梁 波，孫雙鎖，俞萬(wàn)友

（華域汽車(chē)系統(tǒng)股份有限公司，上海 200041）

1 引言

高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) （Advanced Driver Assistance System，ADAS），是利用安裝于車(chē)上的雷達(dá)、攝像頭等傳感器采集周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)物體的辨識(shí)、偵測(cè)與追蹤等技術(shù)上的處理，從而能夠讓駕駛者在最快的時(shí)間察覺(jué)可能發(fā)生的危險(xiǎn)，以引起注意和提高安全性的主動(dòng)安全技術(shù)［1］。

雷達(dá)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(guī)模應(yīng)用。車(chē)載雷達(dá)通常會(huì)被安裝在車(chē)輛不同的位置以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。雷達(dá)通過(guò)對(duì)周?chē)繕?biāo)進(jìn)行距離、速度、角度等測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊環(huán)境和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的感知。其中，目標(biāo)角度的檢測(cè)比較關(guān)鍵。在角度測(cè)量中，傳統(tǒng)的汽車(chē)?yán)走_(dá)只進(jìn)行方位角測(cè)量而不進(jìn)行俯仰角測(cè)量。

前向雷達(dá)和前角雷達(dá)作為安裝在車(chē)輛前方的雷達(dá)，可以具備對(duì)自車(chē)前方和前側(cè)方車(chē)輛和行人的穩(wěn)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(chē)輛行進(jìn)時(shí)對(duì)前方路牌和地面低矮目標(biāo) （如窨井蓋、減速帶等）的誤檢測(cè)，雷達(dá)需要具備俯仰測(cè)角能力，否則，將造成ACC／AEB系統(tǒng)的誤觸發(fā)，影響用戶(hù)體驗(yàn)，甚至造成后車(chē)碰撞的危險(xiǎn)。

為實(shí)現(xiàn)俯仰檢測(cè)，通常是在雷達(dá)俯仰方向上添加多個(gè)通道［4］，通過(guò)對(duì)天線(xiàn)通道間的幅度差或相位差測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)俯仰檢測(cè)。通常的方法均需要增加俯仰通道，這將增大數(shù)據(jù)運(yùn)算量，在一定程度上會(huì)增加車(chē)載雷達(dá)的硬件成本。本文在不明顯增加運(yùn)算量的前提下，提出了一種基于天線(xiàn)俯仰寬窄波設(shè)計(jì)下的俯仰判定方法，該方法原理簡(jiǎn)單、計(jì)算量低、實(shí)現(xiàn)方便，在不影響方位測(cè)角的情況下使雷達(dá)具備了俯仰判定能力，暗室數(shù)據(jù)和道路測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了算法的有效性。

2 原始方案

典型的毫米波雷達(dá)收發(fā)天線(xiàn)如圖1所示，其中使用微帶串饋線(xiàn)陣天線(xiàn)進(jìn)行射頻信號(hào)收發(fā)，微帶天線(xiàn)［5］相對(duì)于傳統(tǒng)的喇叭天線(xiàn)，傳感器具有體積小、方向性好、使用方便等特點(diǎn)。圖1a左邊三列，從左起分別是接收天線(xiàn)1、2、3，其中天線(xiàn)1和天線(xiàn)2之間的間距為λ／2，天線(xiàn)2和天線(xiàn)3之間的間距為λ，λ為雷達(dá)波長(zhǎng)。

完成目標(biāo)距離和速度解算后，為計(jì)算目標(biāo)的方位角，可利用對(duì)應(yīng)的目標(biāo)找到3個(gè)接收天線(xiàn)通道的相位差信息，來(lái)計(jì)算目標(biāo)的方位角，為更精確地解算目標(biāo)角度，基于多基線(xiàn)的特點(diǎn)，選擇1、2通道和1、3通道進(jìn)行多基線(xiàn)比相測(cè)角。

根據(jù)比相法［6］原理，通道間的相位差ΔΦ與雷達(dá)的波達(dá)角θ的關(guān)系如公式所示。

式中：d——接收天線(xiàn)間距。

通過(guò)1、2通道和1、3通道間的比相：

圖1 雷達(dá)收發(fā)天線(xiàn)

式中：ΔΦ12——測(cè)得的天線(xiàn)1、2間的相位差。

當(dāng)1、3通道解卷繞后的相位差ΔΦ13與通過(guò)公式 （2）計(jì)算得到的相位差ΔΦ′13在一定的誤差之內(nèi)，認(rèn)為相位解算正確，并將1、3通道的相位差ΔΦ13用來(lái)計(jì)算方位角。

根據(jù)公式 （1），目標(biāo)的方位角θAzi解算計(jì)算公式為：

因?yàn)闊o(wú)俯仰通道，該方案設(shè)計(jì)只能進(jìn)行方位角度測(cè)量，不具備俯仰檢測(cè)能力。

3 方案改進(jìn)設(shè)計(jì)

圖2為改進(jìn)的雷達(dá)收發(fā)天線(xiàn)圖。為使雷達(dá)具備俯仰判別的功能，根據(jù)雷達(dá)接收天線(xiàn)的特點(diǎn)，在不增加天線(xiàn)通道數(shù)情況下可通過(guò)重新設(shè)計(jì)天線(xiàn)俯仰波束來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體如下。

圖2 改進(jìn)的雷達(dá)收發(fā)天線(xiàn)圖

針對(duì)現(xiàn)有雷達(dá)樣件，其有3個(gè)接收天線(xiàn)，對(duì)其中一個(gè)天線(xiàn)通道進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，在俯仰方向上對(duì)稱(chēng)地減少天線(xiàn)1（或天線(xiàn)2）的陣列單元數(shù)，以保證其在相位中心基本不變的情況下，能夠減少天線(xiàn)1俯仰向的孔徑，從而增大天線(xiàn)1俯仰向的主波束寬度。這樣便可利用天線(xiàn)2、3與天線(xiàn)1在不同仰角時(shí)的增益不同來(lái)進(jìn)行俯仰判別。

基于以上思路，雷達(dá)的測(cè)角算法流程可描述如下。

1）參照上節(jié)內(nèi)容對(duì)3個(gè)天線(xiàn)的信息進(jìn)行多基線(xiàn)比相測(cè)角，得到目標(biāo)的方位信息。

由于天線(xiàn)1的陣列單元減少，其天線(xiàn)增益會(huì)有所降低，為了不影響方位角的角度測(cè)量，在比相測(cè)角時(shí)采用1、2和2、3通道進(jìn)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(cè)角。即：

若在天線(xiàn)設(shè)計(jì)中減小天線(xiàn)2而非天線(xiàn)1的陣列單元數(shù)，在進(jìn)行相位解模糊后仍可采用公式 （3）進(jìn)行方位測(cè)角。

2）對(duì)3通道目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行比幅測(cè)角，得到目標(biāo)俯仰信息。

存儲(chǔ)目標(biāo)3個(gè)天線(xiàn)通道的二維FFT結(jié)果，再分別計(jì)算2-1通道和3-1通道目標(biāo)信號(hào)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(biāo)的FFT復(fù)信號(hào)結(jié)果，下標(biāo)1～3指代對(duì)應(yīng)的3個(gè)天線(xiàn)通道。

根據(jù)實(shí)際的ΔS21和ΔS31隨角度的變化設(shè)計(jì)閾值范圍，首先確定水平目標(biāo)的角度范圍，根據(jù)此范圍通過(guò)查找幅度差隨角度的變化曲線(xiàn)確定閾值th，若ΔS21與ΔS31均大于設(shè)定的閾值th時(shí)，認(rèn)為此時(shí)目標(biāo)屬于水平目標(biāo)，否則認(rèn)為目標(biāo)屬于非水平目標(biāo)。

公式 （6）是俯仰判定的一種方法，實(shí)際中也可根據(jù)ΔS21或ΔS31建立幅度差隨俯仰角度的變化表，在實(shí)際使用時(shí)通過(guò)查表來(lái)更精確地測(cè)得目標(biāo)水平角度。

根據(jù)以上流程，目前的方法只適用于檢測(cè)水平角度情況，無(wú)法區(qū)分非水平目標(biāo)屬于高處目標(biāo)或低處目標(biāo)。

4 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

圖3 各天線(xiàn)目標(biāo)能量隨俯仰角度變化曲線(xiàn)

對(duì)新設(shè)計(jì)的雷達(dá)樣件在微波暗室進(jìn)行測(cè)試，目標(biāo)正對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)口面放置，雷達(dá)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)方位角設(shè)定為0°，俯仰角設(shè)定為-75°～75°，角度步進(jìn)間隔1°?？蓽y(cè)得樣件在0°方位角情況下目標(biāo)能量隨俯仰角度的變化曲線(xiàn)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(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，天線(xiàn)1的波束變寬、主瓣峰值降低，在俯仰角-15°～15°范圍內(nèi)與天線(xiàn)2、天線(xiàn)3的幅度差明顯，天線(xiàn)2-1和天線(xiàn)3-1的幅度差相近，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論分析一致，可根據(jù)上節(jié)的相關(guān)方法進(jìn)行俯仰角度判定。

圖5 雷達(dá)天線(xiàn)通道2-1和通道3-1幅度差隨角度變化曲線(xiàn)

圖4 各天線(xiàn)目標(biāo)能量隨角度變化曲線(xiàn)局部放大圖

圖6 地下車(chē)庫(kù)測(cè)試場(chǎng)景

圖7 道路測(cè)試場(chǎng)景

將前角雷達(dá)安裝在測(cè)試車(chē)上，2個(gè)雷達(dá)樣件分別安裝在車(chē)輛前方左右角位置，主要用于監(jiān)控雷達(dá)視場(chǎng)30 m范圍內(nèi)的目標(biāo)。測(cè)試場(chǎng)景包含地下車(chē)庫(kù)和地面道路上，通過(guò)安裝在車(chē)輛前方的攝像頭記錄路試場(chǎng)景。實(shí)際的測(cè)試場(chǎng)景如圖6、圖7所示，左邊是測(cè)試場(chǎng)景圖，右邊為雷達(dá)探測(cè)到的目標(biāo)點(diǎn)，其中顏色標(biāo)識(shí)為黑色的點(diǎn)表示俯仰不是水平目標(biāo)的點(diǎn)，其他顏色均為水平目標(biāo)。從圖6的雷達(dá)結(jié)果可以看出，雷達(dá)能將前方地下車(chē)庫(kù)屋頂?shù)纳⑸潼c(diǎn)標(biāo)識(shí)為非水平目標(biāo)；從圖7的雷達(dá)結(jié)果可知，道路周邊的護(hù)欄和車(chē)輛都進(jìn)行了正確的檢測(cè)，護(hù)欄未被錯(cuò)誤識(shí)別為非水平目標(biāo)。從上述場(chǎng)景可以看出，此方法能夠使雷達(dá)正確地進(jìn)行俯仰角判定。

為進(jìn)行充分驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)測(cè)試場(chǎng)景中所有點(diǎn)持續(xù)地統(tǒng)計(jì)分析得到，目前方法對(duì)俯仰目標(biāo)的識(shí)別成功率能達(dá)到70%。鑒于此只是初步結(jié)果，后續(xù)可通過(guò)優(yōu)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(lái)進(jìn)一步提高雷達(dá)目標(biāo)俯仰判定的成功率。

5 結(jié)論

本文為解決車(chē)載雷達(dá)俯仰檢測(cè)問(wèn)題，在不明顯增加運(yùn)算量的前提下，提出了一種基于天線(xiàn)俯仰寬窄波設(shè)計(jì)下的俯仰判定方法，該方法原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本較低，便于工程應(yīng)用，可在不影響方位測(cè)角的情況下，使雷達(dá)具備俯仰判定能力，暗室數(shù)據(jù)和道路測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了算法的可行性和有效性。