一種基于毫米波雷達的汽車盲區監測系統開發及測試應用

文/孫元峰

在如今的汽車行業中，車輛的駕駛安全性越來越受重視，也成為各大汽車廠商的主要賣點。駕駛車輛的過程中車輛側后方是駕駛員的主要視覺盲區，在高速換道、后方車輛超車、低速倒車、停車開門等場景易引發交通事故造成人員傷亡。

毫米波雷達感知是一種無線感知技術，其它傳感器相比，雷達感知具有許多獨特的優勢。受霧雨雪等惡劣氣候條件影響小、不受光線明暗的影響，具有穿透遮擋物的能力；與超聲技術相比，雷達感知的距離更遠。其具備盲點監測功能(BSD)、換道輔助功能（LCA）、倒車輔助告警功能（RCTA）和開門告警(DOW)等多項駕駛輔助功能。毫米波雷達由于在尺寸小、探測性能優、環境適應能力強、成本低廉等方面的優勢，已成為汽車輔助駕駛系統必不可少的 選擇。

1 監測系統工作原理

毫米波雷達感知是一種比較重要的環境感知手段，通過分析雷達接收到的目標回波特性，提取目標的位置、運動特性和運動軌跡。汽車碰撞預警雷達主要工作于24GHz、77GHz頻段，24GHz 雷達因其頻段相近和廣泛應用，也被業內統稱為毫米波雷達。

本文設計了一種基于24GHz 雷達的汽車盲區監測系統，通過雷達高頻電路收發回波處理和信號檢測，完成目標的探測和跟蹤，最后結合各種預警功能算法，輸出相應警示信號。該系統雷達測距、測速和方位處理基本工作原理如圖1所示。

圖1：雷達收發信號

圖2：角度測量原理

圖3：系統構架框圖

雷達采用線性調頻連續波模式，通過上下掃頻聯合處理，可同時解出目標的速度和距離信息。調頻帶寬B 決定距離分辨率，調頻周期T 影響系統的頻率分辨率；各參數需綜合折衷考慮，以滿足整機系統指標要求。

△fL為距離差頻，△fd為相對速度造成的多普勒頻偏，那么有如下公式：

通過聯立解方程組，分別會得到距離差頻△fL和多普勒頻偏△fd，從而得到目標的距離和速度信息，△fd的正負表示目標相對速度的方向。

相位測角法是利用不同接收通道同一時刻的相位差計算出目標角度，相位測角法的原理框圖如圖2所示。

圖2中，θ 為目標徑向方向與天線法線方向的夾角，d 為天線間距，λ 為回波信號的波長。目標方向角θ 的計算公式：

2 系統功能及架構設計

盲區監測系統通過毫米波雷達傳感器來監測本車側后方盲區區域，并獲取目標位置、相對速度、行駛方向等信息。一旦監測到有車輛處于視角盲區位置或以很快的速度從后面接近本車，通過車輛外后視鏡上的警告信號、聲音等聲光等形式來提醒司機注意。結合是否操縱了轉向燈準備轉向，后視鏡上的警告信號就會閃爍等形式，提醒司機車身附近有車倆存在碰撞風險，不要換道。該盲區監測系統主要具有盲點監測功能(BSD)、換道輔助功能（LCA）、倒車輔助告警等功能（CTA）和開門告警（DOW）等多項駕駛輔助功能。系統主要構架如圖3所示：

（1）FMCW 調頻連續波體制雷達，車輛左右側各裝一臺；

（2）雷達單發多收進行目標位置（距離、角度）、速度等信息測量；

（3）根據車輛及目標位置、運動參數，進行目標數據報警算法處理；

（4）盲區監測、變道輔助、橫向倒車告警、開門告警等多功能綜合應用。

毫米波雷達安裝在車輛后保杠的兩側，當有車輛出現在雷達覆蓋區并滿足報警條件時，驅動指示燈和蜂鳴器進行報警。雷達模塊通過CAN 與車身網關相連，通過網關獲取車輛的速度信息、檔位信號、轉向燈信號、方向盤轉角信號、橫擺角信號等信號，同時也可將雷達報警信息和故障信息等上傳至車輛處理。

3 系統測試及功能應用驗證

盲區監測系統性能優劣不僅受毫米波雷達傳感器自身的性能影響，還需要解決雷達與環境適配、車輛安裝、保險杠匹配、誤差校準以及實際道路綜合功能測試等功能應用技術難題，確保批量產品工作狀態穩定和一致性。

3.1 雷達性能綜合測試驗證

雷達主要功能性能測試包括電氣性能、電磁兼容、氣候環境和機械環境適應能力等數十項性能指標測試；其中該系統雷達探測范圍、精度、分辨率等主要性能測試采用雷達目標模擬測試系統進行全面測試，確保各性能滿足設計要求。如圖4所示。

3.2 車輛安裝位置匹配

圖4：雷達綜合性能模擬測試系統

圖5：雷達安裝位置匹配圖

圖6：保險杠影響匹配標校圖

圖7：道路功能應用測試圖

雷達模塊安裝在車身保險杠內工作，其安裝位置、角度及周圍探測區域遮蔽等因素均對雷達性能的正常發揮有一定影響。在測試過程中需要結合車身及雷達探測任務、保杠形狀等進行性能評估和匹配優化，以保障雷達發揮最大探測效性能。如圖5所示。

3.3 車輛保險杠匹配

在雷達安裝使用過程中，考慮到保險杠形狀、材質及周圍物品影響所帶來的測角誤差，采用單獨匹配校準方式，確保了目標定位的準確性。標校情況如圖6所示。

3.4 下線標定

在整車廠完成雷達車輛裝配后，對雷達的實際安裝角度誤差進行系統修正。綜合考慮標定工位大小、標定環境等因素，采用固定點目標的方法實現了雷達安裝角度的快速標定。

3.5 道路功能應用測試

如圖7所示，系統各項功能主要依據行業法規要求進行場地和道路性能驗證測試，其中道路測試涵蓋全國各地典型道路場景。系統功能應用測試里程數萬公里，測試用例數百項；測試場景覆蓋城市道路、鄉村道路、高速公路、山路、隧道等各種路面，氣候包括陰雨天、霧天、晴天，白天/夜晚等場景。主要功能應用測試情況如下：

（1）運動場景：同道跟隨、旁道超車、變道超車、隔道超車、倒車、停車開門等；

（2）車輛速度：30、40、50、60、70、80、90、120km/h 等；

（3）目標類型：小轎車、卡車、面包車、貨車、三輪車等；

（4）目標數量：單輛、多輛等；

（5）道路場景：水泥路、柏油路、干/濕路、施工路、高架橋、高速、下穿橋、隧道、柵欄路、綠化帶路、鐵板路、轉彎、上/下坡路等；

（6）特殊場景，軟件仿真測試。

4 結束語

通過持續的技術攻關和全面測試驗證，基于毫米波雷達的汽車盲區監測系統完成了產品開發和功能應用，并委托第三方專業機構進行場地測試和數萬公里的道路測試。經過多輪測試與優化，該系統性能穩定可靠，性能優良，報警準確、及時，系統準確率達到了99%，誤漏報率低于1%，滿足車廠批量應用需求。后續將在產業化規模和不同車型快速適配等方面進一步優化提升。