一種雷達(dá)目標(biāo)俯仰角判定方法

梁 波，孫雙鎖，俞萬友

（華域汽車系統(tǒng)股份有限公司，上海 200041）

1 引言

高級駕駛輔助系統(tǒng) （Advanced Driver Assistance System，ADAS），是利用安裝于車上的雷達(dá)、攝像頭等傳感器采集周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)行靜、動態(tài)物體的辨識、偵測與追蹤等技術(shù)上的處理，從而能夠讓駕駛者在最快的時間察覺可能發(fā)生的危險，以引起注意和提高安全性的主動安全技術(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。車載雷達(dá)通常會被安裝在車輛不同的位置以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。雷達(dá)通過對周圍目標(biāo)進(jìn)行距離、速度、角度等測量來實現(xiàn)對周邊環(huán)境和運(yùn)動目標(biāo)的感知。其中，目標(biāo)角度的檢測比較關(guān)鍵。在角度測量中，傳統(tǒng)的汽車?yán)走_(dá)只進(jìn)行方位角測量而不進(jìn)行俯仰角測量。

前向雷達(dá)和前角雷達(dá)作為安裝在車輛前方的雷達(dá)，可以具備對自車前方和前側(cè)方車輛和行人的穩(wěn)定跟蹤以及ACC［2］、AEB［3］、FCTA等功能。由于安裝在前方，為了防止在車輛行進(jìn)時對前方路牌和地面低矮目標(biāo) （如窨井蓋、減速帶等）的誤檢測，雷達(dá)需要具備俯仰測角能力，否則，將造成ACC／AEB系統(tǒng)的誤觸發(fā)，影響用戶體驗，甚至造成后車碰撞的危險。

為實現(xiàn)俯仰檢測，通常是在雷達(dá)俯仰方向上添加多個通道［4］，通過對天線通道間的幅度差或相位差測量來實現(xiàn)俯仰檢測。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，在一定程度上會增加車載雷達(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俯仰寬窄波設(shè)計下的俯仰判定方法，該方法原理簡單、計算量低、實現(xiàn)方便，在不影響方位測角的情況下使雷達(dá)具備了俯仰判定能力，暗室數(shù)據(jù)和道路測試數(shù)據(jù)驗證了算法的有效性。

2 原始方案

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

完成目標(biāo)距離和速度解算后，為計算目標(biāo)的方位角，可利用對應(yīng)的目標(biāo)找到3個接收天線通道的相位差信息，來計算目標(biāo)的方位角，為更精確地解算目標(biāo)角度，基于多基線的特點，選擇1、2通道和1、3通道進(jìn)行多基線比相測角。

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——接收天線間距。

通過1、2通道和1、3通道間的比相：

圖1 雷達(dá)收發(fā)天線

式中：ΔΦ12——測得的天線1、2間的相位差。

當(dāng)1、3通道解卷繞后的相位差ΔΦ13與通過公式 （2）計算得到的相位差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用來計算方位角。

根據(jù)公式 （1），目標(biāo)的方位角θAzi解算計算公式為：

因為無俯仰通道，該方案設(shè)計只能進(jìn)行方位角度測量，不具備俯仰檢測能力。

3 方案改進(jìn)設(shè)計

圖2為改進(jìn)的雷達(dá)收發(fā)天線圖。為使雷達(dá)具備俯仰判別的功能，根據(jù)雷達(dá)接收天線的特點，在不增加天線通道數(shù)情況下可通過重新設(shè)計天線俯仰波束來實現(xiàn)，具體如下。

圖2 改進(jìn)的雷達(dá)收發(fā)天線圖

針對現(xiàn)有雷達(dá)樣件，其有3個接收天線，對其中一個天線通道進(jìn)行重新設(shè)計，在俯仰方向上對稱地減少天線1（或天線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1俯仰向的孔徑，從而增大天線1俯仰向的主波束寬度。這樣便可利用天線2、3與天線1在不同仰角時的增益不同來進(jìn)行俯仰判別。

基于以上思路，雷達(dá)的測角算法流程可描述如下。

1）參照上節(jié)內(nèi)容對3個天線的信息進(jìn)行多基線比相測角，得到目標(biāo)的方位信息。

由于天線1的陣列單元減少，其天線增益會有所降低，為了不影響方位角的角度測量，在比相測角時采用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角。即：

若在天線設(shè)計中減小天線2而非天線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)行方位測角。

2）對3通道目標(biāo)信號進(jìn)行比幅測角，得到目標(biāo)俯仰信息。

存儲目標(biāo)3個天線通道的二維FFT結(jié)果，再分別計算2-1通道和3-1通道目標(biāo)信號的幅度差。

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)信號結(jié)果，下標(biāo)1～3指代對應(yīng)的3個天線通道。

根據(jù)實際的ΔS21和ΔS31隨角度的變化設(shè)計閾值范圍，首先確定水平目標(biāo)的角度范圍，根據(jù)此范圍通過查找幅度差隨角度的變化曲線確定閾值th，若ΔS21與ΔS31均大于設(shè)定的閾值th時，認(rèn)為此時目標(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，在實際使用時通過查表來更精確地測得目標(biāo)水平角度。

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

4 試驗及數(shù)據(jù)分析

圖3 各天線目標(biāo)能量隨俯仰角度變化曲線

對新設(shè)計的雷達(dá)樣件在微波暗室進(jìn)行測試，目標(biāo)正對雷達(dá)天線口面放置，雷達(dá)安裝在轉(zhuǎn)臺上，轉(zhuǎn)臺方位角設(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。通過實測結(jié)果可以看出，天線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2、天線3的幅度差明顯，天線2-1和天線3-1的幅度差相近，實測結(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)天線通道2-1和通道3-1幅度差隨角度變化曲線

圖4 各天線目標(biāo)能量隨角度變化曲線局部放大圖

圖6 地下車庫測試場景

圖7 道路測試場景

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

為進(jìn)行充分驗證，通過對測試場景中所有點持續(xù)地統(tǒng)計分析得到，目前方法對俯仰目標(biāo)的識別成功率能達(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

本文為解決車載雷達(dá)俯仰檢測問題，在不明顯增加運(yùn)算量的前提下，提出了一種基于天線俯仰寬窄波設(shè)計下的俯仰判定方法，該方法原理簡單，實現(xiàn)成本較低，便于工程應(yīng)用，可在不影響方位測角的情況下，使雷達(dá)具備俯仰判定能力，暗室數(shù)據(jù)和道路測試數(shù)據(jù)驗證了算法的可行性和有效性。