基于雷達探測的有軌電車防撞預警系統

梁 影 張慶拙 鄭廣瑜 黃嘉智

（上海無線電設備研究所，上海市目標識別與環境感知工程技術研究中心，上海 200090）

有軌電車作為一種造價低、建設周期短、運量大、環保的軌道交通工具，在城市群的建設中將扮演重要角色，目前國內已有多個城市建設了有軌電車示范線工程。有軌電車在街道上行駛時,部分路段會與社會車輛共享路權，容易發生交通事故，尤其天氣惡劣時，司機視線受影響，預見危險能力降低，所以為保障交通安全需采取相應的防撞措施。

雷達在軍事領域多用于目標探測，現擴展到汽車防撞、無人機避撞等領域，其具有全天候、抗干擾能力強的優點。有軌電車防撞預警雷達通過對列車運行前方障礙物進行探測，評估其對電車的危害等級，給出相應等級的預警信號。

1 系統設計

有軌電車障礙物防撞雷達系統如圖1所示，主要包括雷達傳感器及系統主機。

圖1 系統框圖

雷達傳感器探測列車運行前方250m范圍內的障礙物，對障礙物的距離、速度、方位進行測量計算；探測信息通過CAN通信傳輸給防撞系統主機，系統主機根據其運動軌跡、相對距離、運動速度及有軌電車的制動特性計算評估其對電車的危害等級；UDP網絡通信實時將危險目標及預警等級信息傳輸給車載信號系統，同時周期性將車輛運行信息傳輸給雷達防撞系統，便于對特殊情況的識別處理，如彎道情況。

2 雷達傳感器

有軌電車障礙物防撞雷達采用先進的CMOS工藝的毫米波集成電路，支持數字波束形成的毫米波收發架構，多模多功能毫米波雷達的一體化設計。

通過2發4收的天線模式，發射天線間距為4倍的接收天線陣元間距，從而實現8路接收的虛擬陣列，角度分辨能力提高1倍。

雷達發射FMCW信號，采用2D-FFT進行距離–速度解耦合，每個發射天線對應4個虛擬陣元，需要對8路接收數據進行2D-FFT處理。對2D-FFT處理結果進行峰值點搜索（目標判定），提取8組2D-FFT數據中目標位置數據進行FFT，從而實現目標角度測量。

3 系統主機信號處理

3.1 濾波跟蹤技術

Kalman濾波器是一個對動態系統的狀態序列進行線性最小方差誤差估計的算法，通過動態的狀態方程和觀測方程描述系統，具有計算量小、可實時計算的特點。利用濾波器來估計目標運動，當系統對目標的運動位置和速度有了可靠估計后，就可以在相對較小的區域內進行搜索，從而起到濾波作用，而當目標短暫消失時，可利用濾波器對目標的運動軌跡進行可靠預測，等待目標的重新出現以完成跟蹤過程。本文采用白噪聲、勻速運動模型對雷達探測目標進行濾波跟蹤。

3.2 恒虛警檢測

有軌電車運行環境多變，為抑制雜波，使數據處理機不因虛警太多而過載，雷達信號處理機中必須進行CFAR處理。它根據雜波強度自動調節檢測門限，使虛警概率保持恒定。

3.3 特殊路況處理

目標的距離、速度、角度等信息均是雷達坐標系數值，需要轉換成大地坐標，在特殊路況（彎道、坡道等）下，目標相對于軌道中心的垂直距離需要結合線路信息進行計算。

采取將特殊路況信息預存的方法，如彎道情況預存直緩點、緩直點、彎道半徑、轉彎方向等，再用網絡通信獲得的車輛位置信息（所在路段、車輛上下行、車輛公里標等）進行查表，獲取車輛前方線路信息，從而進行目標縱向、橫向距離估算。

3.4 預警等級劃分

依據有軌電車制動率的不同將預警情況分為3類，分別是低等級預警、中等級預警（低制動率）及高等級預警（高制動率）。障礙物探測系統根據探測到的障礙物危險等級，進行預警提醒。雷達系統低等級預警時，司機應做好制動準備，車速較高則適當減速，直到報警解除，并加強瞭望；雷達系統中等級預警時，司機應立即減速慢行，直到報警解除，并加強瞭望；雷達系統高等級預警時，司機應緊急剎車，并加強瞭望。

4 結束語

有軌電車雷達防撞預警系統通過對電車前方危險目標的識別預警，能夠進一步保障電車運行安全，對交通安全建設具有重要意義。