毫米波传感器系统性能测量（TI文档）

摘要

        本应用报告讨论了使用德州仪器高性能毫米波传感器的系统性能测量结果。TI的毫米波传感器是一个77 GHz，高度集成的收发器，具有高速接口(CSI2)，可将原始ADC数据发送出去进行处理。毫米波传感器包括整个毫米波射频和模拟基带信号链，用于三个发射器和四个接收器，以及内置自测(BIST)功能，允许校准和监控毫米波前端。TI的毫米波传感器产品组合包括带有可编程微控制器(MCU)、片上存储器和信号处理能力的单芯片雷达器件。在系统测试过程中，通过配置前端在不同模式下工作来评估性能。在微波暗室中进行的性能评估测量了距离分辨率、角度分辨率和角度精度。室外测量显示了雷达探测范围内不同类型目标的能力。测量结果证明了毫米波传感器的系统性能，可以作为特定应用雷达系统设计的参考。

1.介绍

       近年来，雷达技术在各种应用中的应用急剧增加，包括提高驾驶安全性的高级驾驶辅助系统(ADAS)、用于避障的无人机导航、医疗保健中的非接触式生命体征监测等等。

       传统上，雷达实现使用分立元件(PA、LNA、VCO、ADC等)。但是，最近出现了更多的集成解决方案。基于CMOS的全集成雷达，将所有RF和模拟功能以及DSP功能集成到单个芯片中，代表了最终的雷达片上系统解决方案。这种高度集成的解决方案降低了成本和外形因素，也使其高效地实施先进技术，以提高系统性能，并使用基于芯片的、基于处理器的、内置的自测能力，实现更好的功能安全性(ISO26262 ASIL标准)。

       不同的应用有不同的需求，并涉及不同的高级算法来实现各自的功能。然而，系统的性能，如距离和角度测量分辨率，是所有应用的基础。本应用报告介绍了在室内和室外条件下使用TI毫米波前端器件的系统性能评估结果。在不同的信号带宽配置和角度测量精度和分辨率下，对室内条件下的性能进行了距离分辨率评估。室外条件测试测量检测范围内不同类型物体的能力。

2.室内测量

       测量是用带有蚀刻天线(EA)的毫米波传感器特性板进行的，如图1(A)所示。这种4元天线在轴向提供10dB增益，在-60°或60°方位角提供约5dB增益。EA板连接TSW1400板进行数据采集。原始ADC数据通过基于LVDS的调试接口发送到TSW1400，并保存到DDR内存中。数据被进一步发送到PC机进行后处理。室内试验在微波暗室中进行，如图1(C)所示。下面两个小节分别讨论距离测量和角度测量结果。

图1 蚀刻天线(A)；测量设置(B)；有吸波材料的微波暗室(C)

2.1距离测量

       本节讨论距离分辨率测量结果。在测量过程中，将一个角反射器放置在固定位置，并且将第二个角反射器相对于第一个角反射器在一定范围内移动。然后，对原始ADC数据进行处理，生成距离分布图。距离分辨率定义为两个角反射器之间所需的最小距离，从而可以在距离分布中区分对应于角反射器的两个峰。

       由于距离分辨率取决于信号带宽，因此测量了四种带宽情况，如表1所示。如果使用FFT运算获得距离分布，则理论距离分辨率由C/2B给出，其中C为光速，B为信号带宽，

表1 四种信号带宽

Chirp Duration (µs)	Frequency Slope (MHz/µs)	Bandwidth (MHz)	Theoretical Range Resolution (cm)
100	36	3600	4.17
100	20	2000	7.50
100	10	1000	15.00
100	6	600	25.00

       图2、图3、图4、图5给出了四种信号带宽的距离分布图，两个角反射器有四种不同的距离间隔。我们可以观察到，当距离为85 cm(图2)或50 cm(图3)时，对于所有四种带宽情况，都显示出两个清晰的峰值，对应于两个角反射器的范围。当距离减小到图4中的20 cm和图5中的10 cm时，两个峰值开始相互合并，使用1 GHz或0.6 GHz的带宽区分两个角反射器更加困难。

       注意：没有进一步进行短距离分离的实验。4GHz情况应该能够分辨距离小于10厘米的物体。

图2（目标）分开85cm四种带宽情况的距离分布

图3 （目标）分开50cm四种带宽情况的距离分布

图4 （目标）分开20cm四种带宽情况的距离分布

图5 （目标）分开10cm四种带宽情况的距离分布

        距离精度测量不包括在本应用说明中，因为距离精度取决于所选择的实现算法，从厘米到微米不等。

2.2角度测量

        本节讨论方位角测量精度和分辨率。精度评估角度测量结果的误差，分辨率测试传感器在相同径向距离下分辨两个目标角度的能力。角度测量性能取决于天线设计，因此使用不同的天线配置时，结果可能无法重复。然而，本节所示的结果提供了典型贴片天线设计的参考。

       在角度测量中，所有数据均采用时分多路复用MIMO的chirp配置采集。换句话说，TX1和TX2交替从一个chirp到另一个chirp。这是可能的，因为TX1和TX2的距离是波长的两倍，如图1所示。

2.2.1角度精度

       在本实验中，将一个角反射器固定在距离雷达约2.6米的位置。雷达安装在一个机械旋转台上，在-70°到70°的范围内旋转，步长为5°。测试了两种信号带宽情况。一种情况是3.6 GHz，在本节中称为高分辨率模式。另一种情况是0.6 GHz，称为低分辨率模式。采集原始数据后，利用距离FFT对角反进行识别，然后在角反对应的距离单元进行波束形成角度估计。

       图6和图7分别显示了在高分辨率模式和低分辨率模式下，物体以不同角度放置时的角度估计精度。结果表明，孔径边上角度估计误差小于1°，且随入射角的增大而增大。两种距离分辨率模式下的精度水平相似，如图6和图7所示。然而，在实际场景中，其他物体可能在感兴趣的目标的近距离内，在这种情况下，距离分辨率很重要。

图6 高分辨率模式下角度估计

图7 低分辨率模式下角度估计

2.2.2角度分辨率

       在本实验中，通过改变两个角反射器的横向距离，将其放置在不同的分离角度，如图8所示。雷达与两个角反的中点之间的距离固定在大约2米。横向距离分别为20cm、60cm、80cm、130cm。相应的角度分离分别约为5.7°、17°、22.6°和36°。

图8 角度分辨率测量的实验配置

图9 不同角度分离度的距离角度2维能量图

        图9显示了角度分辨率测量结果。顶部的距离和角度图显示了距离FFT和波束形成后的彩色编码能量。较亮的斑点对应于角反的位置。理想情况下，我们应该看到两个角反的两个单独的亮点。底部的1D光谱图显示了角反射器所在范围内的能级与角度的关系。图9比较了使用和不使用MIMO技术的性能。在没有MIMO的情况下，角度分辨率由四个接收天线的孔径决定。使用MIMO，角度分辨率应该提高2倍。结果表明，采用MIMO时，雷达传感器可以分辨出距离为17°的两个目标。但是，如果没有MIMO，分离角必须至少为36°才能被充分分辨。4根RX天线和8根RX天线的理论估计角度分辨率分别为35°和17.5°。实验结果与预期性能接近。

3.室外测量

       室外测量测试的是在不同距离检测不同类型物体的能力。测试对象包括RCS为0.1平方米的标准角反射器、行人和汽车。在数据收集过程中考虑两种chirp配置，如表2所示，称为高分辨率模式和低分辨率模式。雷达安装在离地面约0.5米的位置，如图10所示。雷达正对着一个空停车场。把卷尺固定在地面上作为距离参考。对于不同的测试，目标被放置在不同的距离。

图10 室外测量场地

表2 两种分辨模式的chirp配置

Parameters	High Resolution	Low Resolution
Bandwidth (MHz)	3600	600
Chirp duration (μs)	100	32
ADC samples per chirp	1000	256
Chirps per frame	32	128
Frame periodicity (ms)	40	40
Maximum beat frequency (MHz) Fs	10	8
Range resolution (cm)	4.16	25
Maximum unambiguous range (m)	41.6	64

        原始ADC数据仅通过在RX1通道上应用范围FFT进行分析。对一帧内的chirp进行平均，以提高目标的信噪比。在典型的FMCW信号处理链中，在距离FFT之后进行第二次多普勒FFT以获得速度信息。对于静态对象，第二步FFT相当于取平均值。此外，信噪比增益可以通过沿接收机天线阵列的信号合成来实现。

        图11、图12、图13为三类目标的室外距离测量结果。不同测试的距离分布以不同的颜色覆盖。这些峰对应于不同测试中的目标位置。x轴是距离，y轴是信号幅度，以dBFs为单位。图11、图12和图13还显示了高分辨率和低分辨率的距离测量。随着目标距离的增大，接收到的信号幅度按预期减小。结果显示，RCS为0.1平方米的角反射器可以在30米的距离检测到静态行人，在27米左右可以检测到静态行人，在56米左右可以检测到汽车。在采集数据的最大测试距离上，所有三个目标都可被探测到。

        值得注意的是，这并不意味着该设备只能检测到这个范围限制内的物体。距离性能还取决于chirp配置和信号处理算法。本应用笔记中给出的测量只是提供一个示例。

图11 角反（RCS=0.1）在不同距离上的距离分布

图12 行人在不同距离上的距离分布

图13 汽车在不同距离上的距离分布

4.总结

       在本应用报告中，我们介绍了使用TI毫米波传感器前端器件的系统性能测量结果。将前端配置为不同的工作模式。室内性能评估包括距离分辨率、角度精度和分辨率。室外测量显示了该雷达探测范围内不同类型目标的能力。