車載毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法研究

黃亞楠　熊毅　高森

【摘 要】車載毫米波雷達(dá)感知車輛周圍目標(biāo)并經(jīng)信號(hào)處理，數(shù)據(jù)處理及報(bào)警邏輯處理等環(huán)節(jié)，將最終的報(bào)警信息上報(bào)車身控制系統(tǒng)或以聲音等形式直接提示駕駛員及時(shí)控制車輛。根據(jù)系統(tǒng)功能需求及開發(fā)平臺(tái)選擇合適的數(shù)據(jù)處理及報(bào)警處理算法能最大限度的發(fā)揮車載雷達(dá)的作用。本文介紹了車載毫米波雷達(dá)工作原理及對(duì)比分析了主流的數(shù)據(jù)處理和報(bào)警處理方式。

【關(guān)鍵詞】車載;毫米波雷達(dá);數(shù)據(jù)處理

中圖分類號(hào)： U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）22-0024-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.009

0 前言

在如今的汽車行業(yè)中，車輛的駕駛安全性越來(lái)越受重視，主動(dòng)安全產(chǎn)品越來(lái)越受到消費(fèi)者的關(guān)注。毫米波雷達(dá)相比于其他測(cè)量介質(zhì)雷達(dá)具有工作頻率高、波長(zhǎng)短、天線尺寸小、探測(cè)距離遠(yuǎn)，運(yùn)行可靠，測(cè)量性能受天氣等外界因素的影響較小等優(yōu)點(diǎn)，最適合應(yīng)用于汽車防撞雷達(dá)產(chǎn)品。

1 毫米波雷達(dá)系統(tǒng)工作原理

雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)輻射電磁波和接收物體反射電磁波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和定位，其工作過(guò)程主要為：雷達(dá)通過(guò)天線發(fā)射特定波形的電磁波，在有效輻射范圍內(nèi)被目標(biāo)截獲，目標(biāo)反射電磁波到很多方向上，其中一部分能量返回至天線處被雷達(dá)接收，并通過(guò)放大，信號(hào)處理等過(guò)程最終計(jì)算出目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的位置，移動(dòng)速度，方位等信息[7]。

毫米波雷達(dá)，主要分為連續(xù)波雷達(dá)和脈沖雷達(dá)兩種體制。車載毫米波雷達(dá)以連續(xù)波雷達(dá)體制為主，主要工作模式為點(diǎn)頻連續(xù)波（CW），頻移鍵控連續(xù)波（FSK）及線性調(diào)頻連續(xù)波（LFMCW）等[1]。車載毫米波雷達(dá)系統(tǒng)包括射頻前端，中頻處理模塊，雷達(dá)基帶處理模塊三個(gè)部分。射頻前端發(fā)射的調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制產(chǎn)生調(diào)頻連續(xù)波射頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)發(fā)射天線發(fā)射出去，發(fā)射信號(hào)遇到目標(biāo)后被反射回來(lái)，反射信號(hào)經(jīng)過(guò)接收天線進(jìn)入混頻器與本振信號(hào)進(jìn)行差頻后輸出一個(gè)中頻信號(hào)，中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大，再經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，將中頻數(shù)字信號(hào)送給基帶信號(hào)處理電路，經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理后得出中頻信息，進(jìn)而根據(jù)理論公式計(jì)算出目標(biāo)距離，得出距離、速度信息，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別、跟蹤等。

車載毫米波雷達(dá)工作頻率主要為24GHz和77GHz，由于77GHz雷達(dá)具有更遠(yuǎn)的探測(cè)距離和更好的分辨率，所以目前更多廠商主推77GHz雷達(dá)。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，車載毫米波雷達(dá)主要分為前視雷達(dá)，安裝在車輛前保險(xiǎn)杠或者內(nèi)后視鏡處，功能模式為FCW（前防撞預(yù)警），ACC（自適應(yīng)巡航），AEB（自動(dòng)剎車系統(tǒng)）等;側(cè)后視雷達(dá)，安裝在車輛后保險(xiǎn)杠兩側(cè)，功能模式主要為盲區(qū)探測(cè)系統(tǒng)，細(xì)分為BSD（盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)），LCA（變道輔助），DOW（開門預(yù)警），CTA（橫向交通預(yù)警）等功能。

2 車載毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方式研究對(duì)比

車載毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方式：根據(jù)車載毫米波雷達(dá)的工作場(chǎng)景及應(yīng)用方式，目前主流的數(shù)據(jù)處理方式有基于目標(biāo)點(diǎn)跡，根據(jù)目標(biāo)車輛運(yùn)動(dòng)特征，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并根據(jù)報(bào)警規(guī)則形成最終的雷達(dá)報(bào)警，此種方式處理較為簡(jiǎn)單，對(duì)信號(hào)處理輸出結(jié)果要求較高;另一種則為基于目標(biāo)航跡進(jìn)行處理報(bào)警，經(jīng)信號(hào)處理輸出目標(biāo)點(diǎn)跡信號(hào)后，先進(jìn)行航跡處理，形成目標(biāo)穩(wěn)定航跡，對(duì)滿足報(bào)警規(guī)則的目標(biāo)進(jìn)行報(bào)警處理，此種處理方式能更好對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類，可做更高級(jí)應(yīng)用。

基于點(diǎn)跡進(jìn)行報(bào)警處理，數(shù)據(jù)處理相對(duì)較為簡(jiǎn)單，主要步驟為對(duì)信號(hào)處理產(chǎn)生的原始點(diǎn)跡數(shù)據(jù)先進(jìn)行單點(diǎn)報(bào)警處理，對(duì)滿足單點(diǎn)報(bào)警的目標(biāo)點(diǎn)跡進(jìn)行滑窗統(tǒng)計(jì)，當(dāng)滿足滑窗規(guī)則n/m（m為滑窗最大門限，n為報(bào)警點(diǎn)跡數(shù)量）時(shí)形成雷達(dá)報(bào)警。由于數(shù)據(jù)處理相對(duì)簡(jiǎn)單，所以雷達(dá)報(bào)警響應(yīng)更快。若信號(hào)處理產(chǎn)生點(diǎn)跡質(zhì)量不高，則需進(jìn)行較多虛警處理，以提高雷達(dá)報(bào)警準(zhǔn)確率。在虛警處理時(shí)需要更多考慮目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征，分析數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，及目標(biāo)數(shù)據(jù)在滑窗期間的變化規(guī)律。此種數(shù)據(jù)處理方式主要應(yīng)用在級(jí)別較低的駕駛輔助系統(tǒng)，對(duì)盲區(qū)內(nèi)目標(biāo)數(shù)量不做具體要求，當(dāng)目標(biāo)處于盲區(qū)滿足報(bào)警規(guī)則即可形成雷達(dá)報(bào)警。處理流程如圖1所示。

雷達(dá)航跡處理主要步驟：雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在獲取信號(hào)處理產(chǎn)生的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)后，主要進(jìn)行航跡數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、航跡起始、航跡濾波與預(yù)測(cè)、航跡管理與維持。航跡處理的輸入是經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和點(diǎn)跡凝聚處理的一批原始點(diǎn)跡，然后所有點(diǎn)跡與已有航跡進(jìn)行相關(guān)處理，落入航跡的相關(guān)波門的點(diǎn)跡，即與航跡相關(guān)成功，通過(guò)航跡濾波與預(yù)測(cè)選擇是該航跡目標(biāo)點(diǎn)的概率最大的點(diǎn)跡，若找到該點(diǎn)跡，對(duì)航跡進(jìn)行更新處理;若出現(xiàn)沒(méi)有和所有航跡相關(guān)的點(diǎn)跡，則可能是新航跡點(diǎn)，若是新航跡點(diǎn)，利用航跡起始算法進(jìn)行航跡起始，若不是新航跡點(diǎn)又不是已有航跡的目標(biāo)點(diǎn)，則可能是還未起始成功的舊航跡目標(biāo)點(diǎn)，航跡重現(xiàn)輸出;若上述所有情況都不是，則把該點(diǎn)跡作為“非關(guān)聯(lián)點(diǎn)跡”緩存到航跡數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行下一步判斷[3]。

航跡處理的基本功能是循序漸進(jìn)的，是對(duì)雷達(dá)當(dāng)前觀測(cè)周期點(diǎn)跡的歸屬進(jìn)行分類，其中的關(guān)鍵技術(shù)主要是點(diǎn)跡與航跡相關(guān)、航跡濾波與預(yù)測(cè)及航跡起始。航跡處理過(guò)程如圖2所示。

較高級(jí)別的駕駛輔助系統(tǒng)要求車載毫米波雷達(dá)同時(shí)跟蹤道路上一定范圍內(nèi)多個(gè)目標(biāo)。前向雷達(dá)需要同時(shí)跟蹤車輛正前方車道或多個(gè)車道同時(shí)出現(xiàn)的不同目標(biāo)，根據(jù)報(bào)警需求對(duì)處于不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的目標(biāo)進(jìn)行報(bào)警處理并打上報(bào)警標(biāo)志，如FCW和AEB功能主要關(guān)注本車正前方車道目標(biāo)，ACC則需要同時(shí)關(guān)注多個(gè)車道目標(biāo)運(yùn)動(dòng)情況。對(duì)車輛前方目標(biāo)進(jìn)行航跡跟蹤與處理，可以更好分辨不同目標(biāo)相對(duì)本車位置，移動(dòng)速度，對(duì)本車有危險(xiǎn)的目標(biāo)及時(shí)做出預(yù)警處理或介入車輛主動(dòng)控制系統(tǒng)。側(cè)后視雷達(dá)則主要探測(cè)跟蹤車輛側(cè)后方兩側(cè)車道目標(biāo)，對(duì)處于盲區(qū)或報(bào)警區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤處理。

3 總結(jié)

高級(jí)駕駛輔助及自動(dòng)駕駛技術(shù)處于飛速發(fā)展中，車載毫米波雷達(dá)作為環(huán)境感知傳感器，在各種輔助駕駛功能或自動(dòng)駕駛技術(shù)中處于最重要的一環(huán)。車載毫米波雷達(dá)感知目標(biāo)，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理及報(bào)警邏輯處理及時(shí)對(duì)駕駛員做出預(yù)警或?qū)⑿盘?hào)送給車身控制系統(tǒng)主動(dòng)控制車輛運(yùn)動(dòng)以最大可能避免事故發(fā)生。根據(jù)功能需求及硬件平臺(tái)選擇基于點(diǎn)跡或航跡的數(shù)據(jù)處理及報(bào)警算法會(huì)更高效準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)功能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊凱.基于毫米波雷達(dá)的汽車主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)信號(hào)分析與處理[D].吉林大學(xué)碩士論文，2017：28～30.

[2]劉海波，盛蒙蒙，楊曉倩.一種車載毫米波列車防撞雷達(dá)系統(tǒng)研究[J].雷達(dá)學(xué)報(bào)，2013（2）1～2.

[3]朱洪艷，韓崇昭，韓紅，左東廣.航跡起始算法研究[J].航空學(xué)報(bào)，2004，25（3）：284～288.

[4]何友，修建娟，張晶煒等.雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2009.2-147.

[5]任亞欣.汽車防撞雷達(dá)概述.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)[J].2007年.第17卷.第17期.

[6]于立萍.基于測(cè)距雷達(dá)的汽車安全輔助駕駛技術(shù)研究[D].北京：清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科碩士學(xué)位論文，2004.

[7]Merrill I.SKoInik.雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論（第三版）[M].左群聲，徐國(guó)良等，譯：電子工業(yè)出版社，2006：067479.