大陆ARS540长距离毫米波雷达收发器技术解析

近年来，自动驾驶成为了当下最热门的话题。随着自动驾驶技术的发展，作为其关键传感器之一的毫米波雷达，也得到了广泛关注。但就目前来看，海外巨头公司主导着全球毫米波雷达产业的发展，其中，大陆ARS540更以九项领先的绝对优势领跑全球毫米波雷达技术。

图为：大陆ARS540 首先，ARS540是分辨率最高的毫米波雷达，地平经度Azimuth或者说水平分辨率达1.2°，绝大多数毫米波雷达水平分辨率只有5°，ARS540是普通毫米波雷达水平分辨率的5倍。 其次，ARS540是具备能够真正测量目标高度的毫米波雷达，也就是其垂直分辨率Elevation较高，达到了2.3°。

图为：ARS540的高度测量 第三，ARS540有效距离在水平视场角（FOV）在100°情况下高达300米，其他毫米波雷达有效距离可达250米，但FOV会缩到只有8-10°，远低于ARS540的100°。 第四，ARS540是能够输出图像的毫米波雷达，大陆汽车称之为Rdar Detection Image Output RDI，效果直逼8线激光雷达。 第五，ARS540使用微多普勒技术，是可以检测道路弱势群体使用者VRU（如老年人和儿童）的毫米波雷达。 第六，ARS540是使用SAR合成孔径技术提高近距离分辨率的毫米波雷达，在10米范围内，ARS540可以使用SAR技术提高角分辨率。 第七，ARS540是不过滤静态目标的毫米波雷达。目前，绝大多数毫米波雷达为降低误报率，会过滤掉静态目标，ARS540具备超高分辨率，同时能检测物体高度，误报率大幅降低，所以保留了静态目标。 第八，ARS540是具备复杂交通场景下轨迹跟踪与预测的毫米波雷达。 第九，ARS540可以探测到隐藏的车辆。ARS540探测到隐藏车辆的几率从上一代最先进产品ARS430的40%，提升至80%，而大部分毫米波雷达只能做到20%。

侦查隐藏车辆（车队）

ARS540取得绝对第一性能的背后是其复杂的设计。

图为ARS540结构示意图 结构上，ARS540采用4片级联的形式，将4片NXP的77GHz毫米波雷达收发器（即MMIC）MR3003级联，每个MR3003是3发4收，4片就是12发16收，目前绝大多数毫米波雷达都是采用单片收发器，通常只有3发4收，也就是只有12个虚拟通道，而ARS540高达192个虚拟通道，分辨率大大提高。可以称之为图像雷达。

图为图像雷达注解；图片来源：恩智浦 目前绝大多数毫米波雷达都是处于第一阶段，即1片MMIC。目前大部分前向主毫米波雷达主要由大陆和博世垄断，中低端车型使用大陆的ARS4B、ARS408或ARS410，其核心都是一片比较老的NXP收发器MR2001，如特斯拉Model 3为节约成本使用最便宜的ARS4B，其有效距离最多只有170米，中国本土品牌多使用ARS410，有效距离250米。国外高端车型则使用ARS510，核心为一片最新的MR3003。博世在国内主推MRR1 PLUS，使用英飞凌的分离型收发器RRN7745P/RTN7735P。长距离的LRR4使用一片MR2001。

图为MR2001系统示意图。MR2001是MR3003的上一代产品，也是使用最广泛的长距离毫米波雷达收发器，博世、大陆集团、安波福、奥托立夫均有使用。

图为MR3003内部框架图 从上面两张图中，我们可以看到MR3003相比MR2001有很大变化，首先是MR3003集成了ADC即模拟数字变换，MR2001需要经过低通滤波器过滤后将模拟数据传输给MCU再处理，这当中信号或有损失，影响了精度，MR3003集成了ADC变换，不再将ADC放在MCU中，采用MIPI CSI2或LVDS输出，可以输出高带宽，为图像输出打下基础，也提高了信噪比，也就是分辨率和精度。其次是增加了功能安全模块。再次是集成了PLL锁相环电路，而不是MR2001那样外置VCO。成本更低，可靠性更高。最后，MR2001是4发3收天线设计，MR3003是3发4收天线设计。 MCU方面，ARS540也采用新一代的S32R274，而对应MR2001的一般是MPC5773。

图为S32R274的内部框架图 S32R274采用三核设计，两个e200z7260负责计算，一个e200z420负责安全。最高可达ASIL-D级安全应用。在通讯接口方面具备最大灵活度，远比上一代产品强，首先是增加了对以太网的支持，拥有以太网MAC，支持超过百兆以上以太网RGMII，可以输出图像。有一对Flexray总线通道，支持128位信息缓冲。有三个柔性CAN，可以支持CAN-FD。还有最高达320Mbps的Zipwire高速串行通讯。默认输出还是CAN，备选为以太网输出。

雷达信号处理示意图；图片来源：恩智浦 算法方面，主要是加强了CPI和DOA。Chirp是啁啾（读音：“周纠”），是通信技术有关编码脉冲技术中的一种术语，是指对脉冲进行编码时，其载频在脉冲持续时间内线性地增加，当将脉冲变到音频地，会发出一种声音，听起来像鸟叫的啁啾声，故名“啁啾”。FFT是快速傅里叶变换，CFAR是Constant False-Alarm Rate恒虚警率的缩写。在雷达信号检测中，当外界干扰强度变化时，雷达能自动调整其灵敏度，使雷达的虚警概率保持不变。具有这种特性的接收机称为恒虚警接收机。DOA(direction of arrival)估计算法是核心，这种算法通常需要比较高的算力，NXP或者说Freescale的Power架构比较合适，ARM架构则成本较高。DOA估计（或波达方向估计）：将接受信号进行空间傅里叶变换（空间傅里叶变换和离散时间傅里叶变换的区别是，空间傅里叶变换的求和是对阵元空间位置m，而时域傅里叶变换的求和变量时离散时间n），进而取模的平方得到空间谱，估计出信号的到达方向（空间谱的最大值对应的相位φ，再根据定义φ=2πdsinθ/λ，计算θ）。 ARS540采用双MCU设计，即两片S32R274。每一片S32R274连接两片MR3003。某种意义上讲ARS540等于4个ARS510雷达放在一个盒子里。这个难度远高于一个雷达，雷达是超高频元件，互相之间很容易出现干扰，其中很多诀窍不是靠电脑仿真就能解决的，需要长时间的经验累积，不仅要有射射频电子领域的经验，还要有对材料和机械结构领域的经验。ARS540也是第一个采用级联设计的量产毫米波雷达。不仅设计很具有挑战性，在生产工艺也是如此，外壳的材料厚度都会影响雷达性能，这些导致雷达一致性在生产工艺上面临巨大挑战，很多领域都是靠经验积累才能解决的，中国不缺优秀的设计师，但是经验丰富的一线员工则完全没有。 随着毫米波雷达性能的增长，对激光雷达地位开始产生威胁，特别是4线激光雷达。未来如果实现6个或8个单位级联，那么毫米波雷达将对16线激光雷达产生威胁。与此同时，毫米波雷达还在性价比和车规方面拥有压倒性优势，这也就意味着，未来激光雷达要着力提高分辨率才能保证其地位。