雷達視頻復合防撞系統

楊 碩 朱海洋 朱思悅 代孝森

（1.上海無線電設備研究所，上海 200090；2.上海市目標識別與環境感知工程技術研究中心，上海 200090）

常見的公共交通工具有地鐵、公交、輕軌等，現代有軌電車因具有不排放SO2等有毒尾氣等優勢而得到國內許多城市交通建設部門的青睞。有軌電車通常在道路中央行駛, 為了保障交通安全，在人行道和十字路口轉彎交匯處，需采取相應的防護措施。

毫米波雷達作為一款比較成熟的產品，它的探測性能是非常穩定的，對環境的要求較低，即使是雨雪天氣也能很好地工作。它的功能主要有測量目標距離、測量目標的速度及方位角3方面。除了功能的多樣性，毫米波雷達在其他方面也顯示出了優勢。例如，其結構非常簡單，應用最新的射頻收發芯片可以快速搭建出一套完整的系統；由于工作頻率的關系，毫米波雷達的發射功率低且可以獲得較高的分辨率和靈敏度，同時其天線可以做得很小，在主動防撞系統方面，毫米波雷達已成為首選。經過實際測試，雷達系統存在行人及單車無法探測的問題，所以本系統增加了視頻設備對近距行人、單車及車輛的探測預警。

1 系統構成

有軌電車雷達視頻復合防撞系統通過雷達傳感器和視頻傳感器共同探測列車運行前方障礙物，評估其對電車的危害等級，并給出相應等級預警信號。其具有探測有軌電車前方障礙物、危險預警及實現與信號系統車載控制主機網絡通信的功能。

該系統主要包括雷達傳感器、雷達系統主機、視頻傳感器、視頻系統主機，障礙物防撞雷達視頻融合系統架構圖如圖1所示。

圖1 障礙物防撞雷達視頻融合系統架構圖

障礙物防撞系統主要由雷達系統與視頻系統組成，雷達系統對遠距車輛目標進行跟蹤預警，視頻系統對近距目標進行探測預警。

1.1 雷達系統構成

障礙物防撞雷達系統由雷達傳感器、數據處理模塊、電源模塊、線纜、安裝支架及系統軟件組成，其中，數據處理模塊及電源模塊采用一體化設計構成系統主機。

1.2 視頻系統構成

視頻系統由視頻傳感器、攝像頭單元、數據轉換及供電模塊組成，視頻傳感器包含鏡頭及視頻處理模塊，攝像頭單元負責采集視頻數據并進行處理，數據轉換及供電模塊負責視頻系統的供電及視頻系統與雷達系統主機間的數據傳輸功能。

2 雷達系統技術原理

2.1 系統方案

本系統采用毫米波雷達FMCW體制實現對障礙物的探測識別，通過兩發多收的天線方式，可以對多個目標參數進行有效檢測。

雷達利用障礙物對電磁波的反射現象來發現目標并測定其位置。本方案中障礙物探測雷達安裝于有軌電車上，在76GHz毫米波段工作，利用調頻連續波測定障礙物距離，通過數字波束形成技術確定目標方位，從而實現對多目標距離、速度、方位的檢測。接收波束形成使用n個接收天線陣元組成的天線陣列，如圖2所示。接收波束形成技術將多個接收天線接收到的信號合成一個波束，波束角由天線陣列參數決定，合成的信號具有該方向接收波束增強的功能；波束指向由相位補償決定，可根據需要接收某一方向上的回波信號，因此具有空間濾波的作用。接收天線靈敏度高，可以檢測到微弱的小信號，其中每個接收波束在空間輻射的范圍與多個接收波束是一樣的，故從技術實現上來講，多波束接收比多波束發射而言更易實現，而且也方便處理，因而本套方案采用寬波束發射、多波束接收的方式。

圖2 接收數字波束形成原理

雷達安裝在有軌電車上，雷達天線采用兩發多收的模式，能夠進行短距離和長距離混合測量，如圖3所示。

圖3 有軌電車毫米波雷達探測圖

短距離測量采用寬波束，雷達方位角為50°，垂直波束角為4°，探測距離為60m；長距離測量采用窄波束，雷達方位角為20°，垂直波束角為4°，探測距離為200m。窄雷達波束主要捕捉遠距目標，有助于司機及時發現目標并有足夠的反應時間，能夠有效避免有軌電車在經過交叉路口時，因一些突發事件而發生的交通事故。寬雷達波束主要捕捉車頭近區視覺盲區難以察覺的近距目標，從而避免有軌電車發生一系列由盲區導致的碰撞事故。

2.2 距離-多普勒目標回波二維處理技術

雷達系統通過距離-多普勒二維回波處理，實現目標距離、速度信息的一體化測量，提高數據處理的實時性，并提升信號處理積累增益，從而有效提高雷達系統對目標的探測靈敏度，可以很好地解決多目標識別問題。二維距離-多普勒處理方法采用鋸齒形調頻連續波信號，通過對多個周期的數據進行采樣，求取平均值，并用每個周期的實際值減去此平均值，可以抑制部分固定雜波，對后續信號處理而言有所簡化。經過處理后，也可以在復雜環境中對運動目標的距離和速度進行去耦。雷達發射波形采用鋸齒波線性調頻連續波，如圖4所示，該雷達信號由單掃頻段信號組成，每個周期只有一個調頻斜率，即信號的頻率在一個周期內先逐漸上升，到設定的值后迅速下降到初始值，周期重復。這種信號對現在的信號發生器來說是比較容易產生的，因而在現代雷達系統里面得到了較為廣泛的應用。

圖4 鋸齒波LFMCW雷達信號圖

鋸齒形調頻連續波信號發射后的回波信號經采樣得到波形離散數字信號，如圖5所示。

圖5 回波信號采樣圖

將[a,b,c,d,e,…]進行FFT變換，得到頻譜譜[A,B,C,D,E，…]，其中包含目標距離和速度引起的頻率fm，積累多個周期數據后得到以下矩陣：

此時的目標速度可以通過比較幾個周期間的包絡變化而得到，即對采樣的多個周期數據分別進行處理，對每個距離單元比如[A1, A2A3,…,AM]進行FFT的變換，變換完成之后可以計算出其所對應的頻率fv。通過距離速度求解公式便可以計算出目標的距離和速度。圖6為存在地雜波下多個目標的二維FFT的實測結果圖。

圖6 地雜波下多目標二維FFT處理圖

在做二維FFT處理時，要有一個約束條件，主要是調頻周期T，因為第二維FFT和第一維FFT是相關聯的，二維FFT實際上是對第一維的處理結果進行調頻周期T的等間隔采樣，然后根據奈奎斯特采樣定理所述，當采樣頻率Fs=1/T大于2倍的信號頻率時才能保證產生的多普勒頻率不發生混疊。假設我們需要檢測運動目標，其最大速度為v，通過計算這個最大速度對應的多普勒頻率如下：

通過上式可知，為了保證測速時不模糊，調頻周期T應該減到比較小時才滿足。設距離分辨率為Δ R，這時由距離和速度之間的耦合而引起的距離誤差如下：

可見這個值很小，可以忽略不計，說明已經消除了兩者之間的耦合。

2.3 視頻近距離探測系統

雷達視頻復合防撞系統中的視頻系統采用Mobileye成熟產品，如圖7所示。主要用于近距離目標的前向防撞預警（FCW）和行人碰撞預警（PCW）。

圖7 Mobileye視頻采集儀

視頻采集儀的攝像頭為非廣角形式，拍照角度有限，故需安裝在距中軸線左右兩邊15cm范圍內，同時安裝位置應盡可能不遮擋司機視線。視頻采集儀檢測到的報警信息將通過雷達視頻復合防撞系統的主機過濾，并與雷達的報警信息融合進行預警信息的輸出，提醒有軌電車駕駛員，避免發生碰撞事故。

3 系統功能

3.1 限界內障礙物檢測識別

障礙物探測系統可檢測有軌電車運行前方軌道限界內的目標，對目標的距離、速度、方位進行測量計算，再通過現代數字濾波器跟蹤預測其運動軌跡，根據其運動特性（接近/遠離等）、與列車的距離、目標運動速度及有軌電車的速度、制動特性來計算評估其對電車的危害等級。

（1）靜態目標。限界內的靜態目標應被識別，電車軌道應去除。

（2）動態目標。限界內的動態目標應被識別，并根據其運動軌跡評估有無危害。障礙物探測系統不應誤報和漏報前方障礙物。

3.2 限界外障礙物檢測識別

障礙物探測系統可檢測有軌電車運行前方軌道限界外的目標，對目標的距離、速度、方位進行測量計算，再通過現代數字濾波器跟蹤預測其運動軌跡。根據其運動特性（接近/遠離等）、與電車的距離、目標運動速度及有軌電車的速度、制動特性來計算評估其對電車的危害程度。

（1）靜態目標。限界外的靜態目標應被去除。

（2）動態目標。限界外的動態目標應被識別，根據其運動軌跡評估有無危害。

3.3 坡道、彎道障礙物檢測識別

障礙物探測系統根據線路數據和列車定位信息，識別出列車當前位置線路狀況，如坡道、彎道路況等。

（1）坡道。在上坡和下坡路況中，障礙物探測系統需對坡度等線路情況進行分析，進行障礙物報警識別，不應因上坡或下坡造成誤報或漏報。

（2）彎道。在彎道路況下，障礙物探測系統對彎道轉彎半徑等線路情況進行分析，調整線路限界，進行障礙物報警識別，不應因彎道造成誤報或漏報。

3.4 平交路口障礙物檢測識別

障礙物探測系統根據線路數據和列車定位信息，識別出列車當前位置是否為平交路口。在平交路口路況下，障礙物探測系統需考慮前方車輛較多及車頭近距盲區情況，調整探測分析及預警算法，進行障礙物報警識別，不應因平交路口造成誤報或漏報。

3.5 多級預警功能

障礙物探測系統可檢測最多32個障礙物的距離與方位、運動障礙物的運動軌跡。系統的處理中心根據探測信息和電車自身的運動參數，如列車的運行速度，確定可能發生碰撞的位置與碰撞預計時間，判別前方障礙物的危險等級，并實時向車載設備傳送潛在危險目標的信息。根據有軌電車的緊急制動率、常用制動率將預警情況分為3類，分別是存在碰撞風險、很大可能碰撞和無可避免碰撞，如圖8所示。

圖8 障礙物危險等級及應采取的制動措施

當障礙物探測系統探測到障礙物存在碰撞風險時，進行預警提醒。當列車與障礙物位置或可能發生碰撞的位置距離較近時，系統判斷為很大可能發生碰撞，此時列車應及時采取常規制動措施。而當列車與障礙物位置或可能發生碰撞的位置距離更近時，系統會判斷為無可避免的碰撞，需采取緊急制動。

3.6 視頻系統功能

（1）前向防撞。在與前方車輛可能發生碰撞前，最多提前2.7s發出警示音；報警音為一連串高音量蜂鳴。

（2）低速前向防撞。在與前方車輛可能發生低速碰撞前會發出警示音；在速度低于30km/h時啟用，報警音為一連串短促的高音量蜂鳴。

（3）行人避撞。行人穿過車輛前面的行駛路徑時發出警報；僅在日間速度低于50km/h時啟用，在光線昏暗處或夜間，系統不起作用；報警音為一連串高音量蜂鳴。

天氣、光照等情況會給視頻系統的識別與反應能力帶來很大影響，如果部分或完全阻擋視覺傳感器的視野，會導致視頻系統功能的喪失或削弱。

4 結束語

障礙物防撞雷達視頻復合系統為有軌電車運行提供了輔助安全預警功能，對可能發生的危險進行預警提示，雷達傳感器及視頻設備雖采用了相關領域的頂尖創新技術，但仍不能保證 100%準確檢測車輛與行人，因而不能保證提供一切相應聲音警告。因為路面、路旁設備、天氣及其他情況會對系統識別與反應能力帶來很大影響，所以應在繼續依靠安全駕駛規范及安全駕駛實踐的基礎上，輔助使用該系統。

（本文得到上海市“科技創新行動計劃”社會發展領域項目《基于時空鏈網的大型橋梁航行防護技術研究與示范》（17DZ1204300）、上海市“科技創新行動計劃資助高新技術領域項目”《國產77GHz車載毫米波芯片及雷達系統產業化技術研究》（17DZ1100100）資助）