论文速览 | Mobisys 2024 | Enhancing mmWave Radar Sensing Using a Phased-MIMO Architecture | 增强毫米波雷达感知的Ph
论文速览 | Mobisys 2024 | Enhancing mmWave Radar Sensing Using a Phased-MIMO Architecture | 增强毫米波雷达感知的Phased-MIMO架构
毫米波雷达技术在消费级应用中扮演着关键角色，在自动驾驶技术发展迅速的今天已经渗透到多个领域，并非没有其他替代方案可用。然而，在智能空间和健康监测等新兴领域中仍面临性能受限和复杂度较高的挑战。本文致力于开发一种先进且灵活的新式Phased-MIMO雷达平台，并命名为HybRadar以期彻底解决这些局限性问题。深入探讨了该论文提出的创新思路、采用的技术手段以及实验验证结果，并对未来研究方向进行了展望。
1 引言
毫米波雷达经过长期的应用积累，在航空、国防以及气象等领域的技术发展已形成完整的生态体系。随着射频技术的不断提升，在消费级领域已经展现出显著的技术优势，并逐渐成为推动相关技术进步的重要方向。在车辆感知与行为分析系统、智能健康管理设备以及运动监测设备等多个方面，毫米波雷达均展现出巨大的市场前景。相较于传统光学传感器（如摄像头和激光雷达），毫米波雷达凭借其独特的抗干扰能力，在复杂环境下的性能表现更加卓越。
然而，在空间分辨率方面，当前的消费级毫米波雷达相较于军事级雷达仍存在明显差距。主要原因在于其受限于成本、功耗以及外形尺寸的限制。此外，在此前提下，雷达的技术性能指标——角度分辨率——受其有效天线口径制约，并正相关于其天线元素的数量。
2 动机
2.1 Phased-MIMO架构
2.1.1 全MIMO架构的不足
当前大多数毫米波雷达系统采用全MIMO架构方案进行设计与实现。该方案将每个射频链路独立地连接到一个被动天线装置，在确保信号传输效率的同时实现了发射与接收路径上的灵活配置能力。尽管如此，在实际应用中由于MIMO架构所带来的硬件复杂度仍然制约着物理化天阵规模的增长潜力。具体而言，在现有技术条件下每增加一至二个物理化天阵单元就需要引入完整的射频链路系统这一系列关键组件包括数据转换器、混频器以及滤波器等从而显著提升了系统的建设成本以及运行效率水平
2.1.2 Phased阵列雷达的局限
相较于全MIMO雷达而言,Phased阵列雷达 借助相移器将多根天线集成至同一射频传输链路中,尽管这种架构降低了硬件成本,但其受限于模拟波束成形功能的局限性,必须采用多次波束扫描的方式来覆盖广角区域,从而在实时操作方面存在一定瓶颈
2.1.3 Phased-MIMO雷达的潜力
近年来，Phased-MIMO雷达（也称为子阵列MIMO雷达）被提出为在上述两种架构之间实现平衡。该技术采用了子阵列天线架构设计，并确保每个射频链路均与一个相控阵列相连。这种架构被认为是实现天线元素扩展的理想方案，在硬件复杂性和成本受限的情况下实现了与激光雷达相当的空间分辨率和目标检测能力。
2.2 软件定义雷达 (Software Defined Radar)
在现代毫米波雷达系统中，软件定义（SD）平台提供显著的灵活性与可编程性特征，在此基础之上研究人员得以迅速迭代及测试新型雷达算法与架构设计。本文所提出的新颖解决方案中采用的HybRadar平台完全遵循软件定义雷达技术框架。本节将深入探讨HybRadar系统的数字与模拟雷达实现方案。
2.2.1 数字雷达
数字雷达采用将雷达波形直接输入基带的方式实现其功能。该方法显著提升了波形设计的灵活性，并特别适用于高级雷达波形设计以及感知与通信融合的研究与开发。
2.2.1.1 波形合成与处理
数字雷达基于基带技术合成宽谱段雷达信号（如4 GHz频段），依赖于高性能基带处理器芯片组（如Xilinx RFSoC）的支持。为了保证系统兼容性需求，在HybRadar前端系统中配置了专门开发的适应模块来满足不同频段的需求。鉴于标准XM500平台不具备全频段覆盖能力，在原有设备基础上进行了功能优化升级，并成功实现了多频段协同工作模式。
2.2.1.2 实验验证
在初始实验阶段，研究团队采用了数字雷达系统对一个角反射器进行了精确测量。该反射器位于离测试设备约2.5米远的位置，并具有雷达截面积（RCS）值为12 dBsm的特性参数。研究者发射了一个频率范围从-2 GHz到2 GHz的连续频率啁啾信号序列，并将其持续时间设定为90微秒。通过接收端与传输端的相关运算实现目标检测。由于主控阵列单元之间的直射路径存在较强的信号泄漏现象，在优化过程中发现即使主控阵列单元之间存在较强的直射路径泄漏现象，在优化过程中发现即使主控阵列单元之间的直射路径存在较强的干扰源导致信号泄露问题，在优化过程中发现即使主控阵列单元之间的直射路径存在较强的干扰源导致信号泄露问题，在优化过程中发现即使主控阵列单元之间的直射路径存在较强的干扰源导致信号泄露问题，在优化过程中发现即使主控阵列单元之间的直射路径存在较强的干扰源导致信号泄露问题，在优化过程中发现即使主控阵列单元之间的直射路径存在较强的干扰源导致信号泄露问题，在优化过程中发现即使主控阵列单元之间的直射路径存在较强的干扰源导致信号泄露问题，在优化过程中发现即使主控阵列单元之间的直射路径存在较强的干扰源导致信号泄露问题，在优化过程中发现即使主控阵列单元之间的直射路径存在较强的干扰源导致信号泄露问题，在优化过程中发现即使主控阵列单元之间的直射路径存在较强的干扰源导致信号泄露问题，在优化过程中发现即使主控阵列单元之间的直射路径存在较强的干扰源导致信号泄露问题
2.2.1.3 数字雷达的局限
尽管成功实现了数字雷达，但它面临两个主要限制：
高昂的成本：采用Xilinx RFSoC方案会导致约为1.1万美元的成本支出。
详细处理流程涉及实时采样、相关计算以及数据整合管理等环节，这将显著提升系统的评估与开发难度。
2.2.2 模拟雷达
相对于数字雷达而言，在功能上实现了替代
2.2.2.1 硬件设计
模拟雷达硬件高度模块化，每个模块包括：
- FMCW调制装置 输出13至17 GHz范围内的频率扫描信号。
- 此雷达前端PCB单元负责放大、分配和去啁啾输入信号，并将基带信号送至ADC进行采样。
- 通过整合商用802.11ad无线模块组（PAM），该相控阵列实现了实时控制与同步管理。
2.2.2.2 系统集成
集成步骤包括：
- 同步机制：确保时钟源、啁啾合成器与控制FPGA之间实现同步操作，在HybRadar系统中随着新增模块而扩展天线口径。
- 传输路径设计：借助频率合成器与压控振荡器生成具备频率扫描能力的雷达啁啾信号，并进行倍频处理至13-17 GHz范围。
- 接收路径设计：接收信号经过Rx PAM下变频和混频处理后生成基带信号，并采用高通滤波器与放大器确保接收信号的信噪比。
2.2.2.3 基带电路设计
基带电路实现：
- 基于直达通道的图像去噪技术：采用高通滤波器进行去噪处理，在消除低频噪声影响的同时，显著提升了基带放大器的线性性能。
- 可变增益放大器（VGA）：采用高性能LMH6882芯片应对不同工作状态下的信号变化，并保证与数字前向通道的有效连接。
2.2.2.4 多射频链路扩展
HybRadar的1Tx-1Rx模块设计基于集成多个FMCW前端板能够方便地扩展至多Tx多Rx系统。利用RF分配器生成多个啁啾信号副本以保证不同通道间的相位一致性与功率传输效率。
2.2.3 数字雷达与模拟雷达比较
表1详细比较了数字雷达与模拟雷达在关键设计方面的显著差异。数字雷达凭借其灵活的波形设计和强大的宽带处理能力，在研究应用中表现出色；相比之下, 模拟雷达凭借其经济性及简单的数字信号处理方案, 在实际应用中更具可行性.
3 方法
3.1 HybRadar平台设计
HybRadar** 是一个高度可编程的Phased-MIMO雷达平台。该系统能够通过多条射频链路执行数字波束成形任务，并每条射频链路均连接一个包含32个天线单元的相控阵列组件。这种架构设计赋予了HybRadar以高度扩展性，在实际应用中只需添加更多射频链路组和完整的相控阵列集合即可轻松实现规模扩展需求。此外，在系统运行过程中我们还可以灵活配置相控阵列的不同波束模式及子阵列排列方式，并支持所有Phased-MIMO基带处理算法的设计与实现。
3.2 雷达硬件设计
HybRadar采用了高度模块化的硬件架构设计，在各个功能组件之间实现了良好的协同工作状态。该系统由三个关键设备单元构成：FMCW啁啾合成器 作为核心信号生成单元；雷达前端PCB 负责信号接收与初步处理；以及相控阵列模块（PAM） 实现空间方向调节功能。通过在时间轴线、相位/频率维度以及专用控制信道路径上建立起统一的同步机制，在确保各设备单元间协调工作的基础之上，该系统架构能够随着新增功能单元的引入而持续提升其最大天线跨度能力
3.2.1 相控阵列模块
我们对一款商用802.11ad无线设备进行了PAM功能升级，并成功开发出一套优化应用方案，在该设备上实现了Phased-MIMO雷达系统的有效运行。所采用的技术架构基于6×6均匀平面阵列（UPA）结构，在四个角落位置上的天线未启用状态以减少干扰源。该系统内部集成了一种功能配置灵活的波束成形器组件，在二维空间内可分别实现2-bit相位调节与1-bit幅度控制功能组合，在不同工作频段均能稳定输出多达128种独立可调波束模式
3.2.2 传输路径设计
我们采用了ADF4159频率合成器与HMC587压控振荡器来生成雷达连续波雷达所需的chirp信号。继而利用两级chirp合成器放大6.5至8.5 GHz范围内的chirp信号至13至17 GHz频段。借助功分器将放大后的chirp信号分为两路并分别传输至Tx PAM模块与Rx mixer模块进行处理
3.2.3 接收路径设计
捕获到的FMCW信号经PAM调制后变 freq 至13至17 GHz。接着利用混 freq 器将Tx-Rx啁啾信号进行处理。接收链路包含高通滤波模块、放大组件以及用于调制的混 freq 部件。
4 实验和结果
4.1 多通道校准
为评估HybRadar系统中多通道校准方案的可靠性，在实验环境中进行了系统的标定过程研究。该研究详细说明了以下标定流程：首先设置基准天线阵列；其次通过同步信号初始化各子链路；最后利用自适应滤波算法进行误差补偿，并对标定结果进行精确评估以确保系统性能达到预期指标。
- 初始设置 ：在一个与雷达正前方7.5米的位置安装一个三面角反射器作为基准目标。
- 单通道测量 ：依次开启每一个Tx-Rx PAM模块并记录目标所发射出的反射回波信号。
- 相位和幅度校准 ：通过对各组Tx-Rx PAM模块响应值进行分析对比结果来计算出相位差值与幅度偏差从而获得校准向量参数。
- 验证效果 ：将该参考反射器移至不同空间位置并对相应的距离参数及方位角变化情况展开分析观察其测量精度的变化情况。
在未校定时，在分析过程中我们注意到同一场景的角度谱图呈现出明显的旁瓣特征（如同一场景中所示）。经过使用校准向量处理后，在此过程中这些旁瓣特征得以明显增强（如同一场景中所示），这证明了校准的有效性。
4.2 角度分辨率测量
用于测定HybRadar在不同PAM配置下的角度分辨率的研究工作主要包含以下内容：
- 实验设置 ：在雷达前方7.5米处放置两个相同的三面角反射器，逐渐减小它们之间的距离，直到角度谱图无法区分它们。
- 配置 ：实验分别使用了1Tx-1Rx、1Tx-2Rx、1Tx-3Rx和2Tx-2Rx四种配置，Rx PAM之间的间距为11𝑑 (满足公式(3))，2Tx-2Rx配置中Tx PAM的间距为22𝑑。
- 结果分析 ：通过测量不同配置下的角度谱图，我们发现随着PAM数量的增加，角度分辨率显著提高。
图14(a) 展示了角度分辨率如何随着PAM数量的增加而变化。实测数据与理论预测之间存在一定程度的差异。这一差异主要归因于实际测量中PAM间距公差、角反射器尺寸以及信噪比（SNR）的影响。特别值得注意的是，在采用双输入双输出（2Tx-2Rx）配置时，HybRadar系统成功实现了高达2.46度的角度分辨率。
4.3 雷达链路预算分析
为了评估HybRadar的检测能力，我们进行了一系列链路预算分析：
理论模型 ：基于雷达方程估算多种目标的检测距离。该方程具体表示为：
\text{SNR} = \frac{\sigma P_t G_{\text{ant}}^2 G_{\text{tx}} G_{\text{rx}} \lambda^2}{(4\pi)^3 d^4 k T B_n F}
其中，雷达截面积 (RCS) 用于表示目标的散射特性； radar cross-section (\sigma) 是其关键指标；发射功率 (P_t) 则直接影响探测能力；发射阵列增益 (G_{tx}) 和接收阵列增益 (G_{rx}) 分别代表系统的放大效应；载波波长 (\lambda) 和目标距离 (d) 则影响信号传播特性；噪声带宽 (B_n) 是指接收带宽；温度 (T) 和玻尔兹曼常数 (k) 影响系统噪声水平；最后接收机噪声因子 (F) 则衡量了信号的有效采集能力。
实验结果表明：将角反射器放置在雷达前方特定位置，并开启不同数量的天线以进行SNR测量。测试数据显示，在所有Tx和Rx天线均被激活的情况下（即全部工作状态），SNR提升了大约25分贝（dB）。这导致最大检测距离显著扩大了约20至25米的范围。
多目标探测技术：在实际场景中测定人体、自行车以及汽车等常见物体的信噪比（SNR），并基于雷达方程计算其检距能力。研究结果表明，在单天线接收机配置下（即1Tx-1Rx），绝大多数物体的检距均超过12米。当接收机通道数量增加时（即从单天线扩展至多天线配置），检距能力随之提升。
表3归纳了不同目标在单发射天线与不同接收天线配置下的最大检测距离。结果显示，在短距至中距毫米波雷达实验中使用HybRadar取得了显著的效果。
4.4 3D点云生成
我们的目标是通过HybRadar系统来演示其在高分辨率3D点云图像生成方面的卓越性能。为此，在实验室环境中对HybRadar系统的能力表现进行了多维度测试和评估，并收集了相应的数据样本作为参考依据。在...范围内进行了多维度测试和评估，并收集了相应的数据样本作为参考依据。
- 硬件设置 ：垂直放置2个Tx PAM，水平放置2个Rx PAM，中心间距为11𝑑。采用SCA阵列合成方法，1Tx-1Rx配置下虚拟阵列大小为11x11，2Tx-2Rx配置下为22x22。
- 数据处理 ：扫描36x36的波束，获得观测矩阵Y。对每个相关距离bin进行LS估计，生成虚拟阵列。使用MUSIC算法提取反射点的方向角（DoA），并生成最终的3D点云。
- 实验结果 ：选择人体作为成像对象，分别在1单Tx天线+1Rx PAM、1Tx PAM+1Rx PAM和2Tx PAM+2Rx PAM三种配置下进行实验。结果显示，随着配置复杂度的增加，点云的分辨率和精度显著提高。
图18 呈现了多种配置下的三维点云图像分布情况。通过实验结果表明，在2Tx-2Rx配置下生成的三维点云形状能够与实际目标高度保持一致。从而突出显示了HybRadar在高效生成高分辨率三维点云图像方面的卓越性能。
4.5 压缩雷达波束扫描
为了评估HybRadar系统在高速扫描方面的性能表现, 我们基于压缩感知理论开发了一种高效的波束扫描技术
- 问题描述 ：CS雷达通道估计利用毫米波通道的稀疏性，减少波束扫描次数。在有限的波束扫描下，通过稀疏恢复技术（如OMP和SBL）解决稀疏波束空间向量。
- 码本设计 ：基于Hadamard矩阵设计CS码本，确保全空间覆盖和波束间重叠。与DFT矩阵码本和随机码本进行对比。
- 实验结果 ：在随机放置40个角反射器的环境中，验证不同CS方法的角度精度和错误率。结果表明，设计的CS码本在仅使用全MIMO四分之一波束对的情况下，性能优于DFT和随机码本。
图20详细描绘了不同CS方法与码本组合下测量精度与识别误差的表现。研究表明，在动态环境下通过优化CS算法以及智能配置虚设阵列，HybRadar系统能够实现精准且高效的数据捕捉能力。
5 不足和未来展望
5.1 扩展至大规模Phased-MIMO雷达
目前的硬件配置能够兼容最多4Tx和4Rx通道。未来可通过更换内核控制器为外部时钟合成器来扩大系统规模。另外，建议设计一个完整的时钟分配网络以确保相位一致性与足够的功率传输能力。
5.2 Tx相控阵列的有限收益
在工程实践中，受限于最大有效全向辐射功率（EIRP）的限制，在进行波束成形时需对功率进行优化调整；该类阵列无法带来信噪比的提升。另一方面，在天线间距较小时的情况下，在传输端（Tx）和接收端（Rx）同时部署相控阵列会导致虚拟阵列中出现大量重叠元素；一种更为合理的权衡策略可能是优先在接收端（Rx）部署Phased-MIMO结构，并维持完整的MIMO架构于传输端（Tx）。
5.3 多功能优化
未来研究可进一步提升CS算法性能，并基于雷达感知的特定先验知识进行拓展（例如基于Tx/Rx天线共址所带来的相同方位角（AoA）和方向角分布（AoD））。此外可改进虚拟阵列设计以减少重叠元素及扫描次数从而显著提高感知速度从而使Phased-MIMO雷达系统在高动态工作环境下展现出更强的优势
6 总结
基于Phased-MIMO架构设计的毫米波雷达系统HybRadar是一种创新性解决方案。该系统采用稀疏PAM配置，在仅消耗有限射频链路资源的前提下达到了卓越的方位分辨率。本研究通过实验验证和实际案例分析展示了关键组件的选择逻辑及其系统的多样性和灵活性。该系统有望成为推动未来毫米波相控阵雷达技术发展的重要工具。