4D成像雷达原理浅析

TI官网给了“采用级联毫米波传感器的成像雷达参考设计”的资料，英文版，挑了天线架构、波束赋形以及雷达校准这三个方面进行浅析，作为入门级的文章，旨在帮助加深对毫米波雷达系统的了解。

1. 文末有相应的英文原版文章链接和一些优秀的论文，请查阅。

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AWR2243芯片级联设计，采用不同的帧结构，实现多模式雷达工作（主要是MIMO，TXBF）。其中波束赋形可以实现更强的天线增益，增强雷达的探测距离。级联雷达器件可以支持远距离（Long Range Radar，LRR）波束形成应用以及具有增强的角分辨率性能的中距离（Middle Range Radar，MRR）和短距离雷达（Short Range Radar）MIMO应用。工作频段为 77~81GHz，中心波长3.9 mm。该级联雷达相比单芯片雷达，不仅可以对目标距离和速度进行探测，还具备极高的角度分辨率和自由度，可以获取目标的三维坐标及速度，实现目标的 4D成像，获取目标的空间位置。毫米波级联雷达射频板的实物图如图 1所示。由 4片3发4收的射频芯片级联而成，构成 12发16收的天线阵面。

图1：射频板

级联雷达的主要优势在于：可对目标进行三维高分辨成像，有效提取目标的空间位置、几何特征以及散射特性；可以通过数字波束合成（Digital Beamforming，DBF）技术控制发射信号的指向，扫描区域远大于普通雷达，水平方向视场角（Field of View，FOV）为［−70°，70°］，且角分辨率约为1.4 度。借助35cm 的距离分辨率检测350m 以外的物体（例如，汽车和卡车，RCS约为10）；人类（RCS约为1） 物体的可检测距离为150m。

• 系统指标：
  

A. 最远探测距离：150m（MIMO Mode），350m（TXBF mode）；

B. 距离分辨率：60cm（MIMO Mode），150cm（TXBF mode）；

C. 方位角度分辨率：1.4°（MIMO mode），1.4°（TXBF mode）；

D. 俯仰角度分辨率：18°（MIMO mode）；

E. 最大可检测速度：133kmph（MIMO mode）,133kmph（TXBF mode）;

F. 速度分辨率：0.53kmph（MIMO mode and TXBF mode）；

AWR2243 器件是一款能够在 76GHz 至 81GHz 频带内运行的高集成式单芯片FMCW 收发器。AWR2243 是适用于汽车领域中低功耗、自监控、超精确雷达系统的理想解决方案。AWR2243 器件是一种自包含 FMCW 收发器单芯片解决方案，简化了汽车雷达传感器在 76GHz 至 81GHz 频带范围内的实施。它基于TI 的低功耗 45nm RFCMOS 工艺构建，从而实现了一个具有内置 PLL 和 ADC 转换器的单片实施 3TX、4RX 系统。简单编程模型更改可支持各种传感器实施（近距离、中距离和远距离），并且能够进行动态重新配置，从而实现多模式传感器。

Tx功率13dBm，Rx噪声系数12dB。1MHZ时的相位噪声-96dBc/Hz（76G-77G）-94dBc/Hz(77-81Hz)。内置固件（ROM），并且有针对工艺和温度进行自校准的系统。在电源管理模块，内置LDO网络，可增强PSRR，I/O支持双电压3.3V/1.8V。时钟源支持外部驱动、频率为40MHZ的方波或者正弦波时钟，支持40MHZ晶体与负载电容器相连接。芯片尺寸为10.4mm×10.4mm，运行温度-40°C-140°C。

图2：功能模块图

1. 天线架构

   采用4片AWR2243级联，其中一片为主芯片，另外三片为从片，4芯片组成12个发射天线和16个接收天线的MIMO阵列，可以有效提升雷达的分辨率。天线布局如下所示，12个发射天线中的9个水平放置，用于估计方位角度，3个垂直放置，用于估计俯仰角度，16个接收天线水平放置。每两个发射天线之间间隔2个波长，每两个接收天线以及形成的全部虚拟通道两两之间间隔半个波长。

   
   

   

图3：级联系统的天线阵列布局安排

图4：级联系统的虚拟接收天线阵列

根据射频板上的天线分布，可以得到水平方向的分辨率AziRes和垂直方向上的分辨率EleRes分别为：

Azi_Res=λR/D_Azi（1）

Ele_Res=λR/D_Ele（2）

式中D_Azi 和D_Ele分别为水平方向和垂直方向收发天线孔径分布长度，R为级联雷达相对于探测目标的参考距离。

采用级联芯片的雷达主要工作在两种模式，第一种是MIMO模式，第二种则是TXBF模式。TI给的参考设计中MIMO模式和TXBF模式的参数配置如下：

图5：Chirp Configuration - MIMO

为实现最远探测距离150m和±130km/h的探测速度，在MIMO模式下，水平面使用6TX天线，俯仰面使用3TX天线，剔除水平面3个重复的虚拟天线，因此每帧的总chirp数等于9×Nchirps/Frame。

图6：Chirp Configuration - TX Beamforming

2. 波束赋形

波束赋形有利于增加雷达的覆盖范围，在此级联系统中，每个Tx通道的相位信息是根据阵列因子和目标角度来计算，假设有N个TX通道，以TX1为基准，TX2到Tx1，Tx3到Tx1……TxN到Tx1的距离依次为d2,d3,…,dN，如下所示。

图7：波束赋形示意图

假设波束偏转的方向为θ，则每个Tx所对应的输入相位就是：

理想的相位值允许通过相位步长5.625°进一步量化，以获得写入寄存器里的整数值（包含校准相位值）。例如，若使用9个Tx天线用于波束赋形，且d2=2λ,d3=4λ,…,d9=16λ。假设波束偏转角度为30°，则代入上面的公式，

TI在实例设计中提供两种实现波束赋形的方法。第一种是Chirp Based Beam Steering，第二种是Frame Based Beam Steering。使用第一种波束赋形方法时，在用于TX波束成形的子帧中，该子帧中不同的chirp的参数代表一个所需的波束偏转角度，而在Frame Based Beam Steering中，每帧内的chirp配置一样，每帧代表一个所需的波束偏转角度。

图8：Chirp Based Beam Steering

图9：Frame Based Beam Steering

3. 雷达校准

对于级联雷达而言，校准是非常必要的一步，由于级联雷达射频板上级联了四片雷达芯片，此时就需要通过通道校准来保证一片主芯片与三片从芯片之间的频率、相位和幅度不失配。产生失配的原因可能是多种多样的，比如信号路径长度不匹配，芯片和芯片之间的差异以及天线耦合等。除了通道间失配以外，PCB 路径和移相器路径也会造成相位失配，失配会对雷达造成较大的影响，因而在PCB layout阶段通常需要优化微带线长度来减小频率失配。。

级联方案的重点是 AWR2243 芯片需要在各自之间共享的各种信号的连接。在这样的级联系统中的多个 AWR2243 芯片中，一个被设置为主芯片（Master），其他则为从芯片（Slaves）。为了使整个级联系统作为单个雷达系统运行，指定主芯片首先需要产生20GHz 左右的本地振荡（LO）信号，这个本振信号是整个级联系统中的所有发射机和接收机之间所共用的。20G本振信号到芯片端是通过微带传输线构建的功率分配网络进行无源分配的，主芯片可以灵活的为自己及其他三个从芯片分配本振信号，本振信号通过4倍频后到达所需的76-81GHz。如下图所示，所有的分配网络必须保证具有相同的延迟，以减小频率失配。

图10：20GHz 本振信号的功率分配路径

校准的方法是通过使用 TDM-MIMO 形式对距离雷达6m 以上处角反射器进行数据采集，保证雷达虚拟阵列中心与角反射器中心在同一水平线上，然后通过处理所采集数据得到校准数据并应用于原始数据。第一步是生成相位/增益校准矩阵。要生成校准矩阵，可以在暗室6m或者更远的距离放置角反射器。典型的角反的RCS为1m2至2m2，如下图所示。同时用激光笔将角反和雷达射频板的中心对齐。

图11：角反器

在生产过程中，每块射频板都需要进行校准。当角反位置和雷达射频板的中心对齐时，用TI提供的脚本收集几帧原始ADC数据，采集数据时， TDM MIMO模式下的12个Tx和16个Rx通道同时开启。校准矩阵的生成如下图。读取原始数据并对设备格式化后，将来自192个虚拟通道的数据分离。对每个虚拟通道进行距离维FFT操作，在[D-1,D+1]范围内，角反所对应的能量峰值最大（D是人为设定的目标距离）。再将所有192个通道的FFT峰值检索形成一个大小为12×16的矩阵，用于频率校准。所有192个通道的峰值处的复数值形式形成一个大小为12×16复校准矩阵，用于相位和幅度校准。这两个矩阵保存到matlab.mat文件中，方便导入。

图12：相位和增益校准矩阵

在下图所示的流程中，将分两步将保存的校准数据应用在MIMO模式下收集的原始ADC数据处理中。

图13：校准矩阵导入ADC数据处理流程

首先对频率进行校准，第一个通道Tx1/Rx1用于和其余191个通道做对比。再根据以chirp的配置信息，按照如下公式进行计算：

图14：频率校准公式

对于每个虚拟通道，计算F，并将其应用到相应的ADC数据中；

其次，对相位和幅度进行校准。再进行频率校准后，根据参考通道的复值计算相位和幅度校准值。

图15：幅度相位校准公式

上面描述的是MIMO模式下的校准方式，对于TXBF模式下的校准，如下图所示，从在频率校准中获得的12×16复值矩阵的相位值在16个RX通道上进行平均，以获得12个Tx通道的相位校准向量。根据实际TXBF模式中使用的TX信道索引（基准信道），这个12×1向量内的相应相位用于相位补偿。所需相位补偿值连同相应的波束偏转值一起，写入寄存器中。

图16：Calibration in TX Beamforming

同样，对12个TX通道的相位进行平均，以获得16个RX通道的相位校准向量。这里假设16个Rx通道间的频率是没有失配的。

16个RX通道间的频率失配程度可以通过如下步骤获得校准数据来获得：

1.     将角反放置在给定距离D=6m；

2.     配置所有TX通道指向零度。

3.     检查所有16个Rx通道的FFT峰值指标；

总结

AWR2243 芯片包含射频前端控制电路和ADC采集电路，拥有三个发射链路和四个接收链路的射频前端可以组成3发4收的MIMO阵列，其中每个发射器都包括一个可编程的6位移相器（步进为5.625°）来实现波束成形应用；四个接收链路信号与发射信号经过混频器混频后得到中频信号，然后经过信号放大、滤波等一系列信号处理之后，通过ADC对四路回波信号进行IQ采样，可以通过mmWave Studio对采样频率、采样点数等参数进行配置。采样后的数据存放在ADC Buffer中，接着从ADC Buffer中提取数据进行后续处理。

参考文献

1. 设计指南：TIDEP-01012：采用级联毫米波传感器的成像雷达参考设计;
2. 面向电磁特性测量的毫米波级联雷达系统设计[J]，张 苏，谭恺，雒梅逸香等，上海航天，第 39 卷 2022 年第 3 期，P20-P32；
3. 韩彤，毫米波雷达高分辨成像方法研究[M]，西安电子科技大学;
4. Ilgin Seker，'Calibration methods for phased array radars' , 2013.