越來越多中等甚至低成本的汽車正在廣泛搭配輔助駕駛技術(shù)，技術(shù)平權(quán)的觀點(diǎn)也獲得了普遍認(rèn)可。駕乘者的輔助駕駛體驗(yàn)，需要更安全以及更可靠的電子系統(tǒng)作為底層支撐，構(gòu)建環(huán)境與汽車之間溝通的重要橋梁就是傳感器。
汽車輔助駕乘安全需要各類傳感器的配合，毫米波雷達(dá)就是其中一項(xiàng)相對(duì)新興的技術(shù)，毫米波雷達(dá)和圖像傳感器一樣，都可以感知外部環(huán)境信息，可應(yīng)用于前向雷達(dá)、角雷達(dá)以及成像雷達(dá)等等多個(gè)方面，可以與攝像頭一起進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，提供最可靠的感知數(shù)據(jù)。
另外，除了車輛外部之外，毫米波雷達(dá)還可以感知汽車內(nèi)部環(huán)境，從而進(jìn)一步保護(hù)駕乘安全。比如車內(nèi)兒童檢測(cè)、車輛乘員檢測(cè)/定位和分類以及入侵者檢測(cè)等感知場(chǎng)景，利用毫米波雷達(dá)都可以確保更高的安全性。
單芯片毫米波雷達(dá)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
毫米波頻率大致范圍是 10GHz - 200GHz，目前汽車應(yīng)用主要分為三個(gè)頻段，24GHz、60GHz 以及 77GHz。頻率越高的毫米波，波長(zhǎng)就越短，檢測(cè)目標(biāo)就越精細(xì)但實(shí)現(xiàn)難度更高。目前車外應(yīng)用主要以 77GHz 為主，也有部分 24GHz，車內(nèi)雷達(dá)則以 60GHz 為主導(dǎo)，但值得注意的是，60GHz 毫米波目前尚未在無線電管理領(lǐng)域形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，需要與監(jiān)管機(jī)構(gòu)合作以獲得更多許可或說明。
毫米波雷達(dá)傳感器相對(duì)于圖像傳感器具有多種優(yōu)勢(shì)，包括可以穿透塑料、衣服和玻璃等非金屬物體;不受霧、雨、雪和不良或刺眼光線等環(huán)境因素的影響;可以準(zhǔn)確的感知呼吸和心跳等活體指標(biāo);另外還有一個(gè)關(guān)鍵則是毫米波雷達(dá)不會(huì)儲(chǔ)存任何影像資料，可以保護(hù)隱私。
以往，雷達(dá)系統(tǒng)通常需要使用多個(gè)分立芯片來構(gòu)成，這些雷達(dá)系統(tǒng)體積龐大、功耗高且售價(jià)不菲。如今，毫米波雷達(dá)芯片供應(yīng)商可以利用 RF-CMOS 工藝，將射頻收發(fā)單元、PLL、模擬數(shù)字信號(hào)鏈以及數(shù)字處理部分整合在一起。但盡管如此，很多解決方案都需要一個(gè)外部的 MCU 或 DSP 來處理雷達(dá)數(shù)據(jù)。以德州儀器為代表的供應(yīng)商，真正把所有雷達(dá)子系統(tǒng)都集成到了單芯片中，從而將雷達(dá)系統(tǒng)的尺寸和外形尺寸縮小了 50%，并且降低了系統(tǒng)成本和硬件開發(fā)門檻。
CPD 功能確保兒童安全
CPD (Child Presence Detection) 兒童遺忘提醒功能，是最近一項(xiàng)熱門的艙內(nèi)安全部署方案，該場(chǎng)景可以充分體現(xiàn)出毫米波雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)——更精細(xì)及可靠的探測(cè)，更好的隱私性以及更靈活的部署。
據(jù)美國(guó)一項(xiàng)調(diào)查顯示，1990 年至 2023 年期間，約有 1083 名兒童被留在車內(nèi)因中暑死亡;過去五年間，平均每年有 40 名兒童因此死亡，在這其中有超過一半以上是父母不知情狀態(tài)下遺留造成的。為了預(yù)防這種悲劇一再發(fā)生，世界各國(guó)都開始正視 CPD。比如歐盟已經(jīng)將 CPD 技術(shù)列為 “E-NCAP 2025” 的標(biāo)準(zhǔn)配置之一，要求 2025 年所有新車輛必須配備 CPD 技術(shù)才能獲得最高安全評(píng)分，美國(guó)的熱車法案也有望于 2025 年通過，中國(guó) 2024 的 C-NCAP 上也首次將 CPD 納入評(píng)價(jià)體系。
CPD 主要由幾大系統(tǒng)構(gòu)成，包括檢測(cè)系統(tǒng)及提醒系統(tǒng)。一般而言，CPD 檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)方式分為直接識(shí)別和間接識(shí)別兩大類別，提醒系統(tǒng)則包括了手機(jī)通知、汽車警報(bào)等方式。
直接方式指通過嘗試檢測(cè)心跳、呼吸、運(yùn)動(dòng)、或其它生命指征來判定車內(nèi)否存在活體生物。間接方式指通過車門打開、壓力感應(yīng)、電容感應(yīng)等一些邏輯信息來推斷車內(nèi)人員存在的可能性。例如，壓力感應(yīng)通過檢測(cè)座椅上的壓力變化來判斷是否有兒童遺忘在車內(nèi)。間接方式的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確性高，容易安裝;缺點(diǎn)是對(duì)放置的物體會(huì)有誤報(bào)，而且對(duì)于不在座位上的活體無法有效檢測(cè)。目前，主流直接檢測(cè)方式主要包括了攝像頭、UWB 以及毫米波雷達(dá)三大主流技術(shù)。
CPD 應(yīng)該選擇哪種技術(shù)路徑
值得一提的是，從 2025 年開始，只有采用直接傳感技術(shù)的 CPD 解決方案才能獲得 E-NCAP 評(píng)分，所以直接識(shí)別方式無疑是未來市場(chǎng)的重點(diǎn)。另外，E-NCAP 還提高了檢測(cè)覆蓋要求，例如腳墊上，后備廂等都需要檢測(cè)到。
其中攝像頭由于隱私及光線遮擋等問題，并不適合最新的 CPD 要求。60GHz 毫米波雷達(dá)和 UWB 則是目前相對(duì)可靠的 CPD 方案。
其中，UWB 的功能相對(duì)單一，只能實(shí)現(xiàn) CPD，若要實(shí)現(xiàn)入侵檢測(cè)和占位檢測(cè)等功能，還需要增加額外的超聲波模塊和重量傳感器模塊。但是毫米波卻可以“一芯三用”。
“一芯三用”的高集成毫米波雷達(dá)芯片成本是 UWB 方案的 80% 左右，因此為了簡(jiǎn)化開發(fā)流程并減少成本，毫米波或是一個(gè)更佳選項(xiàng)。
毫米波雷達(dá)明星產(chǎn)品 AWRL6844
AWRL6844 是德州儀器新推出的毫米波雷達(dá)傳感器，通過運(yùn)行邊緣 AI 算法的單個(gè)芯片，支持用于座椅安全帶提醒系統(tǒng)的占用檢測(cè)、車內(nèi)兒童檢測(cè)和入侵檢測(cè)，助力更安全的駕駛環(huán)境。
作為一款雷達(dá)傳感器，優(yōu)秀的射頻前端不可少，這也是確保感知可靠性的關(guān)鍵。AWRL6844 集成了四個(gè)發(fā)送器和四個(gè)接收器，組成的 16 個(gè)虛擬通道可提供更高的空間分辨率，并且成本經(jīng)過優(yōu)化，非常適合 OEM 使用。
同時(shí)，雷達(dá)傳感器還需要集成更強(qiáng)大的算力，從而針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各類處理和計(jì)算。AWRL6844 具有雙精度 FPU (200MHz) 的 Arm™ R5F 內(nèi)核，以及用于 FFT、對(duì)數(shù)幅度和 CFAR 運(yùn)算 (200MHz) 的硬件加速器 (HWA 1.2)，另外還包括用于雷達(dá)數(shù)據(jù)后處理的 C66x DSP (450MHz)，片上 RAM 共計(jì) 2.5MB。
強(qiáng)大的多核異構(gòu)處理器，讓 AWRL6844 除了可以運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的各類檢測(cè)分類之外，還可以部署 AI 算法，這對(duì)于車內(nèi)檢測(cè)而言非常方便，有助于實(shí)現(xiàn)快速且準(zhǔn)確的新功能。
比如對(duì)乘員進(jìn)行可靠的檢測(cè)和定位，甚至通過智能聚類算法濾除車輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，準(zhǔn)確地識(shí)別行駛車輛中的乘客。特別的，針對(duì)兒童遺忘提醒，可以采用混合處理的方法加速部署。通過傳統(tǒng)雷達(dá)處理技術(shù)提取關(guān)鍵信息，本地機(jī)器學(xué)習(xí)模型則可以區(qū)分成人和兒童，這種混合方法能夠更快地對(duì)檢測(cè)模型進(jìn)行調(diào)優(yōu)和修改，從而縮短部署時(shí)間，且分類準(zhǔn)確率超過 90%。高準(zhǔn)確的分類檢測(cè)功能可以提高安全帶提醒和安全氣囊展開等系統(tǒng)的可用性，比如座椅上放置的重物將不再觸發(fā)安全帶提醒，或者識(shí)別車內(nèi)是兒童時(shí)，安全氣囊可以以不同的速度展開，從而降低撞擊傷害的風(fēng)險(xiǎn)。
而在在入侵檢測(cè)方面，AWRL6844 的機(jī)器學(xué)習(xí)能力可以更好的濾除環(huán)境中的噪聲，以更大限度地減少因車輛晃動(dòng)或車輛外部的運(yùn)動(dòng)而觸發(fā)的錯(cuò)誤警報(bào)，并縮短檢測(cè)周期，從而提升用戶體驗(yàn)。
更強(qiáng)大的安全性也是艙內(nèi)毫米波雷達(dá)的重要組成，任何一個(gè)汽車功能都有可能遭到黑客入侵或攻擊，隨著汽車電子部件的互聯(lián)功能越來越高，攻擊面也在逐步增加，為此需要保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)的安全規(guī)范。在功能安全相關(guān)方面，AWRL6844 達(dá)到了 ASIL-B 安規(guī)要求。在信息安全上，AWRL6844 帶有可編程嵌入式硬件安全模塊 (HSM)，支持安全認(rèn)證和加密啟動(dòng)，以及各種秘鑰算法及加密硬件加速器，其中包括 SM2、SM3、SM4 國(guó)密算法在內(nèi)，并滿足 ISO21434 網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證。
德州儀器的毫米波雷達(dá)家族
德州儀器的毫米波雷達(dá)產(chǎn)品系列涵蓋了從高性能雷達(dá)前端到超高分辨率、低功耗小型單芯片雷達(dá)的所有產(chǎn)品。無論是艙外的停車輔助、角雷達(dá)、前向以及 4D 成像雷達(dá)，還是艙內(nèi)或近場(chǎng)應(yīng)用的包括入侵者檢測(cè)、兒童遺忘提醒、安全帶提醒、隔空識(shí)別、門雷達(dá)等等，都有經(jīng)過專門優(yōu)化的一系列產(chǎn)品相對(duì)應(yīng)。
創(chuàng)新的封裝技術(shù)
傳統(tǒng)發(fā)射和接收天線通常安裝在 PCB 上，但是對(duì)于基板、PCB 設(shè)計(jì)復(fù)雜性、天線布局等都帶來了挑戰(zhàn)。對(duì)此，TI 也相應(yīng)開發(fā)了兩種天線技術(shù)，從而節(jié)省天線的開發(fā)成本、尺寸以及功耗。第一個(gè)是 AoP (Antenna-on-package) 封裝天線技術(shù)，將天線組件直接集成到了封裝基板上。另外一個(gè)是 LoP (Launch-on-package) 封裝上裝載技術(shù)，只需從裸片到封裝基板再到波導(dǎo)發(fā)射的兩次射頻轉(zhuǎn)換，然后便可以通過 PCB 波導(dǎo)將射頻信號(hào)直接饋送到 3D 天線，這一改進(jìn)減少了信號(hào)損失并提高了整體 SNR。
德州儀器毫米波雷達(dá)在封裝上的創(chuàng)新
感知未來
安全越來越成為汽車駕乘體驗(yàn)的重要加分項(xiàng)，未來的汽車需要更多的安全配置，無論是車內(nèi)還是車外，都需要配備更多且更準(zhǔn)確的傳感器，以保證可靠且準(zhǔn)確的現(xiàn)實(shí)世界反饋。
對(duì)于毫米波雷達(dá)傳感器而言，則正向著更高集成度，更小尺寸，更低功耗并且更具性價(jià)比的方向發(fā)展，確保每一公里的駕乘安全，真正讓消費(fèi)者放心。
（來源：德州儀器）
