毫米波立體成像雷達(dá)

馮奇　萬慶冕　陳建霖

摘 要：毫米波雷達(dá)目前是車用探測雷達(dá)中最為主要的探測器件，但目前的毫米波雷達(dá)是進(jìn)行二維掃描平面掃描，如何進(jìn)行立體掃描是毫米波使用的重要研究方向，文章利用波束集中及3D MIMO計(jì)算實(shí)現(xiàn)了立體點(diǎn)云掃描。關(guān)鍵詞：毫米波;探測;MIMO中圖分類號(hào)：V443+.2? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）02-21-04

Abstract： At present， millimeter wave radar is the most important detection device in the vehicle detection radar， but the current millimeter wave radar is to carry out two-dimensional scanning plane scanning， and how to carry out three-dimen -sional scanning is an important research direction in the use of millimeter wave. In this paper， the three-dimensional point cloud scanning is realized by beam concentration and 3D MIMO calculation.Keywords： Millimeter wave; Detection; MIMOCLC NO.： V443+.2? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-21-04

前言

目前的汽車領(lǐng)域智能駕駛中，車輛駕駛的安全性能，自動(dòng)駕駛能力，探測精度，功能性能越來越受到消費(fèi)者的關(guān)注。毫米波雷達(dá)圖對(duì)比其他車用傳感器，具有顯著優(yōu)點(diǎn)，工作頻率極高，波長短，能夠具有較高的分辨率，同時(shí)具備全天候測量的能力，對(duì)比天氣影響因素較小，雨雪天線情況下依然能夠正常使用，特別適用于車輛使用。

1 毫米波雷達(dá)系統(tǒng)工作原理

傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)通過輻射的毫米波利用對(duì)探測物的反射波進(jìn)行定位與回波顯示，其工作的過程主要是：雷達(dá)通過射頻系統(tǒng)輻射電磁波對(duì)被探測物體進(jìn)行電磁波的檢測與掃描，利用反射回來的電磁波，進(jìn)行放大與信號(hào)解析計(jì)算，可以計(jì)算出物體的遠(yuǎn)近距離以及結(jié)合不同的方位角計(jì)算出物體的左右間距離。利用多普勒效應(yīng)在最終計(jì)算出移動(dòng)物體探測的速度，方位等。

雷達(dá)系統(tǒng)通過輻射電磁波和接收物體反射電磁波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測和定位，其工作過程主要為：雷達(dá)通過天線發(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，并通過放大，信號(hào)處理等過程最終計(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^[1]。

現(xiàn)階段毫米波雷達(dá)主要應(yīng)用于車輛前部，進(jìn)行車輛前部碰撞預(yù)警，主要波束的工作模式為連續(xù)波和雷達(dá)的脈沖波束，工作模式為連續(xù)的波束，主要波形為LMCW，CW，F(xiàn)SK，車載毫米波雷達(dá)系統(tǒng)包含射頻模塊，信號(hào)處理模塊，以及總體電路部分，目前的毫米波雷達(dá)俯仰角一般為平行于水平面±2度，形成低俯仰角平面波束，對(duì)前方車輛能夠進(jìn)行位置速度的測量^[2]。

2 車載毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方式研究對(duì)比

目前的車載毫米波雷達(dá)對(duì)于探測到的回波數(shù)據(jù)直接使用平面探測數(shù)據(jù)，或者進(jìn)行毫米波數(shù)據(jù)探測計(jì)算，根據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)的特征情況，形成毫米波雷達(dá)報(bào)警信號(hào)，目前報(bào)警信號(hào)分為兩種，一種為閾值報(bào)警，當(dāng)達(dá)到一定的距離時(shí)，信號(hào)進(jìn)行報(bào)警，此種報(bào)警方式較為簡單，同時(shí)存在誤報(bào)及預(yù)測不足的可能性。另一種為系統(tǒng)內(nèi)部計(jì)算的校驗(yàn)，毫米波雷達(dá)內(nèi)部存有芯片，當(dāng)收到多目標(biāo)的掃描信號(hào)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，分析出自主的影響較大的主目標(biāo)信號(hào)，排除雜繞信號(hào)，再將主副信號(hào)進(jìn)行速度及距離的聯(lián)合計(jì)算，形成低級(jí)別的報(bào)警及信號(hào)預(yù)測。

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。

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、航跡管理與維持。航跡處理的輸入是經(jīng)過坐標(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， 通過航跡濾波與預(yù)測選擇是該航跡目標(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，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)測及航跡起始。

2.1 毫米波二維像的生成

目前現(xiàn)行的毫米波雷達(dá)頻段為77Ghz-81Ghz，較高的頻率能夠使毫米波雷達(dá)獲得更高的分辨率，利用毫米波對(duì)于X向回波的信號(hào)解析，測算出準(zhǔn)確的目標(biāo)距離，精度可以在10cm以內(nèi)，同時(shí)利用毫米波雷達(dá)左右兩側(cè)的雷達(dá)回波天線，形成左右側(cè)回波差，回波差經(jīng)過計(jì)算得出相位差，利用相位差可以得到左右側(cè)距離差，即角分辨率。同時(shí)利用探測物運(yùn)動(dòng)形成的多普勒效應(yīng)，可以準(zhǔn)確計(jì)算出物體的移動(dòng)速度。形成多普勒像，最終得到物體的運(yùn)行速度，分布圖像。

高級(jí)的毫米波雷達(dá)輔助駕駛系統(tǒng)要求車載毫米波雷達(dá)同時(shí)跟蹤道路上多個(gè)范圍內(nèi)目標(biāo)，同時(shí)前向毫米波雷達(dá)需要跟蹤車輛正前方不同的目標(biāo)物，并對(duì)不同狀態(tài)的目標(biāo)物進(jìn)行標(biāo)記與跟蹤，所以目前的毫米波雷達(dá)都是使用平面掃描模式，平面掃描也會(huì)導(dǎo)致適用范圍受限，無法還原3維的點(diǎn)云效果，同時(shí)無法進(jìn)一步提升傳感器的使用范圍^[4]。

2.2 三維圖像掃描原理

目前的毫米波雷達(dá)已經(jīng)不能滿足于二維平面的掃描，現(xiàn)在車用的的雷達(dá)傳感器希望能夠掃描三維的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但基于現(xiàn)有的收發(fā)系統(tǒng)多進(jìn)多出（MIMO）是為極大地提高信道容量，在發(fā)送端和接收端都使用多根天線，在收發(fā)之間構(gòu)成多個(gè)信道的天線系統(tǒng)。MIMO系統(tǒng)的一個(gè)明顯特點(diǎn)就是具有極高的頻譜利用效率，在對(duì)現(xiàn)有頻譜資源充分利用的基礎(chǔ)上通過利用空間資源來獲取可靠性與有效性兩方面增益，其代價(jià)是增加了發(fā)送端與接收端的處理復(fù)雜度。使用MIMO技術(shù)可以利用天線有效提高頻譜掃描效率。利用現(xiàn)有的毫米波射頻芯片，可采用MiMO陣列天線原理，利用X，Y.Z平面不同射頻天線，回波相位差實(shí)現(xiàn)3D 數(shù)據(jù)掃描^[5]。

2.4 波束優(yōu)化控制

利用超材料介質(zhì)層，利用超材料介質(zhì)層形成更好的波束匯聚效果。同等口徑雷達(dá)加載超材料波束對(duì)比3dB 波束寬度收窄35%，完成了新型毫米波雷達(dá)天線加載超材料的設(shè)計(jì)，具體為采用十字形超材料單元結(jié)構(gòu)。毫米波雷達(dá)天線加載超材料帶寬為76-82GHz，完全可以覆蓋毫米波雷達(dá)的工作頻段。加載超材料后，在φ=90?方向和φ=0?方向，天線的柵瓣減小了，可以有效提高系統(tǒng)的信噪比，同時(shí)天線增益提高了。同時(shí)將完成的超材料樣件放置于車輛天線前部，形成透鏡天線效果。

3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果

4D雷達(dá)結(jié)合MiMO天線技術(shù)，利用電磁超材料對(duì)毫米波傳輸?shù)木珳?zhǔn)有序調(diào)控，使雷達(dá)能夠測量目標(biāo)物體的3D坐標(biāo)+1D速度。最終可滿足全天候工作，長距離探測，立體空間掃描等功能，除具備傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)平面掃描功能外還可以實(shí)現(xiàn)16線激光雷達(dá)立體點(diǎn)云成像效果。最終成品造價(jià)約為目前8-16線激光雷達(dá)的5-10%，并可在任何天氣環(huán)境情況下工作，同時(shí)長距離掃描（>150m），車規(guī)級(jí)耐用度等方面均具有明顯優(yōu)勢。

核心技術(shù)特點(diǎn)：傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)天線提升波束質(zhì)量，需增加天線等效口徑尺寸。而現(xiàn)階段同樣口徑天線，加載超材料后，波束寬度收窄35%，有效提升了信噪比及輸出環(huán)境點(diǎn)云圖質(zhì)量，同時(shí)可進(jìn)行動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤檢測。配套完成4D雷達(dá)成像軟件開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)4D點(diǎn)云成像每幀的信息傳送同時(shí)還可搭配速度傳感器等相關(guān)位置傳感器，實(shí)現(xiàn)場景點(diǎn)云的建模。

4 總結(jié)

車用智能駕駛輔助系統(tǒng)，在車載自動(dòng)駕駛中占有非常重要的作用，同時(shí)車載毫米波雷達(dá)作為其中最重要的傳感器之一，目前由于其全天候，低成本，多功能的優(yōu)異性能越來越引起相關(guān)研發(fā)與應(yīng)用部門的關(guān)注，同時(shí)將2D毫米波雷達(dá)擴(kuò)展成為3D掃描毫米波雷達(dá)，以及將毫米波雷達(dá)進(jìn)一步研發(fā)形成高分辨率毫米波雷達(dá)等相關(guān)研究方向越來越成為主流。本文中將毫米波雷達(dá)波束進(jìn)一步優(yōu)化，再進(jìn)行3D數(shù)據(jù)掃描，實(shí)現(xiàn)毫米波雷達(dá)的多能應(yīng)用。

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] 任百玲.主動(dòng)毫米波安檢成像算法及系統(tǒng)研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2014.

[3] 王楠楠，邱景輝，張鵬宇，等.被動(dòng)毫米波焦面陣成像技術(shù)[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2011，30（5）：419?424.

[4] 何友，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] 何豐，陳藝，曹清亮等.一種改進(jìn)的主動(dòng)式近場毫米波成像算法[J] 現(xiàn)代電子技術(shù)，2018.