IWR1642 传感器的用例/架构

IWR1642 传感器是基于雷达的传感器，将快速 FMCW 雷达前端与集成式 Arm R4F MCU 和 TI C674x DSP 集成，用于高级信号处理。IWR1642 雷达前端的配置取决于发射信号的配置以及射频收发器的配置和性能、天线阵列的设计以及可用的存储器和处理能力。该配置影响系统的关键性能参数，如

距离和速度分辨率、最大距离和速度以及角度分辨率。

在设计交通监控用例的线性调频脉冲配置时，首先应考虑场景的几何形状、方位角和仰角的视场以及所需距离。我们以一个雷达传感器安装在位于高处的四车道十字路口点为例。对车道、中央分离带、人行横道、停止线和顶部传感器安装座的尺寸和位置进行假设，25 度以上的方位角视场可覆盖停止线及其附近 +60m 的道路。图 5 所示为该示例的交通监控几何图。

对于该示例，假设天线方向图为此方位角视场提供两个发射天线和四个接收天线（用于方位角估计），而在仰角轴中，视场为较窄的 15 度，无仰角处理。

图 6 所示为该示例的仰角几何图。

IWR1642 EVM 具有更宽的 120 度方位角视场，更宽的 22 度仰角视场，但是它具有足够的天线增益，可实现 +60m 距离的车辆检测。所以我们将 IWR1642 EVM 用作中等距离的线性调频脉冲配置示例的基础。

可对 IWR1642 传感器进行配置，从而进行灵活的设计，以适应交通监控中的不同用例。确定十字路口和天线方向图的基本几何形状后，考虑一些目标性能参数，并根据 IWR1642 传感器的收发器功能对这些参数进行权衡，然后进行线性调频脉冲设计。

特别要考虑以最大距离作为起点。让我们来看两个示例。一个示例针对 70m 的中等距离，并且包括发射多输入多输出 (MIMO) 处理，可提高角分辨率。另一个是远距离的 185m 设计，未进行 MIMO 处理。在这两种情况下，设置最大距离后，对距离分辨率和最大速度进行权衡，以达到更优距离分辨率，同时满足最大

速度要求。将速度分辨率提高到内部雷达存储器的实际限值也会提高收发器的有效范围。通过提供用于有效速度估算的额外处理能力，可进一步提升最大线性调频脉冲速度，从而达到最大线性调频脉冲速度的四倍或以上。经过这一额外处理，跟踪和速度估算值能够远高于车辆在高速公路上的速度。

该示例性线性调频脉冲设计从表 2 中所示的输入参数开始

将 IWR1642 EVM 天线方向图用于中等距离示例，可以预想到小型车辆达到 70m 的线性调频脉冲极限距离。对于远距离示例，轿车大小的车辆会达到最多 185m 的距离（具体视车辆大小而定）。

在该示例中，中等距离线性调频脉冲和帧设计包括对时分多路复用 MIMO 的使用。在这种情况下，两个发射天线将按载波波长的两倍分离，并且在帧时间段内，线性调频脉冲传输在两个天线间交替进行。因此，与不使用 MIMO 的情况相比，每个天线发出的发射信号的线性调频脉冲重复周期倍增，脉冲数减少了一半。

这以减小直接可测量的最大速度为代价，有效地使检测器的角度分辨率提高了一倍。如前所述，可以通过额外的信号处理来提高可测量的最大速度。

图 7 所示为中等距离示例中针对配置的数据快照，其中两辆车到传感器的距离分别为刚超过 40m 和 60m。系统很容易便能检测到这两辆车。

IWR1642 EVM 使用此线性调频脉冲和帧设计实现了针对交通监控的示例性处理链。

如图 8 所示，交通监控示例的信号处理链由以下模块组成，这些模块通过在 IWR1642 传感器的 C674x DSP 内核上执行的 DSP 代码实现：

• 距离处理：对于每个天线，采用 1-D 窗口操作和 1-D 快速傅里叶变换 (FFT)。距离处理与帧的有效线性调频脉冲时间交织。
• 多普勒处理：对于每个天线，进行 2D 窗口操作和 2-D FFT，然后以浮点精度对天线间的接收功率进行非相干结合。
• 距离-多普勒检测算法：对距离-多普勒功率映射运行恒虚警率-最小单元平均 (CASO-CFAR) 加 CFAR 单元平均 (CFARCA) 检测算法，找到距离和多普勒空间中的检测点。
• 角度估算: 对于距离和多普勒空间中的每个检测点，用多普勒补偿重建 2D FFT 输出。波束形成算法根据 Vmax 扩展的角度校正返回一个角度。

DSP 完成帧处理后，由距离、多普勒、角度和检测信噪比 (SNR) 组成的结果将经过格式化并写入共享存储器 (L3RAM)，以便 R4F 执行高级处理。

来自低级处理层的输入（点云数据）从共享存储器复制而来并适合于跟踪器接口。组跟踪器由两个子层实现：模块层和单元层。一个实例模块管理多个单元。在模块层，您应该首先尝试将输入云中的每个点与跟踪单元相关联。不相关的点将接受分配程序的安排。在单元层面，每次跟踪都使用已扩展的卡尔曼滤波器 (EKF) 过程来预测和估计组的属性。R4F 随后通过通用异步收发器 (UART) 将所有结果发送给主机以实现可视化。

表 3 列出了测量处理链（包括角度估算和 DSP 上的共享存储器写入以及之前的任务）整体每秒百万条指令 (MIPS) 使用量的 DSP 基准数据的结果。

在 C674x DSP 中实现的低级处理链有两个严格的最后期限：

• 线性调频脉冲处理的最后期限，定义为给定的线性调频脉冲应完成采集和距离处理的最晚时间。此期限为严格的最后期限，并使用可用裕量来估算采集期间的 DSP 负载。
• 帧处理的最后期限，定义为给定的帧应完成帧处理（多普勒、恒虚警率 (CFAR) 和到达方向 (DoA)）的最晚时间。此期限也是严格的最后期限，并可估算帧处理期间的 DSP 负载。

表 4 概述了在加载毫米波软件开发工具包 (SDK) 平台软件和示例应用程序代码后，DSP 可用的特定物理存储器及其使用情况。

Arm R4F 处理输入点云并提供目标信息所需的时间量是当前跟踪的目标数量和接收的测量数量（输入点云中的点数）的函数。处理时间随跟踪对象的数量呈线性增加。在跟踪对象数量固定的情况下，复杂度随输入点数量呈线性增加。以最坏情况下每帧点数等于 250 为例，可推导出每个跟踪对象所需的时间大约为 200µs。帧时间为 50ms 时，跟踪 20 个目标在 4ms 内完成，这将消耗不到 10% 的中央处理单元 (CPU)。

R4F 使用紧密耦合的存储器（256KB 的 TCMA 和 192KB 的 TCMB）。TCMA 用于程序和常量 (PROG)，而 TCMB 用于 RW 数据 (DATA)。表 5 总结了 R4F 的存储器使用情况，其中提供了总存储器占用空间、可用存储器空间和存储器利用率。