基于毫米波雷達(dá)和視覺(jué)融合識(shí)別方法

王斌

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥 230088；2.孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230088；3.智能情報(bào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230088）

0.引言

隨著新興工業(yè)和科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，各國(guó)快速路出現(xiàn)超越式發(fā)展和進(jìn)步，而作為重要的交通運(yùn)輸工具汽車呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。目前，中國(guó)家庭汽車保有量越來(lái)越大，同時(shí)汽車也逐漸成為城市交通運(yùn)輸重要的工具載體，這也為城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展提供重要樞紐和保障基礎(chǔ)[1]。如何保證安全、便捷、舒適的駕駛觀念愈發(fā)引起大家的重視，也為城市發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此如何提高駕駛安全以及提升城市交通安全水平愈發(fā)嚴(yán)峻。急需發(fā)展可靠、穩(wěn)定的汽車防撞系統(tǒng)，是當(dāng)前迫切需要解決的重要問(wèn)題[2]。目前主流的汽車防撞系統(tǒng)傳感器主要有以下幾種：車載毫米波雷達(dá)、車載激光雷達(dá)、可見(jiàn)光傳感器、紅外傳感器、超聲波雷達(dá)等。其中車載毫米波雷達(dá)受外界自然環(huán)境影響相對(duì)較小，而且探測(cè)距離一般在200m左右，但對(duì)前方行人以及道路交通標(biāo)志牌難以進(jìn)行探測(cè)識(shí)別；激光雷達(dá)通過(guò)對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行掃描。利用點(diǎn)云構(gòu)建出三維空間地圖，但其成本較高，獲取高精度地圖也比較困難；可見(jiàn)光傳感器需要依賴外部光線、而且在夜間和惡劣天氣條件下對(duì)目標(biāo)識(shí)別效果會(huì)很差；紅外傳感器需要依賴于目標(biāo)本身輻射特性，一般適應(yīng)性也比較差；超聲波雷達(dá)適合對(duì)幾米之內(nèi)的障礙物進(jìn)行預(yù)警，一般用在倒車泊車中。各類傳感器在使用過(guò)程中各有優(yōu)劣[3-4]。目前在很多汽車輔助駕駛以及防撞系統(tǒng)系統(tǒng)中均采用多傳感器融合的方法，本文就是采用毫米波雷達(dá)和視覺(jué)傳感器融合的方法提供一種解決思路[5]。

1.毫米波雷達(dá)測(cè)量方法

毫米波雷達(dá)主要是指工作在毫米波波段的雷達(dá)，其波長(zhǎng)主要介于厘米波和微波之間，毫米波雷達(dá)為實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)識(shí)別，主要利用其發(fā)射波長(zhǎng)為毫米波的電磁波來(lái)完成。經(jīng)過(guò)目標(biāo)反射回來(lái)的電磁波，通過(guò)公式計(jì)算可以得出被探測(cè)目標(biāo)的相對(duì)于雷達(dá)位置的距離和相對(duì)速度。根據(jù)毫米波雷達(dá)發(fā)射的電磁波信號(hào)形式，一般可以分為連續(xù)波體制雷達(dá)和脈沖體制雷達(dá)。脈沖雷達(dá)發(fā)射的波形為矩形脈沖，它采用收發(fā)共用天線，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且不存在收發(fā)隔離度的問(wèn)題，采用一定的或者重復(fù)周期進(jìn)行工作，而且在信號(hào)收發(fā)過(guò)程中，部分時(shí)刻雷達(dá)不接收信號(hào)，在近距離段存在探測(cè)距離盲區(qū)。而連續(xù)波雷達(dá)通過(guò)發(fā)射連續(xù)波，并且發(fā)射信號(hào)的同時(shí)可以接收目標(biāo)反射回來(lái)的回波信號(hào)，收發(fā)可以同步進(jìn)行，收發(fā)天線獨(dú)立，在一定程度上克服了脈沖雷達(dá)探測(cè)距離存在距離盲區(qū)的缺陷，因此更適合應(yīng)用于車載防撞雷達(dá)。兩種不同體制毫米波雷達(dá)電磁波輻射能量示意圖如圖1所示。

圖 1 兩種不同體制毫米波雷達(dá)電磁波輻射能量示意圖

1.1 毫米波雷達(dá)測(cè)距

調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)目前主要有2種調(diào)制形式，車載上目前主要是采用雙邊掃頻三角波的調(diào)制形式。利用信號(hào)發(fā)生器，雷達(dá)前端的發(fā)射天線按照一定重復(fù)周期向外發(fā)射三角波，并通過(guò)雷達(dá)接收天線接收前方運(yùn)動(dòng)目標(biāo)反射回來(lái)的回波信號(hào)[6]。

1.2 毫米波雷達(dá)測(cè)速

車載毫米波雷達(dá)在對(duì)車輛前方目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)識(shí)別過(guò)程中，根據(jù)目標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)和目標(biāo)回波反射情況，我們可以得到2種目標(biāo)回波信號(hào)，一種是車輛前方運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波信號(hào)，另外一種是車輛前方靜止物體的回波信號(hào)[7]。假設(shè)車載毫米波雷達(dá)與前方目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生多普勒頻移，那么我們可以得到車載毫米波雷達(dá)發(fā)射信號(hào)、車輛前方靜止目標(biāo)回波信號(hào)、以及車輛前方運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)這三者之間頻率和時(shí)間的關(guān)系，從而得出目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的速度。

2.毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

為了減少雷達(dá)回波信號(hào)噪聲以及干擾，需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，剔除一些奇異值和明顯不合理的數(shù)據(jù)，從而為后續(xù)數(shù)據(jù)分析減少誤差，進(jìn)一步提高精度。

3.基于毫米波雷達(dá)和視覺(jué)融合識(shí)別框架

目前在很多汽車輔助駕駛以及防撞系統(tǒng)中均采用多傳感器融合的方法[8]，本文就是采用毫米波雷達(dá)和視覺(jué)傳感器融合方法，該方法也是目前智能汽車環(huán)境感知技術(shù)的研究方向之一。

具體實(shí)施步驟如下：

（1）利用車載毫米波雷達(dá)對(duì)車輛前方運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步預(yù)處理，剔除其中的無(wú)效目標(biāo)，最終得到車輛行駛前方的有效運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和障礙物的距離、速度、方位等信息。（2）利用視覺(jué)傳感器，對(duì)（1）中獲得的有效目標(biāo)范圍進(jìn)行視頻或圖像數(shù)據(jù)捕獲，獲取到車輛行駛前方的感興趣區(qū)域，并對(duì)有效運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和障礙物進(jìn)行圖像分割，同時(shí)利用視覺(jué)圖像處理技術(shù)對(duì)前方運(yùn)動(dòng)目標(biāo)或者障礙物進(jìn)行識(shí)別，得到目標(biāo)類型，同時(shí)獲取到前方運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離和速度信息。（3）根據(jù)（1）和（2）中得到的前方運(yùn)動(dòng)目標(biāo)或者障礙物的距離、速度、方位等信息，進(jìn)行融合處理，并最終確定前方車輛行駛過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和障礙物的有效性進(jìn)行綜合判別，并根據(jù)實(shí)際目標(biāo)距離、速度以及車道位置與車輛保持實(shí)際安全距離進(jìn)行預(yù)警和提醒。融合識(shí)別技術(shù)框架如圖2所示。

4.總結(jié)

在實(shí)際汽車輔助駕駛以及汽車防撞系統(tǒng)中，充分結(jié)合毫米波雷達(dá)和視覺(jué)傳感器對(duì)車輛行駛過(guò)程中的前方運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和障礙物進(jìn)行探測(cè)識(shí)別，并綜合利用雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)和圖像處理技術(shù)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一性描述和表征，進(jìn)一步對(duì)目標(biāo)進(jìn)行綜合判別，獲取到車輛行駛過(guò)程中前方運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和障礙物的實(shí)際距離、速度和方位，為車輛環(huán)境感知系統(tǒng)提供很好的技術(shù)思路，從而進(jìn)一步提升汽車行駛過(guò)程中環(huán)境感知系統(tǒng)的適應(yīng)性與魯棒性能力。