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【正文】

編輯|小助理 審核|調(diào)皮哥

本文主要解讀論文：High-resolution Automotive Radar Point Cloud Imaging and Processing

原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9792662/authors#authors

汽車(chē)?yán)走_(dá)成像雷達(dá)波形選擇，到底是TDM、BPM、DDM，或者是TDMA+DDMA，或者還有其他，一起來(lái)看看這篇論文的介紹吧。

1、MIMO波形介紹

當(dāng)今新興的4D成像雷達(dá)（4D-radar）采用多芯片級(jí)聯(lián)MIMO技術(shù)，可在方位角和仰角維度上實(shí)現(xiàn)高分辨率，提供高質(zhì)量的三維點(diǎn)云成像。一般的汽車(chē)?yán)走_(dá)芯片都有3個(gè)發(fā)射通道和4個(gè)接收通道，因此可以同時(shí)采用4芯片級(jí)聯(lián)的MIMO方案，將虛擬陣列擴(kuò)展到12×16=192個(gè)通道。

使用MIMO技術(shù)的汽車(chē)?yán)走_(dá)中的虛擬陣列合成依賴(lài)于不同天線(xiàn)發(fā)射的發(fā)射信號(hào)的分離，目前采用的MIMO 雷達(dá)技術(shù)有三種模式，分別是TDMA-MIMO、DDMA-MIMO、BPMA-MIMO。

當(dāng)不同天線(xiàn)的發(fā)射信號(hào)正交時(shí)，分離更容易，實(shí)現(xiàn)波形正交性的最簡(jiǎn)單方法是TDMA-MIMO，故TDMA-MIMO波形因其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和高度正交性而成為目前應(yīng)用最廣泛的方法，但是TDMA-MIMO的缺點(diǎn)是發(fā)射功率低導(dǎo)致探測(cè)距離受限制，并且最大不模糊速度、距離分辨率與正交信號(hào)數(shù)量之間存在矛盾關(guān)系。雖然后續(xù)解決速度模糊問(wèn)題的算法有很多，但頻譜混疊造成的目標(biāo)檢測(cè)難度仍然嚴(yán)重，發(fā)射天線(xiàn)較多的情況更是雪上加霜。

BPMA-MIMO （相位編碼）雷達(dá)利用碼分多址 (CDMA) 技術(shù)，可以在不犧牲發(fā)射功率、帶寬或線(xiàn)性調(diào)頻持續(xù)時(shí)間的情況下有效地實(shí)現(xiàn)低互相關(guān)波形。由于不存在具有理想自相關(guān)和互相關(guān)特性的理想正交碼序列，因此相位編碼波形有時(shí)僅近似滿(mǎn)足正交性要求。

相位編碼MIMO雷達(dá)的主要問(wèn)題是干擾的多普勒FFT將擴(kuò)散到整個(gè)多普勒頻譜中，如下圖所示。最嚴(yán)重的影響是微弱的目標(biāo)信號(hào)會(huì)被淹沒(méi)在干擾信號(hào)中，例如當(dāng)有卡車(chē)和行人在同一距離分辨單元中時(shí)，行人很可能無(wú)法檢測(cè)到。

具有四個(gè)天線(xiàn)同時(shí)發(fā)射的相位編碼MIMO的RD譜

（a） Gold序列，長(zhǎng)度128

（b） Chu序列，長(zhǎng)度128

DDMA-MIMO可以提高雷達(dá)探測(cè)距離，每個(gè)發(fā)射通道以一個(gè)較小和唯一的頻率偏移同時(shí)發(fā)射相同的斜率的調(diào)頻信號(hào)，這有效地將多普勒頻譜中的每個(gè)發(fā)射信號(hào)分離，等效于正交性波形。然而，由于較小的多普勒偏移，導(dǎo)致發(fā)射通道間存在耦合，額外擴(kuò)展的目標(biāo)很容易重疊。

DDMA-MIMO RD譜

(a)同時(shí)發(fā)射兩根天線(xiàn)

（b）同時(shí)發(fā)射三根天線(xiàn)

盡管在多普勒域中采用不同的多普勒頻移調(diào)制每個(gè)發(fā)射陣元來(lái)實(shí)現(xiàn)波形正交性，但DDM-MIMO雷達(dá)技術(shù)存在一些缺點(diǎn)，限制了其在汽車(chē)?yán)走_(dá)中的應(yīng)用。

在多目標(biāo)場(chǎng)景中，每個(gè)目標(biāo)將在距離多普勒譜中生成一個(gè)真實(shí)位置，但在同一距離單元之間伴隨著多根發(fā)射天線(xiàn)的干擾，當(dāng)有多個(gè)目標(biāo)在相同距離但速度不同時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，真正的目標(biāo)和干擾將被混淆。因此，如何緩解多目標(biāo)場(chǎng)景下干擾帶來(lái)的誤報(bào)是關(guān)鍵問(wèn)題。

三種波形的技術(shù)特點(diǎn)如下圖所示：

2、TDM+DDM-MIMO技術(shù)

根據(jù)上述的介紹和分析，僅僅采用波形正交性技術(shù)之一的DDMA或者TDMA來(lái)完成4D高分辨率成像汽車(chē)?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)幾乎是不可能的，因此必須考慮一種綜合的方案，該論文設(shè)計(jì)了一個(gè)集成的TDM-DDM-MIMO的框架來(lái)獲得折衷的性能。

TDM-DDM-MIMO 技術(shù)利用了 TDMA 和 DDMA 的最佳波形正交性，多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)同時(shí)發(fā)射信號(hào)也可以降低能量損耗。當(dāng)采用與ARS540相同的芯片級(jí)聯(lián)MIMO技術(shù)時(shí)，最多12個(gè)發(fā)射天線(xiàn)，TDM-DDM-MIMO框架可以設(shè)置為2個(gè)或更多的發(fā)射天線(xiàn)進(jìn)行DDMA編碼，但不建議同時(shí)使用4個(gè)以上的發(fā)射天線(xiàn)進(jìn)行發(fā)射，因?yàn)楦蓴_會(huì)嚴(yán)重降低目標(biāo)檢測(cè)性能。與TDM-MIMO技術(shù)相比，TDM-DDM-MIMO中距離多普勒譜所代表的最大不模糊速度將比單Chirp周期內(nèi)發(fā)射的天線(xiàn)數(shù)量提高數(shù)倍，但干擾的影響會(huì)嚴(yán)重一些。

采用2個(gè)發(fā)射天線(xiàn)的TDM-DDM-MIMO汽車(chē)波形如上圖所示，在兩個(gè)不同通道的數(shù)據(jù)上使用多普勒FFT，干擾和目標(biāo)將分布在多普勒域中，但干擾位于通道之間目標(biāo)的不同側(cè)，因此可以區(qū)分目標(biāo)和干擾。

有兩種特殊情況，一旦多普勒域中兩個(gè)目標(biāo)的坐標(biāo)間距為Na/4或Na/2，Na為慢時(shí)間采樣點(diǎn)，采用上述目標(biāo)檢測(cè)方法會(huì)出現(xiàn)虛假目標(biāo)和真實(shí)目標(biāo)估計(jì)不準(zhǔn)確的情況。因此，需要添加更多的信息來(lái)區(qū)分目標(biāo)和干擾，例如信號(hào)幅度、相位信息等。

個(gè)人心得：波形設(shè)計(jì)是4D成像雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以和天線(xiàn)布局與優(yōu)化、超分辨算法和跟蹤關(guān)聯(lián)合稱(chēng)為4D成像雷達(dá)的四大核心技術(shù)！

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【本期結(jié)束】

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