毫米波雷達如何重振交通管理

德州儀器 KEEGAN GARCIA

單晶元雷達解決方案簡化了硬體和軟體設計，降低了進入門檻

交通運輸系統對於在世界各地快速、高效和安全地運送乘客和貨物至關重要。所以運輸系統和相關的基礎設施必須通過收集運營環境周圍的數據和感測條件來應對長期和實時的變化。交通工程師可以使用這些數據來建立統計數據，並幫助確定未來的基礎設施投資，而駕駛員也可以使用這些數據來幫助管理他們的路線。

到2022年智能交通市場預計將達到636億美元以上，這個信息的價值是顯而易見的。然而，雖然交通監控系統能夠在各種條件下提高運輸效率和安全性，但是設計人員正面臨著各種感測方面的挑戰如下。

* 位置和速度測量：交通數據需要提供交通位置（位置）和流量（速度）的知識。它可能包括距離交叉路口停車欄或接近車速的距離。

* 全天候運行：由於交通基礎設施感測器大多數都位於室外，無論天氣如何，它們都必須能夠正常工作。例如，白天和夜晚的各種燈光場景，以及雨天、雪、霧和灰塵等惡劣天氣下的一致功能。

* 在擴展範圍內進行高速物體檢測：感測器必須能夠檢測並測量更長距離的更快移動的通信量。例如，如果一個系統能夠感知距離十字路口較遠的車輛，它可以更好地控制綠色和黃色的持續時間，以預測傳入的交通量。

* 精度和性能測量：準確理解車道位置與感測器的車距，以及車速對於流量監控基礎設施的有效運行至關重要。

現有的交通監控技術

目前有多種感測技術用於流量：監控應用。它們服務干不同的市場，每個功能都有獨特的優點和缺點。

* 感應迴路感測器：在這些解決方案中，絕緣和導電的導線穿過巷道中的切口。一個電脈衝通過這根導線，並且由於汽車通過而引起的電感變化指示車輛何時佔據空間或經過。雖然常見並且很好理解，但是感應式迴路感測具有以下幾個缺點。

首先，檢測僅限干環路安裝處的「存在」，因此預測迎面而來的交通是困難的。其次，系統的規模要求每個區域和車道在交叉路口都有自己的環路，這是一個昂貴而複雜的系統實施。

最大的缺點是安裝或修理這些系統需要挖掘路面。考慮到安裝這些系統以及通常較短的使用周期（一到兩年），感應環路系統的總體成本便迅速增加。

* 相機和基於視覺的感測器：使用視頻圖像處理器、相機和基於視覺的感測器從CMOS圖像感測器捕獲圖像數據，然後，分析這些圖像以確定交通行為。

這些系統不僅可以測量十字路口和高速公路的交通行為，還可以將實時視頻傳輸給運營商。

然而，環境條件的變化——日夜循環、陰影和惡劣的天氣——直接影響到這些系統「看見」的能力。而且，這些視覺挑戰要求具有先進的信號處理和演算法，同時也增加了系統的複雜性。

基於毫米波雷達的流置監測

一種在交通監控市場獲得吸引力的技術是雷達，特別是基於毫米波（mmWave）雷達技術的解決方案。毫米波雷達具有很多獨特優勢，包括：對光線或天氣的不敏感性、與基於視覺的技術相比更加廣泛的適用範圍，以及更髙的精度、在交通監控應用中更出色的表現（見圖1）。

圖1 毫米波雷達通常安裝在交通桿上，不受路況影響

因此，當涉及到交通管理系統所面臨的挑戰時，毫米波雷達能夠以各種方式提高運輸效率和安全性。

* 在全天候條件下工作：熟悉雷達應用和射頻信號傳播的人可能知道，雷達對變化的環境條件不敏感。特別的，毫米波有能力穿透和感知不利的天氣條件，如夜間、煙霧、雨水（圖2）。這種能力使得毫米波雷達成為一個強大而一致的解決方案，用於在不受控制和變化的環境中進行室外感測。

圖2 無論天氣條件如何，毫米波雷達都可以在較大範圍內檢測車輛

* 在擴展範圍內檢測高速物體：毫米波雷達使用77GHz範圍內的快速頻率調製連續波（FMCW）雷達，與傳統雷達系統相比具有多項優勢。通過天線設計和射頻配置相結合，可以使77GHz雷達系統能夠在150m範圍內輕鬆檢測速度超過100km/h的車輛目標。

* 物體測量精度：集成處理的快速FMCW雷達能夠在1s內多次測量場景中多個目標反射體的範圍、徑向速度和角度。使用毫米波解決方案的交通監控系統可以在遠距離範圍內以高速度解析度實時輕鬆識別和跟蹤多輛車輛。

克服雷達設計挑戰

然而，實施雷達解決方案存在一些挑戰。今天的雷達解決方案需要多個分立元件來創建完整的解決方案，包括一個RF前端和一個數字處理後端（見圖3）。

圖3 分立毫米波雷達設計的一個視圖，該設計使用分立的晶元用於射頻前端和數字處理後端

分立雷達系統需要像MCU這樣的中央控制器來將控制信號傳輸到所有分立元件。這可能會產生電磁干擾（EMI）效應，最終導致「嘈雜」的系統。

這種缺乏集成性的系統增加了設計的複雜性，並且以犧牲系統尺寸、成本和功耗為代價。此外，分立雷達系統在不斷變化的條件和應用需求的情況下產生了更多的軟體挑戰。

在76GHz~81GHz頻段工作的新型毫米波雷達解決方案通過將DSP與基於ARM內核的強大MCU集成，克服了上述這些缺點（見圖4）。單晶元解決方案無須在分立前端、模數轉換器和處理部件之間進行高速數據傳輸。

圖4 單晶元解決方案簡化了毫米波雷達的硬體和軟體設計

處理鏈僅在DSP上實現，而ARM處理器可用於追蹤邏輯、對象分類、流量統計報告、I/O功能和感測器管理等更高級別的處理及管理功能。

值得注意的是，物體檢測和跟蹤是理解及分析交通環境的關鍵步驟。單晶元解決方案可以提供先進的演算法，提供實時智能來檢測、跟蹤和分類對象。

DSP執行目標聚類和跟蹤演算法，處理車輛如何移動的數據，然後MCU可以對動態業務進行智能和實時反應。單晶元解決方案還有助於實現小型化應用，從而精確測量物體的範圍、速度和角度。

結論

毫米波雷達的獨特功能使其能夠在感測器邊緣進行髙性能的檢測和分析，使其成為智能交通監控應用的理想選擇，同時，單晶元解決方案降低了進入毫米波雷達設計的技術障礙。

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