一種雷達目標俯仰角判定方法

梁 波，孫雙鎖，俞萬友

（華域汽車系統股份有限公司，上海 200041）

1 引言

高級駕駛輔助系統 （Advanced Driver Assistance System，ADAS），是利用安裝于車上的雷達、攝像頭等傳感器采集周邊環境數據，進行靜、動態物體的辨識、偵測與追蹤等技術上的處理，從而能夠讓駕駛者在最快的時間察覺可能發生的危險，以引起注意和提高安全性的主動安全技術［1］。

雷達作為ADAS中最重要的傳感器之一，由于它的高穿透、全天候、低成本等特性，受到了廣泛研究和大規模應用。車載雷達通常會被安裝在車輛不同的位置以適應不同的應用場景。雷達通過對周圍目標進行距離、速度、角度等測量來實現對周邊環境和運動目標的感知。其中，目標角度的檢測比較關鍵。在角度測量中，傳統的汽車雷達只進行方位角測量而不進行俯仰角測量。

前向雷達和前角雷達作為安裝在車輛前方的雷達，可以具備對自車前方和前側方車輛和行人的穩定跟蹤以及ACC［2］、AEB［3］、FCTA等功能。由于安裝在前方，為了防止在車輛行進時對前方路牌和地面低矮目標 （如窨井蓋、減速帶等）的誤檢測，雷達需要具備俯仰測角能力，否則，將造成ACC／AEB系統的誤觸發，影響用戶體驗，甚至造成后車碰撞的危險。

為實現俯仰檢測，通常是在雷達俯仰方向上添加多個通道［4］，通過對天線通道間的幅度差或相位差測量來實現俯仰檢測。通常的方法均需要增加俯仰通道，這將增大數據運算量，在一定程度上會增加車載雷達的硬件成本。本文在不明顯增加運算量的前提下，提出了一種基于天線俯仰寬窄波設計下的俯仰判定方法，該方法原理簡單、計算量低、實現方便，在不影響方位測角的情況下使雷達具備了俯仰判定能力，暗室數據和道路測試數據驗證了算法的有效性。

2 原始方案

典型的毫米波雷達收發天線如圖1所示，其中使用微帶串饋線陣天線進行射頻信號收發，微帶天線［5］相對于傳統的喇叭天線，傳感器具有體積小、方向性好、使用方便等特點。圖1a左邊三列，從左起分別是接收天線1、2、3，其中天線1和天線2之間的間距為λ／2，天線2和天線3之間的間距為λ，λ為雷達波長。

完成目標距離和速度解算后，為計算目標的方位角，可利用對應的目標找到3個接收天線通道的相位差信息，來計算目標的方位角，為更精確地解算目標角度，基于多基線的特點，選擇1、2通道和1、3通道進行多基線比相測角。

根據比相法［6］原理，通道間的相位差ΔΦ與雷達的波達角θ的關系如公式所示。

式中：d——接收天線間距。

通過1、2通道和1、3通道間的比相：

圖1 雷達收發天線

式中：ΔΦ12——測得的天線1、2間的相位差。

當1、3通道解卷繞后的相位差ΔΦ13與通過公式 （2）計算得到的相位差ΔΦ′13在一定的誤差之內，認為相位解算正確，并將1、3通道的相位差ΔΦ13用來計算方位角。

根據公式 （1），目標的方位角θAzi解算計算公式為：

因為無俯仰通道，該方案設計只能進行方位角度測量，不具備俯仰檢測能力。

3 方案改進設計

圖2為改進的雷達收發天線圖。為使雷達具備俯仰判別的功能，根據雷達接收天線的特點，在不增加天線通道數情況下可通過重新設計天線俯仰波束來實現，具體如下。

圖2 改進的雷達收發天線圖

針對現有雷達樣件，其有3個接收天線，對其中一個天線通道進行重新設計，在俯仰方向上對稱地減少天線1（或天線2）的陣列單元數，以保證其在相位中心基本不變的情況下，能夠減少天線1俯仰向的孔徑，從而增大天線1俯仰向的主波束寬度。這樣便可利用天線2、3與天線1在不同仰角時的增益不同來進行俯仰判別。

基于以上思路，雷達的測角算法流程可描述如下。

1）參照上節內容對3個天線的信息進行多基線比相測角，得到目標的方位信息。

由于天線1的陣列單元減少，其天線增益會有所降低，為了不影響方位角的角度測量，在比相測角時采用1、2和2、3通道進行相位解模糊，并利用2、3通道的相位差做最終的方位比相測角。即：

若在天線設計中減小天線2而非天線1的陣列單元數，在進行相位解模糊后仍可采用公式 （3）進行方位測角。

2）對3通道目標信號進行比幅測角，得到目標俯仰信息。

存儲目標3個天線通道的二維FFT結果，再分別計算2-1通道和3-1通道目標信號的幅度差。

式中：r、d——分別是二維FFT的兩維（距離和多普勒）；s（r，d）——特定目標的FFT復信號結果，下標1～3指代對應的3個天線通道。

根據實際的ΔS21和ΔS31隨角度的變化設計閾值范圍，首先確定水平目標的角度范圍，根據此范圍通過查找幅度差隨角度的變化曲線確定閾值th，若ΔS21與ΔS31均大于設定的閾值th時，認為此時目標屬于水平目標，否則認為目標屬于非水平目標。

公式 （6）是俯仰判定的一種方法，實際中也可根據ΔS21或ΔS31建立幅度差隨俯仰角度的變化表，在實際使用時通過查表來更精確地測得目標水平角度。

根據以上流程，目前的方法只適用于檢測水平角度情況，無法區分非水平目標屬于高處目標或低處目標。

4 試驗及數據分析

圖3 各天線目標能量隨俯仰角度變化曲線

對新設計的雷達樣件在微波暗室進行測試，目標正對雷達天線口面放置，雷達安裝在轉臺上，轉臺方位角設定為0°，俯仰角設定為-75°～75°，角度步進間隔1°。可測得樣件在0°方位角情況下目標能量隨俯仰角度的變化曲線如圖3、圖4所示，2-1通道和3-1通道的幅度差如圖5所示。通過實測結果可以看出，天線1的波束變寬、主瓣峰值降低，在俯仰角-15°～15°范圍內與天線2、天線3的幅度差明顯，天線2-1和天線3-1的幅度差相近，實測結果與理論分析一致，可根據上節的相關方法進行俯仰角度判定。

圖5 雷達天線通道2-1和通道3-1幅度差隨角度變化曲線

圖4 各天線目標能量隨角度變化曲線局部放大圖

圖6 地下車庫測試場景

圖7 道路測試場景

將前角雷達安裝在測試車上，2個雷達樣件分別安裝在車輛前方左右角位置，主要用于監控雷達視場30 m范圍內的目標。測試場景包含地下車庫和地面道路上，通過安裝在車輛前方的攝像頭記錄路試場景。實際的測試場景如圖6、圖7所示，左邊是測試場景圖，右邊為雷達探測到的目標點，其中顏色標識為黑色的點表示俯仰不是水平目標的點，其他顏色均為水平目標。從圖6的雷達結果可以看出，雷達能將前方地下車庫屋頂的散射點標識為非水平目標；從圖7的雷達結果可知，道路周邊的護欄和車輛都進行了正確的檢測，護欄未被錯誤識別為非水平目標。從上述場景可以看出，此方法能夠使雷達正確地進行俯仰角判定。

為進行充分驗證，通過對測試場景中所有點持續地統計分析得到，目前方法對俯仰目標的識別成功率能達到70%。鑒于此只是初步結果，后續可通過優化俯仰判斷方法以及引入其他判斷因子綜合判斷等措施來進一步提高雷達目標俯仰判定的成功率。

5 結論

本文為解決車載雷達俯仰檢測問題，在不明顯增加運算量的前提下，提出了一種基于天線俯仰寬窄波設計下的俯仰判定方法，該方法原理簡單，實現成本較低，便于工程應用，可在不影響方位測角的情況下，使雷達具備俯仰判定能力，暗室數據和道路測試數據驗證了算法的可行性和有效性。