چکیده:
در حوزه سامانه‌های حمل‌ونقل هوشمند (ITS)، ترکیب‌های سنتی رادار تکی و دوربین‌های ایستگاه بازرسی با هزینه‌های بالا و دشواری‌های ادغام داده‌ها مواجه هستند. سیستم یکپارچه‌سازی رادار-تصویر که رادار میلی‌متری و دوربین‌ها را یکپارچه می‌کند، هزینه‌ها را بهینه‌سازی کرده و ادغام داده‌ها را عمیق‌تر می‌سازد و به تدریج به یک دستگاه کلیدی در لایه ادراک ITS تبدیل می‌شود. این مقاله به بحث در مورد استفاده از فناوری آبشاری RFchip می‌پردازد و با انتخاب راهکار دو تراشه‌ای AWR2243 برای بهبود عملکرد رادار میلی‌متری، یک سیستم یکپارچه‌سازی رادار-تصویر با قابلیت‌های تشخیص از مسافت دور طراحی می‌کند. در سطح الگوریتم، از یک استراتژی ادغام چند حسگر استفاده می‌شود و الگوریتم تشخیص هدف YOLOv8n با معرفی شبکه استخراج ویژگی پشتیبان RepViT و استفاده از تابع زیان SIoU برای بهینه‌سازی دقت رگرسیون جعبه‌کشی (bounding box regression) بهبود می‌یابد. مدل بهبودیافته تعداد پارامترها را به میزان 24% کاهش داده، حجم مدل را 22% کوچک‌تر می‌کند و در عین حفظ دقت بالا، کارایی محاسباتی را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد. از طریق آزمایش سناریوی ترافیکی دنیای واقعی، این سیستم به نظارت ۳۶۰ درجه بر تقاطع‌های ترافیکی با حداکثر برد تشخیص ۳۵۰ متر و دقت تشخیص بیش از ۹۷ درصد دست می‌یابد، که با الزامات طراحی سیستم‌های ادغام رادار-بینایی برد بلند مطابقت دارد و چشم‌اندازهای قوی کاربرد مهندسی را نشان می‌دهد.

۱. مقدمه
با شتاب‌گیری روند شهرنشینی و افزایش تعداد وسایل نقلیه، شرایط ترافیک جاده‌ای پیچیده‌تر شده است. سامانه‌های حمل‌ونقل هوشمند (ITS)، که کارایی مدیریت ترافیک و ایمنی را ارتقا می‌دهند، از نظر تکامل فناوری توجه فزاینده‌ای را به خود جلب کرده‌اند. در میان حسگرهای مختلف درک ترافیک، سیستم یکپارچه‌سازی رادار-تصویر مزایای رادار میلی‌متری و دوربین‌های ویدیویی را ترکیب می‌کند. این ادغام، اندازه‌گیری دقیق فاصله و سرعت رادار را که تحت تأثیر شرایط نوری یا آب و هوایی قرار نمی‌گیرد، با تشخیص شهودی هدف و اطلاعات غنی دوربین ترکیب می‌کند. در مقایسه با استقرارهای سنتی و جداگانه رادار و دوربین، سیستم یکپارچه‌سازی رادار-تصویر مزایای قابل توجهی در هزینه سخت‌افزار، همگام‌سازی داده‌ها و یکپارچه‌سازی سیستم ارائه می‌دهد و درک وضعیت ترافیک و تشخیص رویدادها را به شیوه‌ای کارآمدتر امکان‌پذیر می‌سازد.

در سال‌های اخیر، فناوری رادار موج میلی‌متری و سیستم‌های ادغام رادار-بینایی به سرعت توسعه یافته‌اند. رادار موج میلی‌متری از اثر داپلر برای تشخیص سرعت و فاصله هدف استفاده می‌کند و عملکرد آن تحت تأثیر عواملی مانند باند فرکانسی عملیاتی، معماری تراشه و طراحی آنتن قرار دارد. بر اساس فاصله تشخیص، رادار موج میلی‌متری به انواع برد کوتاه و برد بلند دسته‌بندی می‌شود. پردازش داده اغلب از معماری‌های FPGA یا FPGA+DSP برای ایجاد تعادل بین سرعت پردازش و انعطاف‌پذیری سیستم استفاده می‌کند. از نظر باندهای فرکانسی، رادارهای ۲۴ گیگاهرتز و ۷۷ گیگاهرتز به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. باند ۷۷ گیگاهرتز به دلیل طول موج کوتاه‌تر، اندازه آنتن کوچکتر، برد تشخیص بیشتر و وضوح بالاتر، به ویژه برای سناریوهای نظارت بر ترافیک در برد بلند مناسب است.

با این حال، مطالعات طراحی سیستم‌های یکپارچه‌سازی رادار و بینایی موجود محدود است و بیشتر راه‌حل‌ها با چالش‌هایی در برد تشخیص یا هزینه مواجه هستند. برای رفع این مسائل، این مقاله یک راه‌حل طراحی برای سیستم یکپارچه‌سازی رادار و بینایی با قابلیت‌های تشخیص برد بلند را بر پایه رادار موج میلی‌متری ۷۷ گیگاهرتز و فناوری آبشاری تراشه‌های RF پیشنهاد می‌کند. این مقاله معماری سخت‌افزاری آن، استراتژی‌های بهینه‌سازی الگوریتم و آزمون‌های امکان‌سنجی و قابلیت اطمینان سیستم را به تفصیل تشریح می‌کند.

۲. مروری بر طراحی سیستم

سیستم یکپارچه‌سازی رادار-تصویری به دو بخش اصلی رادار و ویدئو تقسیم می‌شود. بخش ویدئو شامل تراشهٔ کنترل اصلی و ماژول دریافت تصویر است که با استفاده از سنسور ۵ مگاپیکسلی کیفیت تصویر را تضمین می‌کند. بخش رادار از راهکار آبشاری دوچیپ AWR2243 برای تشکیل آرایه آنتن ۶ فرستنده و ۸ گیرنده استفاده می‌کند که با سیگنال‌های همگام‌سازی امکان همکاری در حالت استاد-برده را فراهم می‌آورد. برای بهبود کیفیت سیگنال RF، سیستم از یک چیپ مدیریت توان اختصاصی برای تغذیه چیپ‌های RF بهره می‌برد. DSP ویدیو حسگر را کنترل می‌کند تا داده‌های ویدیویی را جمع‌آوری کرده و ادغام داده‌های رادار و ویدیو را به‌صورت داخلی انجام دهد.

۲.۱ طراحی بخش ویدیو
بخش ویدئو از یک چیپ امنیتی حرفه‌ای با شماره H13403V100 استفاده می‌کند که از طریق پروتکل MIPI به حسگر ۵ مگاپیکسلی متصل است و امکان دریافت و انتقال داده‌های ویدئویی با وضوح بالا را فراهم می‌آورد. این چیپ قابلیت‌های قدرتمند پردازش تصویر و زمان‌بندی داده را ارائه می‌دهد و از الگوریتم‌های ادغام چندحسگر پشتیبانی می‌کند.

۲.۲ طراحی ماژول RFchip
سلسله‌سازی چیپ‌های RF رادار موج میلی‌متری روشی مؤثر برای بهبود عملکرد سیستم است. با همگام‌سازی چندین چیپ RF، می‌توان توان ارسال و حساسیت دریافت را افزایش داد که منجر به بهبود برد تشخیص و وضوح زاویه‌ای می‌شود. چیپ AWR2243 به‌عنوان چیپ RF اصلی انتخاب شده است که در باند فرکانسی ۷۶–۸۱ گیگاهرتز با یکپارچگی بالا و عملکرد RF عالی کار می‌کند. یک تراشه AWR2243 به تنهایی از ۳ آنتن فرستنده و ۴ آنتن گیرنده پشتیبانی می‌کند و با زنجیره‌ای کردن دو تراشه، این تعداد به ۶ فرستنده و ۸ گیرنده افزایش می‌یابد که انعطاف‌پذیری سیستم و دقت تشخیص را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد.

۲.۳ طراحی ماژول اکتساب داده‌های رادار
تولید داده رادار از راهکار DSP + FPGA مدل AM2732 استفاده می‌کند. AM2732 از طریق رابط SPI تراشه‌های AWR2243 در پیکربندی استاد-برده را کنترل می‌کند، داده‌های LVDS را از حسگرهای فرانت‌اند دریافت می‌کند و پردازش‌های پایه‌ای مانند اندازه‌گیری فاصله و سرعت هدف را انجام می‌دهد. FPGA مسئول اکتشاف و ارسال داده‌های رادار، ارسال داده‌ها به برد کنترل ویدیو از طریق پروتکل LVDS و تکمیل ادغام داده‌های راداری-تصویری در DSP اصلی است.

۳. طراحی الگوریتم

هستهٔ سیستم یکپارچه‌سازی رادار و بینایی در الگوریتم ادغام چندحساسه‌ای نهفته است. این سیستم در DSP اصلی پردازش ادغام ابر نقاط راداری و تصویر ویدیویی را پیاده‌سازی می‌کند که شامل شناسایی هدف، ردیابی و همبسته‌سازی داده‌ها است.

۳.۱ شناسایی هدف راداری
تشخیص هدف راداری از الگوریتم خوشه‌بندی DBSCAN استفاده می‌کند که نمونه‌ها را بر اساس چگالی تقسیم‌بندی می‌کند و به‌طور مؤثر نقاط هدف توزیع‌شده غیرکروی را شناسایی می‌کند؛ این روش برای تشخیص چندهدف و چندشکل در سناریوهای ترافیکی مناسب است.

۳.۲ تشخیص هدف تصویر
تشخیص هدف تصویر بر پایه مدل YOLOv8n است که شامل اجزای Backbone، Neck و Head می‌شود. برای ارتقای بیشتر دقت تشخیص و کارایی مدل، این مقاله شبکه پشتیبان RepViT را معرفی می‌کند و از تابع زیان SIoU برای بهینه‌سازی رگرسیون جعبه‌های محاط استفاده می‌نماید.

۴. نتیجه‌گیری

این مقاله طراحی یک سیستم یکپارچه‌سازی رادار-بینایی برد بلند را بر اساس فناوری آبشاری‌سازی چیپ RF دوگانه AWR2243 پیشنهاد می‌کند. این سیستم عملکرد آنتن را از طریق آبشاری‌سازی سخت‌افزاری، در ترکیب با الگوریتم‌های ادغام چندحسگر و یک مدل تشخیص YOLOv8n بهبودیافته، ارتقا می‌دهد. این سیستم به دقت تشخیصی بیش از 97% دست می‌یابد و حداکثر برد تشخیص آن به 350 متر می‌رسد که نیازمندی‌های نظارت بر ترافیک در فواصل دور در سناریوهای ITS را برآورده می‌کند. نتایج آزمایش‌ها پایداری و قابلیت اطمینان سیستم را تأیید کرده و ارزش مهندسی و کاربردی بالایی را ارائه می‌دهند.