基于雷達(dá)探測的有軌電車防撞預(yù)警系統(tǒng)

梁 影 張慶拙 鄭廣瑜 黃嘉智

（上海無線電設(shè)備研究所，上海市目標(biāo)識別與環(huán)境感知工程技術(shù)研究中心，上海 200090）

有軌電車作為一種造價低、建設(shè)周期短、運量大、環(huán)保的軌道交通工具，在城市群的建設(shè)中將扮演重要角色，目前國內(nèi)已有多個城市建設(shè)了有軌電車示范線工程。有軌電車在街道上行駛時,部分路段會與社會車輛共享路權(quán)，容易發(fā)生交通事故，尤其天氣惡劣時，司機視線受影響，預(yù)見危險能力降低，所以為保障交通安全需采取相應(yīng)的防撞措施。

雷達(dá)在軍事領(lǐng)域多用于目標(biāo)探測，現(xiàn)擴展到汽車防撞、無人機避撞等領(lǐng)域，其具有全天候、抗干擾能力強的優(yōu)點。有軌電車防撞預(yù)警雷達(dá)通過對列車運行前方障礙物進行探測，評估其對電車的危害等級，給出相應(yīng)等級的預(yù)警信號。

1 系統(tǒng)設(shè)計

有軌電車障礙物防撞雷達(dá)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括雷達(dá)傳感器及系統(tǒng)主機。

圖1 系統(tǒng)框圖

雷達(dá)傳感器探測列車運行前方250m范圍內(nèi)的障礙物，對障礙物的距離、速度、方位進行測量計算；探測信息通過CAN通信傳輸給防撞系統(tǒng)主機，系統(tǒng)主機根據(jù)其運動軌跡、相對距離、運動速度及有軌電車的制動特性計算評估其對電車的危害等級；UDP網(wǎng)絡(luò)通信實時將危險目標(biāo)及預(yù)警等級信息傳輸給車載信號系統(tǒng)，同時周期性將車輛運行信息傳輸給雷達(dá)防撞系統(tǒng)，便于對特殊情況的識別處理，如彎道情況。

2 雷達(dá)傳感器

有軌電車障礙物防撞雷達(dá)采用先進的CMOS工藝的毫米波集成電路，支持?jǐn)?shù)字波束形成的毫米波收發(fā)架構(gòu)，多模多功能毫米波雷達(dá)的一體化設(shè)計。

通過2發(fā)4收的天線模式，發(fā)射天線間距為4倍的接收天線陣元間距，從而實現(xiàn)8路接收的虛擬陣列，角度分辨能力提高1倍。

雷達(dá)發(fā)射FMCW信號，采用2D-FFT進行距離–速度解耦合，每個發(fā)射天線對應(yīng)4個虛擬陣元，需要對8路接收數(shù)據(jù)進行2D-FFT處理。對2D-FFT處理結(jié)果進行峰值點搜索（目標(biāo)判定），提取8組2D-FFT數(shù)據(jù)中目標(biāo)位置數(shù)據(jù)進行FFT，從而實現(xiàn)目標(biāo)角度測量。

3 系統(tǒng)主機信號處理

3.1 濾波跟蹤技術(shù)

Kalman濾波器是一個對動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)序列進行線性最小方差誤差估計的算法，通過動態(tài)的狀態(tài)方程和觀測方程描述系統(tǒng)，具有計算量小、可實時計算的特點。利用濾波器來估計目標(biāo)運動，當(dāng)系統(tǒng)對目標(biāo)的運動位置和速度有了可靠估計后，就可以在相對較小的區(qū)域內(nèi)進行搜索，從而起到濾波作用，而當(dāng)目標(biāo)短暫消失時，可利用濾波器對目標(biāo)的運動軌跡進行可靠預(yù)測，等待目標(biāo)的重新出現(xiàn)以完成跟蹤過程。本文采用白噪聲、勻速運動模型對雷達(dá)探測目標(biāo)進行濾波跟蹤。

3.2 恒虛警檢測

有軌電車運行環(huán)境多變，為抑制雜波，使數(shù)據(jù)處理機不因虛警太多而過載，雷達(dá)信號處理機中必須進行CFAR處理。它根據(jù)雜波強度自動調(diào)節(jié)檢測門限，使虛警概率保持恒定。

3.3 特殊路況處理

目標(biāo)的距離、速度、角度等信息均是雷達(dá)坐標(biāo)系數(shù)值，需要轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)，在特殊路況（彎道、坡道等）下，目標(biāo)相對于軌道中心的垂直距離需要結(jié)合線路信息進行計算。

采取將特殊路況信息預(yù)存的方法，如彎道情況預(yù)存直緩點、緩直點、彎道半徑、轉(zhuǎn)彎方向等，再用網(wǎng)絡(luò)通信獲得的車輛位置信息（所在路段、車輛上下行、車輛公里標(biāo)等）進行查表，獲取車輛前方線路信息，從而進行目標(biāo)縱向、橫向距離估算。

3.4 預(yù)警等級劃分

依據(jù)有軌電車制動率的不同將預(yù)警情況分為3類，分別是低等級預(yù)警、中等級預(yù)警（低制動率）及高等級預(yù)警（高制動率）。障礙物探測系統(tǒng)根據(jù)探測到的障礙物危險等級，進行預(yù)警提醒。雷達(dá)系統(tǒng)低等級預(yù)警時，司機應(yīng)做好制動準(zhǔn)備，車速較高則適當(dāng)減速，直到報警解除，并加強瞭望；雷達(dá)系統(tǒng)中等級預(yù)警時，司機應(yīng)立即減速慢行，直到報警解除，并加強瞭望；雷達(dá)系統(tǒng)高等級預(yù)警時，司機應(yīng)緊急剎車，并加強瞭望。

4 結(jié)束語

有軌電車?yán)走_(dá)防撞預(yù)警系統(tǒng)通過對電車前方危險目標(biāo)的識別預(yù)警，能夠進一步保障電車運行安全，對交通安全建設(shè)具有重要意義。