成，用于高級(jí)信號(hào)處理。IWR1642 雷達(dá)前端的配置取決于發(fā)射信號(hào)的配置以及射頻收發(fā)器的配置和性能、天線陣列的設(shè)計(jì)以及可用的存儲(chǔ)器和處理能力。該配置影響系統(tǒng)的關(guān)鍵性能參數(shù)，如

距離和速度分辨率、最大距離和速度以及角度分辨率。

在設(shè)計(jì)交通監(jiān)控用例的線性調(diào)頻脈沖配置時(shí)，首先應(yīng)考慮場(chǎng)景的幾何形狀、方位角和仰角的視場(chǎng)以及所需距離。我們以一個(gè)雷達(dá)傳感器安裝在位于高處的四車(chē)道十字路口點(diǎn)為例。對(duì)車(chē)道、中央分離帶、人行橫道、停止線和頂部傳感器安裝座的尺寸和位置進(jìn)行假設(shè)，25 度以上的方位角視場(chǎng)可覆蓋停止線及其附近 +60m 的道路。圖 5 所示為該示例的交通監(jiān)控幾何圖。

對(duì)于該示例，假設(shè)天線方向圖為此方位角視場(chǎng)提供兩個(gè)發(fā)射天線和四個(gè)接收天線（用于方位角估計(jì)），而在仰角軸中，視場(chǎng)為較窄的 15 度，無(wú)仰角處理。

圖 6 所示為該示例的仰角幾何圖。

IWR1642 EVM 具有更寬的 120 度方位角視場(chǎng)，更寬的 22 度仰角視場(chǎng)，但是它具有足夠的天線增益，可實(shí)現(xiàn) +60m 距離的車(chē)輛檢測(cè)。所以我們將 IWR1642 EVM 用作中等距離的線性調(diào)頻脈沖配置示例的基礎(chǔ)。

可對(duì) IWR1642 傳感器進(jìn)行配置，從而進(jìn)行靈活的設(shè)計(jì)，以適應(yīng)交通監(jiān)控中的不同用例。確定十字路口和天線方向圖的基本幾何形狀后，考慮一些目標(biāo)性能參數(shù)，并根據(jù) IWR1642 傳感器的收發(fā)器功能對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行權(quán)衡，然后進(jìn)行線性調(diào)頻脈沖設(shè)計(jì)。

特別要考慮以最大距離作為起點(diǎn)。讓我們來(lái)看兩個(gè)示例。一個(gè)示例針對(duì) 70m 的中等距離，并且包括發(fā)射多輸入多輸出 (MIMO) 處理，可提高角分辨率。另一個(gè)是遠(yuǎn)距離的 185m 設(shè)計(jì)，未進(jìn)行 MIMO 處理。在這兩種情況下，設(shè)置最大距離后，對(duì)距離分辨率和最大速度進(jìn)行權(quán)衡，以達(dá)到更優(yōu)距離分辨率，同時(shí)滿足最大

速度要求。將速度分辨率提高到內(nèi)部雷達(dá)存儲(chǔ)器的實(shí)際限值也會(huì)提高收發(fā)器的有效范圍。通過(guò)提供用于有效速度估算的額外處理能力，可進(jìn)一步提升最大線性調(diào)頻脈沖速度，從而達(dá)到最大線性調(diào)頻脈沖速度的四倍或以上。經(jīng)過(guò)這一額外處理，跟蹤和速度估算值能夠遠(yuǎn)高于車(chē)輛在高速公路上的速度。

該示例性線性調(diào)頻脈沖設(shè)計(jì)從表 2 中所示的輸入?yún)?shù)開(kāi)始

將 IWR1642 EVM 天線方向圖用于中等距離示例，可以預(yù)想到小型車(chē)輛達(dá)到 70m 的線性調(diào)頻脈沖極限距離。對(duì)于遠(yuǎn)距離示例，轎車(chē)大小的車(chē)輛會(huì)達(dá)到最多 185m 的距離（具體視車(chē)輛大小而定）。

在該示例中，中等距離線性調(diào)頻脈沖和幀設(shè)計(jì)包括對(duì)時(shí)分多路復(fù)用 MIMO 的使用。在這種情況下，兩個(gè)發(fā)射天線將按載波波長(zhǎng)的兩倍分離，并且在幀時(shí)間段內(nèi)，線性調(diào)頻脈沖傳輸在兩個(gè)天線間交替進(jìn)行。因此，與不使用 MIMO 的情況相比，每個(gè)天線發(fā)出的發(fā)射信號(hào)的線性調(diào)頻脈沖重復(fù)周期倍增，脈沖數(shù)減少了一半。

這以減小直接可測(cè)量的最大速度為代價(jià)，有效地使檢測(cè)器的角度分辨率提高了一倍。如前所述，可以通過(guò)額外的信號(hào)處理來(lái)提高可測(cè)量的最大速度。

圖 7 所示為中等距離示例中針對(duì)配置的數(shù)據(jù)快照，其中兩輛車(chē)到傳感器的距離分別為剛超過(guò) 40m 和 60m。系統(tǒng)很容易便能檢測(cè)到這兩輛車(chē)。

IWR1642 EVM 使用此線性調(diào)頻脈沖和幀設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了針對(duì)交通監(jiān)控的示例性處理鏈。

如圖 8 所示，交通監(jiān)控示例的信號(hào)處理鏈由以下模塊組成，這些模塊通過(guò)在 IWR1642 傳感器的 C674x DSP 內(nèi)核上執(zhí)行的 DSP 代碼實(shí)現(xiàn)：

• 距離處理：對(duì)于每個(gè)天線，采用 1-D 窗口操作和 1-D 快速傅里葉變換 (FFT)。距離處理與幀的有效線性調(diào)頻脈沖時(shí)間交織。
• 多普勒處理：對(duì)于每個(gè)天線，進(jìn)行 2D 窗口操作和 2-D FFT，然后以浮點(diǎn)精度對(duì)天線間的接收功率進(jìn)行非相干結(jié)合。
• 距離-多普勒檢測(cè)算法：對(duì)距離-多普勒功率映射運(yùn)行恒虛警率-最小單元平均 (CASO-CFAR) 加 CFAR 單元平均 (CFARCA) 檢測(cè)算法，找到距離和多普勒空間中的檢測(cè)點(diǎn)。
• 角度估算: 對(duì)于距離和多普勒空間中的每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，用多普勒補(bǔ)償重建 2D FFT 輸出。波束形成算法根據(jù) Vmax 擴(kuò)展的角度校正返回一個(gè)角度。

DSP 完成幀處理后，由距離、多普勒、角度和檢測(cè)信噪比 (SNR) 組成的結(jié)果將經(jīng)過(guò)格式化并寫(xiě)入共享存儲(chǔ)器 (L3RAM)，以便 R4F 執(zhí)行高級(jí)處理。

來(lái)自低級(jí)處理層的輸入（點(diǎn)云數(shù)據(jù)）從共享存儲(chǔ)器復(fù)制而來(lái)并適合于跟蹤器接口。組跟蹤器由兩個(gè)子層實(shí)現(xiàn)：模塊層和單元層。一個(gè)實(shí)例模塊管理多個(gè)單元。在模塊層，您應(yīng)該首先嘗試將輸入云中的每個(gè)點(diǎn)與跟蹤單元相關(guān)聯(lián)。不相關(guān)的點(diǎn)將接受分配程序的安排。在單元層面，每次跟蹤都使用已擴(kuò)展的卡爾曼濾波器 (EKF) 過(guò)程來(lái)預(yù)測(cè)和估計(jì)組的屬性。R4F 隨后通過(guò)通用異步收發(fā)器 (UART) 將所有結(jié)果發(fā)送給主機(jī)以實(shí)現(xiàn)可視化。

表 3 列出了測(cè)量處理鏈（包括角度估算和 DSP 上的共享存儲(chǔ)器寫(xiě)入以及之前的任務(wù)）整體每秒百萬(wàn)條指令 (MIPS) 使用量的 DSP 基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的結(jié)果。

在 C674x DSP 中實(shí)現(xiàn)的低級(jí)處理鏈有兩個(gè)嚴(yán)格的最后期限：

• 線性調(diào)頻脈沖處理的最后期限，定義為給定的線性調(diào)頻脈沖應(yīng)完成采集和距離處理的最晚時(shí)間。此期限為嚴(yán)格的最后期限，并使用可用裕量來(lái)估算采集期間的 DSP 負(fù)載。
• 幀處理的最后期限，定義為給定的幀應(yīng)完成幀處理（多普勒、恒虛警率 (CFAR) 和到達(dá)方向 (DoA)）的最晚時(shí)間。此期限也是嚴(yán)格的最后期限，并可估算幀處理期間的 DSP 負(fù)載。

表 4 概述了在加載毫米波軟件開(kāi)發(fā)工具包 (SDK) 平臺(tái)軟件和示例應(yīng)用程序代碼后，DSP 可用的特定物理存儲(chǔ)器及其使用情況。

Arm R4F 處理輸入點(diǎn)云并提供目標(biāo)信息所需的時(shí)間量是當(dāng)前跟蹤的目標(biāo)數(shù)量和接收的測(cè)量數(shù)量（輸入點(diǎn)云中的點(diǎn)數(shù)）的函數(shù)。處理時(shí)間隨跟蹤對(duì)象的數(shù)量呈線性增加。在跟蹤對(duì)象數(shù)量固定的情況下，復(fù)雜度隨輸入點(diǎn)數(shù)量呈線性增加。以最壞情況下每幀點(diǎn)數(shù)等于 250 為例，可推導(dǎo)出每個(gè)跟蹤對(duì)象所需的時(shí)間大約為 200μs。幀時(shí)間為 50ms 時(shí)，跟蹤 20 個(gè)目標(biāo)在 4ms 內(nèi)完成，這將消耗不到 10% 的中央處理單元 (CPU)。

R4F 使用緊密耦合的存儲(chǔ)器（256KB 的 TCMA 和 192KB 的 TCMB）。TCMA 用于程序和常量 (PROG)，而 TCMB 用于 RW 數(shù)據(jù) (DATA)。表 5 總結(jié)了 R4F 的存儲(chǔ)器使用情況，其中提供了總存儲(chǔ)器占用空間、可用存儲(chǔ)器空間和存儲(chǔ)器利用率。