基于毫米波雷達的車內成員監測系統設計

張 濤

（淮南聯合大學 智能制造學院，安徽 淮南 232038）

0 引 言

隨著車輛的增多，因孩子被遺留在車內而中暑甚至窒息死亡的情況經常發生，而這種情況在每年的5 月底到9 月初達到高峰。近年來，因將兒童遺留在轎車或校車內而致兒童死亡的事件時有發生，在這些慘痛的教訓面前，配置車內人員監測系統刻不容緩。當前汽車制造商們已經開始著力解決這一問題。據報道，美國目前正在推動立法，希望減少類似事故的發生，規定今后所有新出廠的汽車都必須配備這一功能。最簡單的方法是通過壓力傳感器來判斷汽車后門的使用情況，以及在司機離開車輛時，伴隨著提示司機檢查車內情況的警告音來監測車輛后門的使用情況[1]。

目前，我國車內主要使用紅外探測器、超聲波雷達、攝像頭等探測傳感器，暫時還沒有很好地應用毫米波雷達。紅外線易受熱源、陽光源干擾，被動紅外穿透力差，人體紅外輻射易被遮擋，不易被報警器接收，尤其當環境溫度和人體溫度接近時，探測靈敏度明顯下降，嚴重的甚至會短時失靈。超聲波雷達分辨率差，復雜環境下檢測效果變差，高溫時靈敏性下降。攝像頭對光線要求極高，易受灰塵等影響，且成本高。本設計方案所述車內成員檢測雷達采用77 GHz 頻段大帶寬，探測精度極高，不受光線、溫度、灰塵等影響，利用MIMO 技術能有效剔除車內靜止物雜波的干擾，準確檢測出活體目標，為解決車內兒童遺留、駕駛員疲勞駕駛檢測等問題提供了智能化解決方案[2-3]。

毫米波雷達是目前唯一能夠全天候工作的傳感器，其不受逆光、霧霾、雨雪和沙塵等惡劣天氣的影響，是科技和產業界公認的主流技術。采用毫米波雷達的監測系統不同于座椅上的傳感器，毫米波雷達可以區分座位上的兒童和物體，主要是通過監測人體呼吸過程中的身體細微起伏來實現，從而降低了誤報的可能性。相比攝像頭，毫米波雷達還可以獲取人員的呼吸和心跳信息，有利于保護用戶的隱私。除了車內人員監測，毫米波雷達系統也可用于其它安全功能應用中，例如駕駛員疲勞駕駛檢測、安全帶未系提醒等，甚至在汽車發生碰撞時可以調節安全氣囊的響應[4]。

1 系統方案設計

毫米波雷達向外發射電磁波來探測障礙物，電磁波傳播時若遇到障礙物則反射信號，通過雷達的接收天線接收回波信號，再提取障礙物的距離和徑向速度等物理信息，進行混頻和信號處理。毫米波雷達傳感器的特點是體積小、質量輕、精度高，具有全天候全天時工作優勢，對霧、煙、粉塵具有很強的抗干擾能力。

雷達核心部分采用TI 公司出品的高性能毫米波雷達芯片AWR1843，它是集成了DSP 子系統、MCU 和硬件加速模塊（HWA）的單芯片76 ～81 GHz 汽車雷達傳感器。DSP子系統采用TI 高性能C674xDSP 用于雷達信號處理，其硬件加速模塊不僅能幫助節省MIPS 以實現更高級別的算法，還包含了負責無線電配置、控制和校準的ARM-R4F 處理器子系統，其連續線性調頻高達5 GHz。

AWR1843 傳感器采用低功耗45 nm RFCMOS 工藝制造，其包含了射頻前端和信號處理模塊，以及豐富外設接口的內置PLL 的超精確FM 脈沖引擎，實現了超小外形的超高集成度，對于低功耗、自監測、超精確的雷達系統都適用。雷達采用3 發4 收MIMO 設計方案，可在常規雷達的基礎上進一步提高角度分辨率，并且縮小雷達尺寸。信號處理算法的實現全部在AWR1843 芯片內完成，并將檢測結果通過CAN發送到車身控制器。同時，在調試狀態下熱力圖信息也能通過UART 輸出至上位機[5-6]。

三發射天線分時發射快掃線性調頻連續波信號，回波經四路接收天線返回雷達接收機，經混頻濾波等處理，由A/D 進行中頻信號的采樣變為數字信號，對四路正交的I/Q 信號做乒乓緩存，分別進行距離向一維FFT 處理，之后進行Capon 譜估計，形成距離角度二維熱力圖。從熱力圖上進行目標特征提取和模式識別，決策相應區域有無目標，以及目標生命體征狀態信息[7]。

雷達支持的直流電壓范圍為6 ～30 V。在12 V 電源下，工作電流約為200 mA，峰值電流不超過350 mA，系統的寄生電流不超過100 μA。當雷達系統收到休眠指令，或從CAN 總線無法得到信息時，會進入休眠模式。在休眠模式下，每個雷達傳感器的電流不超過50 μA。相比紅外探測器、超聲波雷達、攝像頭等，其不受光線、溫度、灰塵的影響，能有效剔除車內靜止物雜波的干擾，準確檢測出活體目標，探測精度極高。雷達因其超低能耗、超高性能，能效比極高。

1.1 系統框架

根據硬件功能的不同，系統可以劃分為核心處理模塊AWR1843、FLASH 單元、電壓狀態采集單元、時鐘單元、狀態數據存儲單元、電源單元、對外接口單元等，其連接關系如圖1 所示。

圖1 毫米波雷達系統框圖

1.2 關鍵元器件

系統關鍵元器件清單見表1 所列。所有元器件均選用車規級別。

表1 系統關鍵元器件清單

1.3 對外接口

雷達對外接插件采用TE 公司的6pins 專用接插件175506-2，定義見表2 所列。

表2 對外接插件定義

1.4 安裝規范

雷達與車身控制器接口信息見表3 所列。

表3 雷達與車身控制器接口信息

安裝方式1：雷達安裝在車輛頂部，左右居中，距后座靠背的縱向距離推薦為1 m，安裝時需確保擁有足夠的空間，確保雷達接插件端口相對于車輛方向向左或向右，推薦雷達架設角度為向后傾斜30°，具體安裝位置及架設角度視車輛內部空間而定。

安裝方式2：對于有全景天窗的車輛，雷達安裝在天窗后沿，波束范圍覆蓋完整后排座椅。具體安裝位置及架設角度視車輛內部空間而定。

2 雷達檢測原理

三發射天線分時發射快掃線性調頻連續波信號，回波經四路接收天線返回雷達接收機，經混頻濾波等處理，由A/D 進行中頻信號采樣，變為數字信號，對四路正交的I/Q信號做乒乓緩存，分別進行距離向一維FFT 處理，再進行CAPON 譜估計，形成距離角度二維熱力圖。從熱力圖上進行目標特征提取和模式識別，決策出相應區域有無目標。信號處理流程如圖2 所示。

圖2 信號處理流程

2.1 測距原理

測量與目標的距離是雷達的基本任務之一。如圖3 所示，發射的快速掃描線性調頻連續波信號FMCW 電磁波在空氣中向前方傳播，經障礙物反射，往返一次所需時間延遲τ。在這段時間內，發射機頻率較之回波頻率有了變化，因此在混頻器輸出端產生了頻差f，該中頻信號的頻率由頻率調制規律和回波延遲共同決定。通過頻差f可求取延遲時間τ，進而得知目標距離[8-10]。

圖3 頻差法測距示意圖

2.2 測角原理

由于電磁波沿直線傳播，目標散射或反射電磁波波前到達的方向，即為目標所在方向。一般采用相位法測量目標角度，即利用多個天線接收回波信號之間的相位差進行測角。如圖4 所示，設在θ方向有一遠區目標，則到達接收點的目標所反射的電磁波近似為平面波。設兩天線間距為d，故它們所接收的信號存在波程差ΔR，波程差導致相位差φ。通過求取該相位差而得到目標回波方向θ。

圖4 相位法測角示意圖

通過上述方法可獲得距離和方位信息，通過軟件設置有效的距離范圍、角度范圍，從而限定檢測區域的邊界，滿足不同車型成員區域的完整覆蓋[11-13]。

2.3 技術指標

毫米波雷達技術指標見表4 所列。

表4 毫米波雷達技術指標

2.4 功能測試

該系統除能精確檢測出活體目標外，更進一步可實時測得特定成員的生命體征狀態信息，可用于駕駛員疲勞駕駛判斷等[14-15]。圖5 所示為上位機顯示的車內成員的心跳與呼吸信息。

圖5 上位機顯示界面

3 結 語

在監測系統中，毫米波雷達將會成為感知系統的重要組成部分，因為傳統的傳感器很難感知到生理信號，而且從設計角度來看，攝像頭鏡頭必須裸露在外而且很難避免被遮擋，而毫米波雷達可以安裝在塑料遮蔽物的后面且對于遮擋并不敏感，因此對于設計來說更友好。車內生理信號識別將是未來毫米波雷達的一塊增量市場，雖然現在具體頻段還沒有規定，但是諸多半導體巨頭已經在積極準備。當毫米波雷達在車載生理信號監測應用中得到驗證后，將有機會推廣到醫院和家庭健康護理領域，這些應用值得期待。

綜合考慮現階段該領域技術發展情況，我國在這一領域仍處于起步階段，基于毫米波雷達的車內成員監測系統可實現靈敏感知輕微呼吸的胸部運動幅度，探測兒童是否存在，并強制采取必要的動作（如開啟車窗）或發出警告信息（如向車主發出短信），避免遺忘在車內的兒童由于窒息導致死亡。這套系統方案中提到的車內成員探測毫米波雷達，利用FMCW、MIMO 等技術，以及高達5G 的可用帶寬，不受光線、溫度、灰塵等影響，解決了車內多路徑導致的虛標問題，并對車內靜止物進行了有效分類，排除了雜波干擾，對活體目標具有極高的探測精度，為解決車內人員探測難題提供了智能化解決方案。