Особенности применения радара AWR1642

 

DOI: 10.32743/UniTech.2021.82.1-1.57-66

 

АННОТАЦИЯ

В статье анализируются принципы работы, основные технические характеристики и внутреннее устройство радара AWR1642, работающего в диапазоне СВЧ. Кроме того, рассмотрены вопросы программирования данного устройства и применяемых для этого инструментов и сред разработки, а также применяемые алгоритмы обработки сигналов. Рассмотрены возможности снятия с радара необработанной радиолокационной информации (а именно IQ компонентов сигнала) и работы с данной информацией в средах математического моделирования (а именно пакете MATLAB). Рассмотрены возможности изменения параметров зондирующего сигнала без перепрограммирования РЛС, а также возможность применения данной системы для реализации РЛС с синтезированной апертурой антенны (РСА).

ABSTRACT

In this article describes the principles of operation, the main technical characteristics and the internal structure of the AWR1642 millimeter wave. In addition, the issues of programming this device and the tools and development environments used for this, as well as the applied signal processing algorithms. Considered the possibility capture the radar raw data (namely the IQ components of the signal) and this information is in numerical computing environment (namely MATLAB), considered the possibility of changing parameters of the received signal without reprogramming the radar. Affected as well as the possibility of using this system for the implementation of radar with a synthetic aperture antenna (SAR).

 

Ключевые слова: радиолокаторы, РЛС с синтезированной апертурой, радиоволны СВЧ, обработка радиолокационных сигналов.

Keywords: radar, SAR, millimeter wave, radar signal processing.

 

В настоящее время всё большую актуальность в быту и промышленности приобретают малогабаритные радиолокационные станции ближнего радиуса действия. Данные системы обладают массой перспектив в различных отраслях, например, автомобильная локация, системы контроля за производственными процессами, системы контроля за персоналом, охранные системы и т. д. Ключевая особенность данных систем – применение зондирующего сигнала СВЧ диапазона, который позволяет получить достаточно высокую точность обнаружения целей в радиусе действия РЛС [2].

Компания Texas Instruments ведёт работу над РЛС СВЧ диапазона с 2009 года [6]. За это время было разработано несколько тестовых прототипов и 4 поколения устройств, дошедших до серийного производства [4]. К ним относятся радары серии AWR и IWR: xWR1243, xWR1443, xWR1642 и xWR1843. Далее будет рассмотрено устройство радара модели AWR1642.

1. Технические характеристики и структура AWR 1642

В этой главе будет рассмотрено устройство радара AWR1642 с точки зрения его аппаратного и программного обеспечения. Данная часть работы призвана ввести читателя в курс дела и рассказать в общем о характеристиках данного устройства и его основных узлах.

Серия AWR - радары класса short-range. Подобные радары, вследствие применения в них зондирующего сигнала с частотами в СВЧ диапазоне, обладают невысокой дальностью действия, но имеют очень высокую разрешающую способность по углу и дальности [1]. Из документов [3, 4] известны основные характеристики AWR1642 (таблица 1).

В AWR1642 применяется линейно частотно-модулированный продолжительный сигнал (frequency modulated continuous wave, FMCW). Частота сигнала линейно меняется во времени от 76 ГГц до 81 ГГц. Данный вид зондирующего сигнала даёт высокое разрешение на расстоянии от нескольких сантиметров до 200 метров.

Таблица 1.

Технические характеристики AWR1642

 

Структурная схема чипа AWR1642 приведена на рисунке 1.

 

Рисунок 1. Структурная схема чипа AWR1642

На рисунке 1: АЦП – Аналого-цифровой преобразователь; МШУ – Малошумящий Усилитель; УМ – Усилитель Мощности; ПРМ – Приёмные антенны; ПРД – Передающие антенны; ФПЧ – Фильтр промежуточной частоты; ПДП – Интерфейс прямого доступа к памяти; Почтовый ящик – аппаратно-программный интерфейс обмена сообщениями между всеми цифровыми подсистемами; ОНАЦП – АЦП общего назначения; ПАМ – программно-аппаратное моделирование; Пр. ОЗУ – ОЗУ программ; Д. ОЗУ – ОЗУ данных

 

Чип AWR1642 объединяет в себе 3 подсистемы: радио-аналоговую, подсистему сигнального процессора и ведущую подсистему. Радио-аналоговая подсистема необходима для приёма и передачи зондирующего сигнала, а также перевода сигнала в цифровой вид. Причём вид цифрового представления сигнала может быть изменен разработчиком. Например, изменяется разрядность данных, количество выборок АЦП и т. д. За это отвечают цепи коррекции данных АЦП [14].

Для обработки сигнала c выходом АЦП связана подсистема сигнального процессора. Подсистема сигнального процессора выполняет обработку различного уровня, от БПФ до обнаружения целей на фоне шумов (например, обнаружение с постоянной вероятностью ложный тревог) [4, 5].

С двумя вышеописанными подсистемами связана ведущая подсистема. Она управляет и конфигурирует, как радио-аналоговую подсистему (например, управляет изменением параметров зондирующего сигнала в реальном времени), так и подсистему сигнального процессора (например, возможна смена алгоритмов обработки и типа самой обработки). Кроме того, ведущая подсистема выполняет отслеживание и классификацию целей, обнаруженных подсистемой сигнального процессора, и обеспечивает пересылку данных через один из последовательных интерфейсов (например, CAN или UART) [3, 14].

2. Программирование радара

Программное обеспечение данного радара весьма обширно и включает в себя: системы отладки, программирования и взаимодействия с ПК, инструменты разработки и SDK, операционную систему (RTOS-SYSBIOS), драйверы утилиты, алгоритмы, средства взаимодействия между подсистемами, средства устранения ошибок и профилирования.

Главным инструментом программирования радара AWR1642 является интегрированная среда разработки Code Composer Studio (CCS). Данная среда имеет множество возможностей для разработки, например, текстовый редактор, компилятор для различных серий микроконтроллеров и сигнальных процессоров, симулятор, эмулятор и так далее. CCS позволяет создавать прошивки для ведущей подсистемы и подсистемы сигнального процессора, а также тестировать и отлаживать их. Программирования ведётся на языке С, некоторые конфигурационные файлы пишутся на языке JavaScript. Допускается вставки из языка ассемблер.

Вторым по значимости инструментом является SDK миллиметровых волн (MMWAVE SDK). Он представляет собой набор уже готовых драйверов, утилит и алгоритмов с открытым исходным кодом, а также инструментов для взаимодействия с радио-аналоговой подсистемой [5].

Драйверы - это инструменты, позволяющие разработчику взаимодействовать с периферийными устройствами радара, например, портами UART или GPIO без прямого контакта с аппаратной частью, что существенно облегчает процесс программирования.

Утилиты представляют собой программы, расширяющие возможности цифровой системы радара, например, утилита CLI позволяет создавать интерфейс командной строки на базе одного из портов UART.

Алгоритмы - это уже готовые к применению инструменты для обработки радиолокационных сигналов. Доступны различные алгоритмы обнаружения целей на фоне шумов, адаптированные под сигнальные процессоры, алгоритмы быстрого преобразования Фурье (БПФ), алгоритмы действия с массивами данных, алгоритмы определения углового положения цели и кластеризации точек. Отдельно стоит отметить алгоритмы, предназначенные для выполнения на микропроцессорном ядре, а именно алгоритмы отслеживания целей. Все эти алгоритмы призваны обеспечить функционирование цепи обработки радиолокационных сигналов, показанной на рисунке 2.

 

Рисунок 2. Обработка радиолокационных сигналов в программах от TI [8]

На рисунке 2: RF Front End – радио-аналоговая подсистема; ADC – Аналого-цифровой преобразователь (АЦП); Pre-Processing – цифровая фильтрация; 1^st Dim FFT – 1-но мерное БПФ (расчёт расстояний); 2^nd Dim FFT – 2-у мерное БПФ (выделение допплеровской составляющей); 3^rd Dim FFT – 3-ёх мерное БПФ (определение угла прихода сигнала); Detection – алгоритмы обнаружения; Clustering – кластеризация обнаруженных точек; Tracking – отслеживание целей; Objet Classification – классификация целей;

 

Следующим инструментом программирования является операционная система реального времени - TI RTOS. Это операционная система от TI с открытым исходным кодом. Она обеспечивает механизмы межпоточного взаимодействия, планирования задач и обработки исключений. Ядро данной операционной системы носит название SYS-BIOS [10].

Ещё одним важным инструментом является инструмент XDC Tools. Он представляет собой набор инструментов для облегчения программирования сигнальных процессоров от TI [9].

3. Работа с необработанными данными АЦП

Встраиваемые цифровые системы (микропроцессоры, сигнальные процессоры) плохо подходят для математического моделирования различных алгоритмов обработки сигналов. В связи с этим возникает необходимость написания данных алгоритмов в средах математического моделирования, таких как пакет MATLAB. Написание алгоритмов в этих средах даёт возможность тестировать их работоспособность на разных входных данных, не задумываясь об аппаратной реализации. Однако при этом возникает необходимость снятия с радара, для которого предназначены алгоритмы, «сырых» необработанных данных. Это глава будет посвящена оценке возможности снятия необработанных данных с радара AWR1642 без использования дополнительных аппаратных средств.

Вначале определим в каком виде находятся необработанные данные. В данной модели радара сигнал находится в виде синфазной и квадратурной компонент. После приёмной антенны сигнал попадает на гетеродин, выполненный в виде квадратурного смесителя и аналоговых фильтров (по одному фильтру на I и Q канал), где переносится на нулевую частоту и после фильтрации приобретает вид:

Где j – мнимая единица, I – синфазная составляющая, Q – квадратурная составляющая,  – комплексное представление сигнала

Для снятия данных проведём теоретический расчёт количества необработанных данных АЦП в одной пачке импульсов ЛЧМ сигнала. Для этого зададимся начальными значениями (взяты наиболее часто встречающиеся значения):

 - количество выборок АЦП на один импульс ЛЧМ

 - количество импульсов в пачке

 - количество задействованных передающих каналов

 - количество задействованных приёмных каналов

 - размер комплексного числа в байтах (для представления действительной и мнимой части используем 16-ти разрядные целые числа)

Таким образом количество данных в байтах на одну пачку:

 

Теперь сопоставим данное значение с максимальной скоростью, которую в состоянии поддерживать встроенный интерфейс UART:

 

Перейдём к скорости передачи полезных бит, взяв минимально возможное количество служебных (8 информационных, 1 старт и 1 стоп бит):

Сразу оговоримся, что в расчёте мы пренебрегаем скоростью передачи данных АЦП через сигнальный процессор в ведущую подсистему, так как при этом используются высокоскоростные интерфейсы передачи данных с прямым доступом к памяти (DMA и EDMA^[1]) [12]. В связи с чем время передачи ничтожно мало по сравнению с временем передачи по UART.

Таким образов время передачи одной пачки:

 

Теперь сравним эту цифру с периодом следования пачек импульсов (см. рисунок 3), типичное значение которого 50 мс.

 

Рисунок 3. Структура пачки импульсов [7]

 

Как видно в стандартной конфигурации радара период следования пачек импульсов гораздо больше времени передачи пачки по UART (50 мс против 5,7 с). Стоит отметить, что период следования пачек можно увеличить до примерно 1.3 с, большее значение не поддерживается. Таким образом, снять необработанные данные в реальном времени можно только уменьшив количество данных (например, количество импульсов в пачке или количество отсчётом АЦП на импульс), то есть соответственно ухудшив качество зондирования, либо изменив диаграмму направленности приёмопередатчика (изменив количество задействованных антенн).

Для снятия данных с АЦП была выбрана следующая конфигурация зондирующего сигнала:

 

Остальные параметры сигнала остались без изменений.

Таким образом размер одной пачки необработанных импульсов ЛЧМ с выхода АЦП составляет:

Таким образом время передачи составит:

Для обработки получаемых данных была написана программа в среде MATLAB. C помощью неё был осуществлён захват данных с последовательного порта и получены следующие графики:

 

Рисунок 4. Выборки АЦП

 

На данных графиках изображены необработанные данные АЦП в виде синфазной и квадратурной составляющей. Графики демонстрируют зависимость амплитуды сигнала от номера отсчёта. Графики в увеличенном масштабе приведены на рисунке 5. Стоит обратить внимание на то, что данные графики не являются временной диаграммой, так как АЦП работает только в определённые промежутки времени, запрограммированные разработчиком (обычно это участок, на котором частота излучённого сигнала линейно возрастает).

 

Рисунок 5. Выборки АЦП (крупно)

 

Для восстановления непрерывного аналогового сигнала пропустим данные отсчёты через сглаживающий фильтр, в качестве которого используем цифровой ФНЧ 19-ого порядка (КИХ-фильтр с окном Блэкмана) с частотной характеристикой, приведённой на рисунке 6. Предварительно проведём линейную интерполяцию сигнала с целью поднять частоту дискретизации с 2.5 МГц до 100 МГц.

 

Рисунок 6. АЧХ цифрового ФНЧ

 

Был выбран фильтр с частотой среза примерно 8 МГц, так как согласно документам [3, 4] промежуточная частота составляет менее 5 МГц. Результаты применения фильтра приведены на рисунках 7 и 8.

 

Рисунок 7. Выборки АЦП после интерполяции и фильтрации

Рисунок 8. Выборки АЦП после интерполяции и фильтрации (крупно)

 

Сигнал после фильтрации искажен и сдвинут по фазе. Высокочастотные пульсации сигнала сглажены. Что и соответствует нашим ожиданиям

3. Применение радара в автомобильной промышленности

В автомобильной промышленности всё большую актуальность приобретает область автономного (беспилотного) транспорта. В основном, применение радиолокаторов обусловлено решением задачи определения местоположения как стационарных, так и не стационарных объектов, их скоростей и углового положения. Однако, с недавних времен, радиолокаторы стали решать еще одну задачу — создание радиолокационной карты местности, получая, таким образом, всю необходимую информацию о лоцируемой поверхности.

Таким образом, актуально рассмотреть возможность применения платы AWR1642 на практике.

Отладочная плата AWR1642BOOST включает в себя антенну — полосковую антенную решетку, у которой четыре излучателя направлены на прием сигнала, а два — на передачу, которые способны отслеживать несколько объектов с помощью информации о расстоянии и угле. Такая конструкция антенны позволяет оценить расстояние и угловое направление до цели, что делает возможным обнаруживать объекты в трехмерном пространстве. Наглядно аналоговая часть устройства представлена на рисунке 1.

Пиковое усиление антенны составляет 10,5 дБ, что соответствует 11,2 раз. Усиление происходит в диапазоне от 76 до 81 ГГц. Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости (H-плоскость) и в вертикальной (E-плоскость) показаны на рисунках 9 и 10.

 

Рисунок 9. ДН антенны в горизонтальной плоскости

 

Рисунок 10. ДН антенны в вертикальной плоскости

По диаграмме направленности можно определить ширину главного луча. Например, на частоте 78 ГГц горизонтальная ширина луча: . Вертикальная ширина луча: .

Для демонстрации работы радара выбрана среда mmWave Visualizer, в которой выставлены такие параметры как:

-Частота кадров — скорость, с которой данные измерений отправлены с радара в среду mmWave Visualizer

-Разрешение по дальности — желаемое разрешение диапазона в метрах (минимальное расстояние между обнаруженными объектами)

-Максимальный однозначный диапазон — желаемый диапазон с шагом в 5 метров (максимальное расстояние, на котором будет находится обнаруженный объект)

-Максимальная радиальная скорость — желаемая радиальная скорость в м/с (максимальная скорость, с которой перемещаются цели в освещенной области радара)

На рисунке 11 показаны обнаруженные в ходе эксперимента объекты в освещенном радаром пространстве.

 

   

Рисунок 11. Визуализация

 

Так как задача обнаружения объектов имеет не статичный, а динамичный характер (из-за движения различных целей в области освещения радара), то в задаче определения дальности, имеет место эффект Доплера. Облучаемые цели имеют радиальную скорость относительно устройства AWR1642boost, таким образом, излученный сигнал получает допплеровскую добавку частоты.

 Далее, в радаре происходит сравнение частот, из которой путем некоторых преобразований получается информация о скорости целей.

Здесь, под сравнением имеется в виду сумма или разность частот. А именно, при отдалении цели от радара — допплеровская добавка частоты сдвигает частоту всего сигнала в сторону увеличения либо в сторону уменьшения, в зависимости от приближения цели к радару или отдалении соответственно. Так, получается, что при приближении цели к радару — на рисунке 10 скорость имела бы положительное значение, а при отдалении, наоборот, отрицательное. 

Заключение

AWR1642 — это радарная система, заключенная в один корпус. Данное устройство содержит радиочастотную часть, позволяющую и принимать, и передавать сигнал в диапазоне 76-81 ГГц.

Такая широкая полоса частот наделяет радар рядом преимуществ. Например, точность на уровне миллиметрового диапазона, что позволяет обнаруживать цели сквозь любые погодные условия. Это обстоятельство подтверждает перспективу для его использования в автомобильной промышленности.

Кроме того, данная радарная система подходит для создания автомобильного радара бокового обзора [2], который достигается путем применения технологии синтеза антенной апертуры.

Синтезирование апертуры антенны представляет собой технологию, позволяющую существенно повысить разрешающую способность радиолокатора в ортогональном, относительно направления движения, положении и получить детальное изображение радиолокационной карты местности, которое проходит носитель этой системы [1].

Изображение, полученное при помощи радиолокатора с синтезированной апертурой по качеству сравнимо с фотоизображением, однако в отличие от использования пассивного датчика, активный — способен сканировать местность не зависимо от метеорологических условий и плохой освещенности.

Для того, чтобы сформировать радиолокационное изображение, необходимо дважды сжимать радиоголограммы по азимуту и по дальности. Это сжатие происходит путем быстрого преобразования Фурье и может происходить как во временной, так и в частотной областях. Система может включать в себя одну или несколько, как в данном случае, передающих и приемных антенн. Сканирование местности происходит в различных положениях вдоль направления движения транспортного средства. Зондирование осуществляется последовательно, при движении транспортного средства, посредством чего обеспечивается синтез апертуры антенны.

Транспортное средство, оснащенное такой радарной системой, будет располагать боковым обзором, и обладать эффективностью в различных метеорологических условиях.

 

Список литературы:

1. Баскаков А. И., Жутяева Т. С. и Лукашенко Ю. И. Локационные методы исследование объектов и сред / ред. Басаков А. И. - Москва: Издательский центр "Академия", 2011 – 383 с.
2. Ряшенцева В. И., Серов С. А. рук. А.А. Комаров, к.т.н., доц. (НИУ «МЭИ») Система с синтезированной апертурой антенны для автомобильной промышленности // радиоэлектроника, электротехника и энергетика Двадцать шестая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов ((12–13 марта 2020 г.). – Москва, 2020 – с. 78
3. AWR1642 Single-Chip 77- and 79-GHz FMCW Radar sensor // Texas Instruments. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/awr1642.pdf?ts=1604749826878&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F (01.12.2020)
4. IWR1x Industrial mmWave Sensors Portfolio Overview // Texas Instruments -      https://training.ti.com/sites/default/files/docs/TI%20mmWave%20device%20overview_IWR14-16.pdf (01.12.2020)
5. MMWAVE SDK User Guide // Texas Instruments - https://e2e.ti.com/cfs-file/__key/communityserver-discussions-components-files/1023/7801.mmwave_5F00_sdk_5F00_user_5F00_guide.pdf (01.12.2020)
6. Texas Instruments The inside story of the world’s first millimeter-wave radar system on chip, part 2 // news.ti.com. - OCT 06, 2020. - 11 23, 2020. - https://news.ti.com/blog/2020/10/06/journey-innovation (01.12.2020)
7. Programming Chirp Parameters in TI Radar Devices [Online] // Texas Instruments - https://www.ti.com/lit/an/swra553a/swra553a.pdf (01.12.2020)
8. AWR1843 Single-Chip 77- to 79-GHz FMCW Radar Sensor // Texas Instruments - https://www.ti.com/lit/ds/symlink/awr1843.pdf?ts=1604820499669&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FAWR1843 (01.12.2020)
9. IWR1x Industrial mmWave Sensors Portfolio Overview // Texas Instruments -https://training.ti.com/sites/default/files/docs/TI%20mmWave%20device%20overview_IWR14-16.pdf (01.12.2020)
10. XDC Consumer User’s Guide // Texas Instruments - https://www.ti.com/lit/ug/spruex4/spruex4.pdf (01.12.2020)
11. TI-RTOS Kernel (SYSBIOS) User's Guide // Texas Instruments - https://www.ti.com/lit/ug/spruex3v/spruex3v.pdf (01.12.2020)
12. AWR18xx/16xx/14xx/68xx Technical Reference Manual // - https://www.ti.com/lit/ug/swru520e/swru520e.pdf?ts=1604766303016&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FAWR1843%253Futm_source%253Dgoogle%2526utm_medium%253Dcpc%2526utm_campaign%253Depd-null-null-GPN_EN-cpc-pf-google-eu%2526utm_content%253 (01.12.2020)