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3.4 自动驾驶使用的高分辨成像雷达
如今，许多专为ADAS功能设计的汽车雷达收发器，如NXP半导体的MR3003和德州仪器的AWR2243，可以支持多达三个发射天线和四个接收天线。因此，使用具有MIMO雷达技术的单个汽车雷达收发器，只能合成12个虚拟阵列阵元。在本节中，我们介绍了利用MIMO雷达技术合成的具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
为了满足4级和5级自动驾驶的要求，需要将多个汽车雷达收发器级联在一起，并将所有收发器同步为一个单元。来自所有接收天线的接收数据将被相干处理。级联提供了一种经济有效且可扩展的解决方案，以实现高角度分辨率。在参考文献73中，通用汽车公司和德州仪器公司成功地演示了多达4个德州仪器公司的AWR1243雷达芯片可以级联在一起，提供12个发射天线和16个接收天线，从而实现192个虚拟阵列元素的合成。在[74]中，已经构建了级联5个Infineon雷达芯片的原型，用于合成128*4个阵元的虚拟阵列。如此多的虚拟阵列阵元为阵列设计提供了大量的机会。在[60]中可以找到几种方位角和俯仰角阵列配置。几种商用成像雷达产品具有不同的阵列配置，如采埃孚的前视全距雷达和大陆公司的ARS540[75,76]。通常，需要考虑平衡方位角分辨率和俯仰角分辨率的问题。
3.4.2 级联成像雷达示例
图3.15所示为成像雷达设计参考板，其中有12根发射天线和16根接收天线，由4个德州仪器AWR2243雷达收发器级联而成[77]。方位视场为[-70°，70°]。选择一个收发器作为主收发器，其他收发器作为从收发器进行时钟分配。这样可以实现4个收发器之间的同步，实现12个发射天线的相干FMCW发射和16个接收天线的联合数据处理。级联成像雷达的阵列配置如图3.15所示。有沿垂直方向放置的三个发射天线用于俯仰角查找，有沿水平方向放置的九个发射天线用于方位角查找。水平方向的虚拟阵列是一个半波长间隔的密集ULA，由86个虚拟阵列阵元组成(重叠虚拟阵列阵元未显示)。方位角方向阵列孔径为Dx = 42.5λ。在天线理论中，3dB波束宽度定义了角分辨率。根据文献[43]，方位角的3dB波束宽度为
(3.31)
在垂直方向上，三个俯仰角位置的天线沿水平方向形成多个最小冗余阵列(MRA)[78]。MRA的角度查找需要多个快照。这些沿水平方向的MRA可以用作俯仰角查找的快照。俯仰角阵列孔径为Dy = 3λ，俯仰角3dB波束宽度为
(3.32)
图3.15 德州仪器AWR2243成像雷达板(上图)[77]。4个TI AWR2243雷达收发器级联在一起，提供12个发射天线和16个接收天线(中图)，可以合成192个虚拟阵列元素(下图)。[6]
3.4.3 成像雷达设计挑战
在具有大量发射天线的FMCW成像雷达中实现波形正交性是一项具有挑战性的工作。一种策略可能是将发射天线分成几个子组。在每个子组中，发射天线采用慢时间相位编码(DDM)同时发射，而不同子组的天线则被安排在不同的时隙(TDM)发射。
多个级联收发器之间的时钟分配也具有挑战性。对于FMCW混频器工作，一个本振在主从端共享，并且从主从端到所有从端的本振路由必须匹配。此外，额外的ADC采样和不同收发器之间的数据传输需要同步。开发一种可以包含大量发射和接收天线的汽车雷达收发器是可取的。例如，Uhnder开发了一种雷达片上系统(SoC)，它有12个发射天线和16个接收天线，可以合成192个虚拟阵列元素[79](在后面的章节中更详细地讨论)。因此，如图3.15所示，级联成像雷达中现有的四个汽车雷达收发器可以用单个SoC雷达芯片代替。Vayyar开发的片上雷达(RoC)有48个76 - 81 GHz的收发器，可提供2000多个虚拟阵列阵元的合成[80]。