基于毫米波雷达的车内成员监测系统设计

张 涛

（淮南联合大学 智能制造学院，安徽 淮南 232038）

0 引 言

随着车辆的增多，因孩子被遗留在车内而中暑甚至窒息死亡的情况经常发生，而这种情况在每年的5 月底到9 月初达到高峰。近年来，因将儿童遗留在轿车或校车内而致儿童死亡的事件时有发生，在这些惨痛的教训面前，配置车内人员监测系统刻不容缓。当前汽车制造商们已经开始着力解决这一问题。据报道，美国目前正在推动立法，希望减少类似事故的发生，规定今后所有新出厂的汽车都必须配备这一功能。最简单的方法是通过压力传感器来判断汽车后门的使用情况，以及在司机离开车辆时，伴随着提示司机检查车内情况的警告音来监测车辆后门的使用情况[1]。

目前，我国车内主要使用红外探测器、超声波雷达、摄像头等探测传感器，暂时还没有很好地应用毫米波雷达。红外线易受热源、阳光源干扰，被动红外穿透力差，人体红外辐射易被遮挡，不易被报警器接收，尤其当环境温度和人体温度接近时，探测灵敏度明显下降，严重的甚至会短时失灵。超声波雷达分辨率差，复杂环境下检测效果变差，高温时灵敏性下降。摄像头对光线要求极高，易受灰尘等影响，且成本高。本设计方案所述车内成员检测雷达采用77 GHz 频段大带宽，探测精度极高，不受光线、温度、灰尘等影响，利用MIMO 技术能有效剔除车内静止物杂波的干扰，准确检测出活体目标，为解决车内儿童遗留、驾驶员疲劳驾驶检测等问题提供了智能化解决方案[2-3]。

毫米波雷达是目前唯一能够全天候工作的传感器，其不受逆光、雾霾、雨雪和沙尘等恶劣天气的影响，是科技和产业界公认的主流技术。采用毫米波雷达的监测系统不同于座椅上的传感器，毫米波雷达可以区分座位上的儿童和物体，主要是通过监测人体呼吸过程中的身体细微起伏来实现，从而降低了误报的可能性。相比摄像头，毫米波雷达还可以获取人员的呼吸和心跳信息，有利于保护用户的隐私。除了车内人员监测，毫米波雷达系统也可用于其它安全功能应用中，例如驾驶员疲劳驾驶检测、安全带未系提醒等，甚至在汽车发生碰撞时可以调节安全气囊的响应[4]。

1 系统方案设计

毫米波雷达向外发射电磁波来探测障碍物，电磁波传播时若遇到障碍物则反射信号，通过雷达的接收天线接收回波信号，再提取障碍物的距离和径向速度等物理信息，进行混频和信号处理。毫米波雷达传感器的特点是体积小、质量轻、精度高，具有全天候全天时工作优势，对雾、烟、粉尘具有很强的抗干扰能力。

雷达核心部分采用TI 公司出品的高性能毫米波雷达芯片AWR1843，它是集成了DSP 子系统、MCU 和硬件加速模块（HWA）的单芯片76 ～81 GHz 汽车雷达传感器。DSP子系统采用TI 高性能C674xDSP 用于雷达信号处理，其硬件加速模块不仅能帮助节省MIPS 以实现更高级别的算法，还包含了负责无线电配置、控制和校准的ARM-R4F 处理器子系统，其连续线性调频高达5 GHz。

AWR1843 传感器采用低功耗45 nm RFCMOS 工艺制造，其包含了射频前端和信号处理模块，以及丰富外设接口的内置PLL 的超精确FM 脉冲引擎，实现了超小外形的超高集成度，对于低功耗、自监测、超精确的雷达系统都适用。雷达采用3 发4 收MIMO 设计方案，可在常规雷达的基础上进一步提高角度分辨率，并且缩小雷达尺寸。信号处理算法的实现全部在AWR1843 芯片内完成，并将检测结果通过CAN发送到车身控制器。同时，在调试状态下热力图信息也能通过UART 输出至上位机[5-6]。

三发射天线分时发射快扫线性调频连续波信号，回波经四路接收天线返回雷达接收机，经混频滤波等处理，由A/D 进行中频信号的采样变为数字信号，对四路正交的I/Q 信号做乒乓缓存，分别进行距离向一维FFT 处理，之后进行Capon 谱估计，形成距离角度二维热力图。从热力图上进行目标特征提取和模式识别，决策相应区域有无目标，以及目标生命体征状态信息[7]。

雷达支持的直流电压范围为6 ～30 V。在12 V 电源下，工作电流约为200 mA，峰值电流不超过350 mA，系统的寄生电流不超过100 μA。当雷达系统收到休眠指令，或从CAN 总线无法得到信息时，会进入休眠模式。在休眠模式下，每个雷达传感器的电流不超过50 μA。相比红外探测器、超声波雷达、摄像头等，其不受光线、温度、灰尘的影响，能有效剔除车内静止物杂波的干扰，准确检测出活体目标，探测精度极高。雷达因其超低能耗、超高性能，能效比极高。

1.1 系统框架

根据硬件功能的不同，系统可以划分为核心处理模块AWR1843、FLASH 单元、电压状态采集单元、时钟单元、状态数据存储单元、电源单元、对外接口单元等，其连接关系如图1 所示。

图1 毫米波雷达系统框图

1.2 关键元器件

系统关键元器件清单见表1 所列。所有元器件均选用车规级别。

表1 系统关键元器件清单

1.3 对外接口

雷达对外接插件采用TE 公司的6pins 专用接插件175506-2，定义见表2 所列。

表2 对外接插件定义

1.4 安装规范

雷达与车身控制器接口信息见表3 所列。

表3 雷达与车身控制器接口信息

安装方式1：雷达安装在车辆顶部，左右居中，距后座靠背的纵向距离推荐为1 m，安装时需确保拥有足够的空间，确保雷达接插件端口相对于车辆方向向左或向右，推荐雷达架设角度为向后倾斜30°，具体安装位置及架设角度视车辆内部空间而定。

安装方式2：对于有全景天窗的车辆，雷达安装在天窗后沿，波束范围覆盖完整后排座椅。具体安装位置及架设角度视车辆内部空间而定。

2 雷达检测原理

三发射天线分时发射快扫线性调频连续波信号，回波经四路接收天线返回雷达接收机，经混频滤波等处理，由A/D 进行中频信号采样，变为数字信号，对四路正交的I/Q信号做乒乓缓存，分别进行距离向一维FFT 处理，再进行CAPON 谱估计，形成距离角度二维热力图。从热力图上进行目标特征提取和模式识别，决策出相应区域有无目标。信号处理流程如图2 所示。

图2 信号处理流程

2.1 测距原理

测量与目标的距离是雷达的基本任务之一。如图3 所示，发射的快速扫描线性调频连续波信号FMCW 电磁波在空气中向前方传播，经障碍物反射，往返一次所需时间延迟τ。在这段时间内，发射机频率较之回波频率有了变化，因此在混频器输出端产生了频差f，该中频信号的频率由频率调制规律和回波延迟共同决定。通过频差f可求取延迟时间τ，进而得知目标距离[8-10]。

图3 频差法测距示意图

2.2 测角原理

由于电磁波沿直线传播，目标散射或反射电磁波波前到达的方向，即为目标所在方向。一般采用相位法测量目标角度，即利用多个天线接收回波信号之间的相位差进行测角。如图4 所示，设在θ方向有一远区目标，则到达接收点的目标所反射的电磁波近似为平面波。设两天线间距为d，故它们所接收的信号存在波程差ΔR，波程差导致相位差φ。通过求取该相位差而得到目标回波方向θ。

图4 相位法测角示意图

通过上述方法可获得距离和方位信息，通过软件设置有效的距离范围、角度范围，从而限定检测区域的边界，满足不同车型成员区域的完整覆盖[11-13]。

2.3 技术指标

毫米波雷达技术指标见表4 所列。

表4 毫米波雷达技术指标

2.4 功能测试

该系统除能精确检测出活体目标外，更进一步可实时测得特定成员的生命体征状态信息，可用于驾驶员疲劳驾驶判断等[14-15]。图5 所示为上位机显示的车内成员的心跳与呼吸信息。

图5 上位机显示界面

3 结 语

在监测系统中，毫米波雷达将会成为感知系统的重要组成部分，因为传统的传感器很难感知到生理信号，而且从设计角度来看，摄像头镜头必须裸露在外而且很难避免被遮挡，而毫米波雷达可以安装在塑料遮蔽物的后面且对于遮挡并不敏感，因此对于设计来说更友好。车内生理信号识别将是未来毫米波雷达的一块增量市场，虽然现在具体频段还没有规定，但是诸多半导体巨头已经在积极准备。当毫米波雷达在车载生理信号监测应用中得到验证后，将有机会推广到医院和家庭健康护理领域，这些应用值得期待。

综合考虑现阶段该领域技术发展情况，我国在这一领域仍处于起步阶段，基于毫米波雷达的车内成员监测系统可实现灵敏感知轻微呼吸的胸部运动幅度，探测儿童是否存在，并强制采取必要的动作（如开启车窗）或发出警告信息（如向车主发出短信），避免遗忘在车内的儿童由于窒息导致死亡。这套系统方案中提到的车内成员探测毫米波雷达，利用FMCW、MIMO 等技术，以及高达5G 的可用带宽，不受光线、温度、灰尘等影响，解决了车内多路径导致的虚标问题，并对车内静止物进行了有效分类，排除了杂波干扰，对活体目标具有极高的探测精度，为解决车内人员探测难题提供了智能化解决方案。