車載毫米波雷達(dá)開(kāi)發(fā)技術(shù)(一)：雷達(dá)系統(tǒng)原理

yeshuheng 2020-02-19

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近年來(lái)，汽車輔助駕駛技術(shù)飛速發(fā)展并得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在預(yù)防交通事故方面起著至關(guān)重要的作用。在汽車輔助駕駛系統(tǒng)中，毫米波雷達(dá)是重要的一環(huán)，它可以在惡劣天氣和復(fù)雜路況下發(fā)揮作用，并且成本較低，應(yīng)用前景十分廣闊。

汽車輔助駕駛系統(tǒng)一個(gè)重要的功能是對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤，目前解決該問(wèn)題的算法很多，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法在復(fù)雜路況下的跟蹤效果比較理想，但取得優(yōu)秀的跟蹤精度對(duì)傳感器等元件要求很高，同時(shí)當(dāng)目標(biāo)數(shù)量提升時(shí)計(jì)算難度明顯增大。而基于隨機(jī)有限集的現(xiàn)代多目標(biāo)跟蹤理論通過(guò)嚴(yán)格的概率論推導(dǎo)，繞開(kāi)了數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)，使計(jì)算成本顯著降低，也非常適合實(shí)際應(yīng)用。本系列連載共5篇，主要內(nèi)容如下：

（1）研究了多種常用車載毫米波雷達(dá)的工作原理，比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。然后對(duì)雙頻連續(xù)波體制雷達(dá)進(jìn)行了建模，討論了雙頻連續(xù)波體制雷達(dá)的多目標(biāo)探測(cè)方法。在典型工況條件下進(jìn)行了仿真。對(duì)汽車行駛過(guò)程中，復(fù)雜路面的地雜波干擾進(jìn)行了討論，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析。

（2）對(duì)傳統(tǒng)的卡爾曼濾波算法進(jìn)行分析，由于車載雷達(dá)的跟蹤目標(biāo)包含機(jī)動(dòng)目標(biāo)，對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤方法進(jìn)行研究并仿真。

（3）研究了傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的多目標(biāo)跟蹤方法，分析了聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行多目標(biāo)仿真，并將該算法和交互式多模型算法結(jié)合，在對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤取得了理想的效果。

（4）給出基于隨機(jī)有限集理論的多目標(biāo)跟蹤方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，實(shí)現(xiàn)了高斯混合概率假設(shè)密度算法的仿真，針對(duì)該算法在強(qiáng)干擾存在時(shí)容易漏跟的問(wèn)題提出了改進(jìn)措施，通過(guò)結(jié)合核密度算法使跟蹤效果得到提升，給出了算法的步驟并進(jìn)行了仿真。

本篇主要介紹車載雷達(dá)系統(tǒng)原理

1.1 引言

為了保障乘客的安全，汽車輔助技術(shù)中的安全模塊一般分為主動(dòng)以及被動(dòng)安全兩種。主動(dòng)安全是通過(guò)雷達(dá)等傳感器采集信息，提醒駕駛員主動(dòng)規(guī)避事故。被動(dòng)安全是當(dāng)安全事故產(chǎn)生或者結(jié)束時(shí)對(duì)乘客人身安全進(jìn)行保護(hù)，比如安全帶、安全氣囊等設(shè)施。

顯然，和在事故產(chǎn)生或者結(jié)束時(shí)才對(duì)乘客人身安全進(jìn)行保護(hù)相比，若可以提前評(píng)估道路安全狀況，探測(cè)并持續(xù)跟蹤周圍車輛以及障礙物等目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在可能發(fā)生危險(xiǎn)之前提醒駕駛員做出反應(yīng)，更有經(jīng)濟(jì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。在這一理念的推動(dòng)下，各種汽車輔助駕駛系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，其中包括 LCA 變道系統(tǒng)、FCW 盲區(qū)輔助系統(tǒng)等等。很多系統(tǒng)都依賴傳感器來(lái)獲取信息，在諸多類型的傳感器中，毫米波雷達(dá)具備得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，在汽車輔助系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，具備優(yōu)良的應(yīng)用前景。

1.2 常見(jiàn)車用傳感器

在汽車防撞輔助駕駛系統(tǒng)中，傳感器的選取一直是系統(tǒng)需要考慮的問(wèn)題。隨著汽車防撞技術(shù)的不斷推進(jìn)，傳感器的種類也逐漸增多，其中有毫米波、超聲波、激光等多種體制。傳感器的本質(zhì)是對(duì)發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的回波進(jìn)行處理，分析其包含的狀態(tài)信息，進(jìn)而應(yīng)用到輔助駕駛系統(tǒng)中。以下基于幾種體制進(jìn)行了介紹。

（1）激光

激光傳感器的原理基于電磁波的反射特性，傳感器在光波段進(jìn)行處理。當(dāng)接收到反射的電磁波信號(hào)，將其與發(fā)射的電磁波對(duì)比處理，從而解算出目標(biāo)的各項(xiàng)參數(shù)。基于激光的傳播特性，激光傳感器具備很多優(yōu)點(diǎn)，比如測(cè)量過(guò)程速度快、精度很高。同時(shí)，由于激光傳播容易受到傳播介質(zhì)的干擾并且鏡頭是否清潔、傳感器自身干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大，導(dǎo)致激光傳感器在汽車輔助駕駛系統(tǒng)中表現(xiàn)并不十分理想。

（2）超聲

超聲波傳感器的頻段在 20KHz 到 40KHz 之間，通過(guò)發(fā)射波到接收超聲波所用的時(shí)間來(lái)估算目標(biāo)所在距離。和電磁波相比，超聲的傳輸速度非常慢，如果汽車處于高速行駛的狀態(tài)，其測(cè)量精度并不能滿足要求，并且超聲傳感器的探測(cè)距離也比較局限。由于超聲傳感器容易開(kāi)發(fā)、成本較低，在倒車?yán)走_(dá)應(yīng)用比較多。

（3）紅外

紅外傳感器利用紅外脈沖進(jìn)行探測(cè)，利用接收時(shí)間的延遲來(lái)估算目標(biāo)所在位置。和電磁波相似，當(dāng)外界環(huán)境比較惡劣時(shí)，紅外線的傳輸會(huì)受到較大影響。其優(yōu)點(diǎn)是成本較低、易于開(kāi)發(fā)。

（4）毫米波雷達(dá)

毫米波雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)波長(zhǎng)在 1mm 到 10mm 之間，因此信號(hào)的帶寬更大、天線可以制作更小的體積。并且毫米波的傳播受外界環(huán)境影響較小，可以隨時(shí)進(jìn)行探測(cè)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的汽車輔助駕駛系統(tǒng)選擇使用毫米波雷達(dá)。毫米波傳感器一般工作在 24GHz、35GHz、120GHz 等頻段，這些工作頻段避免了毫米波傳播受大氣的影響。

毫米波傳感器的工作原理和其他傳感器類似，但是目標(biāo)表面的整潔度等對(duì)其影響不大，更重要的是，毫米波傳感器可以同時(shí)對(duì)目標(biāo)的速度、方位乃至體積等狀態(tài)信息同時(shí)進(jìn)行測(cè)算，因此受到了廣大汽車制造商的青睞。當(dāng)然，毫米波傳感器也存在一定的問(wèn)題，比如元件較貴、開(kāi)發(fā)比較困難等。

1.3 連續(xù)波雷達(dá)原理

車載毫米波雷達(dá)是汽車輔助駕駛系統(tǒng)中的重要一環(huán)。近年來(lái)，雷達(dá)技術(shù)發(fā)展日新月異，車載雷達(dá)除了可以測(cè)算目標(biāo)的位置，還可以對(duì)目標(biāo)的速度、方位、尺寸等進(jìn)行評(píng)估。車載雷達(dá)曾經(jīng)使用過(guò)連續(xù)波、脈沖等體制。

脈沖體制雷達(dá)發(fā)射的是高頻脈沖，通過(guò)接收信號(hào)的延遲時(shí)間來(lái)解算出目標(biāo)的距離信息。由于發(fā)射信號(hào)傳播速度非?？?，使得幾納秒后就會(huì)接收到反射信號(hào)，因此對(duì)系統(tǒng)處理速度要求很高，尤其是在短距離的汽車防撞系統(tǒng)中，這急劇增大了硬件成本，導(dǎo)致應(yīng)用非常局限。下面重點(diǎn)介紹連續(xù)波雷達(dá)。

和脈沖體制的傳感器不同，連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射波形受到調(diào)制的信號(hào)，通過(guò)波形的變化來(lái)獲取信息。一般連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)將接收天線和發(fā)射天線分離開(kāi)。

1.3.1 單頻連續(xù)波雷達(dá)

單頻連續(xù)波雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)頻率是恒定的，發(fā)射信號(hào)如圖 2-1 所示。

利用發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的差頻獲取目標(biāo)信息：

根據(jù)公式，單頻連續(xù)波雷達(dá)可以解算出目標(biāo)的速度信息，但是無(wú)法計(jì)算其位置信息，并且無(wú)法對(duì)靜止目標(biāo)進(jìn)行處理。單頻連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)的接收設(shè)備是零中頻的，這樣的系統(tǒng)組成不復(fù)雜、成本較低，經(jīng)常應(yīng)用在車流量的檢測(cè)中。對(duì)接收信號(hào)的處理有以下幾個(gè)方法：（1）如果僅僅需要判斷目標(biāo)是否存在，可以設(shè)定信號(hào)門(mén)限來(lái)對(duì)信號(hào)的能量進(jìn)行測(cè)算，此時(shí)電路非常簡(jiǎn)單。（2）如果需要對(duì)目標(biāo)速度進(jìn)行簡(jiǎn)單估計(jì)，可以采用計(jì)算脈沖數(shù)的方式，但是如果干擾較大，精度非常低。

1.3.2 雙頻連續(xù)波雷達(dá)

雙頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射不同頻率的信號(hào)，發(fā)射信號(hào)如圖 2-2 所示：

兩個(gè)不同頻率的發(fā)射信號(hào)如下：

其中，

是兩個(gè)信號(hào)的中心頻率。

對(duì)比 FMCW，LFSK 的帶寬尺寸比較小，因此，可以使用較低的采樣頻率，降低成本。

若信號(hào)幅值是 1，相位是 0，那么接收到的反射信號(hào)如下：

其中，

是延遲時(shí)間。

目標(biāo)距離雷達(dá)是 R ，那么：

經(jīng)過(guò)混頻處理，并濾除高頻分量，即求得中頻信號(hào)，對(duì)其 FFT 處理得到：

目標(biāo)的距離：

據(jù)此得到目標(biāo)的狀態(tài)信息，但是因?yàn)橄辔挥?img doc360img-src='http://image109.360doc.com/DownloadImg/2020/02/1921/183271078_13_20200219095107941' src="http://image109.360doc.com/DownloadImg/2020/02/1921/183271078_13_20200219095107941">的周期，即當(dāng)相位差大于

時(shí)

存在模糊，則計(jì)算的距離不準(zhǔn)確。該系統(tǒng)的最大無(wú)模糊距離：

回波的多普勒頻移和目標(biāo)的距離和速度都有關(guān)，這樣可以將不同目標(biāo)在頻譜上區(qū)分出來(lái)，對(duì)于一個(gè)目標(biāo)，在頻譜上只會(huì)產(chǎn)生一個(gè)多普勒頻率，所以不存在類似調(diào)頻連續(xù)波由于不同差頻匹配而造成的虛假目標(biāo)的問(wèn)題。

雙頻連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)的精度和信噪比以及發(fā)射信號(hào)有關(guān)，當(dāng)發(fā)射信號(hào)的頻差逐漸減小，傳感器的精度會(huì)逐漸降低。而傳感器的最大無(wú)模糊距離會(huì)隨之逐漸增大。因此系統(tǒng)需要根據(jù)要求對(duì)二者進(jìn)行平衡。

1.3.3 三角形調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)

車載雷達(dá)中常用的線性調(diào)頻波信號(hào)其中之一是三角形線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)。其信號(hào)的波形如圖 2-3 所示：

單斜率的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)通過(guò)頻差只能計(jì)算出目標(biāo)的位置信息，但是三角波雷達(dá)可以計(jì)算出目標(biāo)的速度信息。在Tcp1的時(shí)間內(nèi)，當(dāng)時(shí)間增大，發(fā)射頻率也逐漸增大，而在Tcp2這段時(shí)間，當(dāng)時(shí)間增大，發(fā)射頻率逐漸減小。系統(tǒng)將接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行混頻，得到頻差

和

，這兩個(gè)頻差來(lái)源于目標(biāo)的距離和速度信息，它們有如下關(guān)系：

但是當(dāng)目標(biāo)數(shù)目增多時(shí)，雷達(dá)出現(xiàn)檢測(cè)困難，由于在上掃頻和下掃頻都會(huì)出現(xiàn)多個(gè)差頻信號(hào)，多個(gè)差頻信號(hào)之間存在目標(biāo)匹配的問(wèn)題，由于存在多種組合方式，檢測(cè)的過(guò)程中會(huì)造成虛假目標(biāo)的問(wèn)題，當(dāng)目標(biāo)數(shù)目不斷增加，虛假目標(biāo)數(shù)也會(huì)出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。檢測(cè)目標(biāo)的方程組的 R-V 圖如下所示。在兩個(gè)目標(biāo)存在的情況下，會(huì)檢測(cè)出四個(gè)目標(biāo)。

如果想要排除掉虛假目標(biāo)，可以在三角連續(xù)波后面發(fā)射一個(gè)單頻信號(hào)，來(lái)確定目標(biāo)的速度，這樣就排除掉了虛假目標(biāo)的頻差組合。

1.3.4 鋸齒形調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)

車載雷達(dá)中另一種常用的線性調(diào)頻波信號(hào)是鋸齒形線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)。其信號(hào)的波形如圖 2-5 所示：

鋸齒形調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)是通過(guò)多個(gè)周期的積累來(lái)確定目標(biāo)的距離和速度。多個(gè)周期的發(fā)射信號(hào)組成一個(gè)二維的信號(hào)。然后對(duì)組合信號(hào)做二維 FFT 處理，多個(gè)目標(biāo)可以很容易的在速度和距離維分開(kāi)。雖然對(duì)于多個(gè)目標(biāo)不會(huì)產(chǎn)生虛假目標(biāo)，但是要達(dá)到理想的指標(biāo)，雷達(dá)需要較高的采樣頻率，而且波形的瞬時(shí)頻率也較高，對(duì)于處理器的處理速度具有較高的要求。

1.4 汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代汽車防撞輔助系統(tǒng)選用毫米波雷達(dá)作為傳感器，整個(gè)系統(tǒng)包括收發(fā)天線、信號(hào)處理模塊、信號(hào)調(diào)制模塊等。系統(tǒng)框架如圖 2-6 所示。

高頻電流經(jīng)由發(fā)射系統(tǒng)傳遞至天線，隨后發(fā)射天線將其向外部輻射，接收天線的作用相反。隨著電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)迅猛發(fā)展，汽車防撞系統(tǒng)能夠選用體積更小、適合大量生產(chǎn)的微帶天線。同時(shí)，毫米波的波長(zhǎng)范圍使得系統(tǒng)波束設(shè)計(jì)得比較窄，天線排列更緊密。

射頻部分主要由功率放大器、混頻器等電子器件組成。VCO 生成高頻調(diào)制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器放大到足夠的功率來(lái)進(jìn)行發(fā)射，另一部分和接收信號(hào)進(jìn)行混頻。

信號(hào)處理部分是汽車輔助系統(tǒng)最重要的部分，由信號(hào)調(diào)制、數(shù)字信號(hào)處理等部分組成。接收信號(hào)經(jīng)過(guò)一系列的處理和分析計(jì)算出目標(biāo)的狀態(tài)信息，以便于系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和跟蹤。

1.5 雜波處理

汽車行駛路況非常復(fù)雜，因此傳感器在工作時(shí)可能會(huì)遭遇多種地物雜波，其中大部分的雜波屬于分布雜波。我們可以使用常系數(shù)γ分布對(duì)系數(shù)進(jìn)行建模。

當(dāng)雜波比較大時(shí)，有用信息可能會(huì)被淹沒(méi)在雜波中，因此需要對(duì)雜波進(jìn)行抑制，提取有用信息。動(dòng)目標(biāo)顯示是利用雜波信號(hào)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波信號(hào)存在頻譜上的區(qū)別[27]，從而提取出有用信息。地雜波和機(jī)動(dòng)車輛之間存在速度差，因此，動(dòng)目標(biāo)顯示可以利用其平均多普勒頻移

來(lái)進(jìn)行處理。

以下介紹動(dòng)目標(biāo)顯示濾波器，為了把雜波過(guò)濾掉，濾波器 Z 平面內(nèi)需要有一個(gè)零點(diǎn)

，其中

，因此通過(guò)濾波可以去除

頻率的回波，用到的濾波器如下：

該濾波器是復(fù)數(shù)濾波器，如果濾波器的輸入輸出分別如下：

當(dāng)處于大雜波強(qiáng)度下目標(biāo)的探測(cè)結(jié)果仿真結(jié)果如圖 2-7 和圖 2-8 所示，當(dāng)雜波比較大時(shí)，目標(biāo)不能檢測(cè)出來(lái)。如果對(duì)其進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)顯示處理，可以探測(cè)到目標(biāo)。

1.6 雙頻連續(xù)波雷達(dá)多目標(biāo)探測(cè)仿真

一般在車載雷達(dá)系統(tǒng)中，一般選用傳感器的最大無(wú)模糊測(cè)距達(dá)到 150m，速度

分辨率達(dá)到1m / s ，距離分辨率為1m，最大無(wú)模糊可以探測(cè)速度為 100m/s。對(duì)于LFSK 體制雷達(dá)，需要確定 5 個(gè)參數(shù)，

下面討論如何根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)確定 LFSK 的參數(shù)。

若雷達(dá)需要滿足最大無(wú)模糊測(cè)距的要求，則需滿足：

則可以求出最大無(wú)模糊測(cè)距的約束條件：

雷達(dá)的速度分辨率和目標(biāo)的積累時(shí)長(zhǎng)有關(guān)，若雷達(dá)需要滿足速度分辨率的要求，則可以的到掃頻時(shí)長(zhǎng)的需要滿足：

雷達(dá)的距離分辨率和雷達(dá)的工作帶寬有關(guān)，通過(guò)距離分辨率可以得到

對(duì)一個(gè)典型的路況場(chǎng)景進(jìn)行了仿真，假設(shè)雷達(dá)視線中存在三個(gè)目標(biāo)，分別是車輛、路人以及路障，車輛的速度是 18m/s，路人的速度是 1m/s，路障靜止。

對(duì)三個(gè)目標(biāo)的探測(cè)仿真如圖 2-9 所示，從圖中可以看出不同目標(biāo)可以很好的從頻譜中區(qū)別出來(lái)，這是由于目標(biāo)在頻譜的位置和目標(biāo)的速度和距離都有關(guān)，所以能很好地從頻譜中分別開(kāi)來(lái)，有利于多目標(biāo)的探測(cè)能力。

1.7 小結(jié)

本章介紹了常用車載傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，說(shuō)明了毫米波雷達(dá)在汽車輔助系統(tǒng)中的優(yōu)越性。介紹了幾種毫米波雷達(dá)的特點(diǎn)，其中三角形 LFMCW 在多目標(biāo)探測(cè)的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)虛假目標(biāo)，鋸齒形LFMCW可以通過(guò)多周期積累很好的分辨多個(gè)目標(biāo)，但是所需要的采樣頻率要求較高，對(duì)硬件有較高的要求。最后分析了雙頻連續(xù)波雷達(dá)的多目標(biāo)探測(cè)方法以及雷達(dá)系統(tǒng)的參數(shù)選取，設(shè)置了一個(gè)典型的路況，對(duì)其進(jìn)行了多目標(biāo)探測(cè)仿真。

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