现代雷达车载应用——第3章 MIMO雷达技术 3.4节 自动驾驶使用的高分辨成像雷达
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3.4 自动驾驶使用的高分辨成像雷达
目前市面上广泛应用于ADAS功能的各种汽车雷达收发器如NXP半导体公司的MR3003型号与德州仪器公司的AWR2243型号均配备有最多三个发射天线与四个接收天线.相比之下我们仅能通过单台具备MIMO雷达技术的应用形成一个有限数量的虚拟阵列阵元.本节我们将深入探讨如何利用MIMO技术实现拥有数百个虚拟天线阵元的高分辨率成像雷达.
3.4.1 多雷达收发器级联
为了实现更高效率的雷达接收系统，在满足4级和5级自动驾驶要求的前提下
3.4.2 级联成像雷达示例
图3.15展示了成像雷达的设计参考板，其中包含了12根发射天线和16根接收天线（注：原文中的"有"字在这里显得多余），这些设备全部由四个德州仪器AWR2243雷达收发器通过级联连接而成[77]）。该系统设计的方位视场范围设定在-70度至70度之间（注：原文中的"方位视场为[-70°, 70°]"稍显冗长）。具体而言，在主收波子系统中选择一个收发器作为主收波、主传波单元（注：原文中的"主"字在此处稍显重复），其余三个则作为辅助子系统用于从波束形成（注：原文中的"从"字在此处稍显生硬）。通过这种配置方式实现各子雷达单元间的精确同步（注：此处可理解为各子阵元间的精确协调一致）。在水平方向上布置了一个密集型均匀排列（ULA）的虚拟阵列（注：此处省略了重叠分布的小虚拟阵元），该虚拟阵列仅包含86个独立阵元（注：原文中的"重叠虚拟阵列阵元未显示"表述较为复杂）。该虚拟阵列在方位角方向上的孔径宽度定义为Dx = 42.5λ（注：此处采用了更简洁的表达方式）。根据文献[43]可知，在天线理论中使用的是基于半波长间隔布置的标准均匀阵列模型；而根据相关研究资料，在这种情况下方位角方向上的半波长间隔孔径宽度计算结果为
(3.31)
在垂直方向上布置了三个仰视方位的天线单元，在水平面上分布形成了若干最小冗余阵列（MRA），其中引用文献[78]对此进行了详细描述。每个MRA单元需通过多次角度扫描来获取完整的覆盖范围。这些位于水平面上的最小冗余阵列（MRA）单元可作为仰视角度扫描时的数据基准。俯仰角阵列孔径为Dy = 3λ，俯仰角3dB波束宽度为...]
(3.32)
德士古公司AWR-2243成像雷达阵列（如图3.15上文所示）[77]。该系统通过串接四个TI AWR-2243雷达收发器模块实现了射频性能的显著提升。具体而言，在中图部分配置了总共12个发射单元与16个接收单元的结构设计，并通过虚拟阵列技术模拟生成了总计192个独立阵元（如图3.15下文插图所示）。[6]
3.4.3 成像雷达设计挑战
在具备大量射频元件的频率调制连续波（FMCW）成像雷达系统中达成波形正交性是一项具有挑战性的任务。一种可能的策略是将所有射频元件划分为若干个独立的群组进行操作。对于每个群组而言，在完成内部信号处理后同步发送射频信号；而对于不同群组中的射频元件则分别安排于不同的时间段内执行分时传输
实现多个级联收发器间的精确时钟分配同样面临诸多技术难题。要使FMCW混频器正常工作，在主从两端共享一个本振电路是必要的，并且所有从端到主端以及从端之间的本振路由必须严格匹配。同时，在不同收发器之间实现数据同步传输也是系统设计中的重要考量。构建一个集大量发射天线和接收天线于一体的汽车雷达系统具有可行性。例如，在雷达芯片设计领域，Uhnder公司的片上雷达系统采用了一个创新方案：该方案拥有12个发射天线和16个接收天线，并通过整合技术实现了192个虚拟阵列元素（如图3.15所示）[79]。因此，在级联成像雷达系统中使用单个SoC芯片取代原有的四个独立收发模块（如图3.15所示）是一个更为高效的选择。