车载毫米波雷达开发技术(一)：雷达系统原理

近年来，汽车辅助驾驶技术飞速发展并得到了广泛的应用，尤其是在预防交通事故方面起着至关重要的作用。在汽车辅助驾驶系统中，毫米波雷达是重要的一环，它可以在恶劣天气和复杂路况下发挥作用，并且成本较低，应用前景十分广阔。

汽车辅助驾驶系统一个重要的功能是对机动目标的跟踪，目前解决该问题的算法很多，传统的数据关联算法在复杂路况下的跟踪效果比较理想，但取得优秀的跟踪精度对传感器等元件要求很高，同时当目标数量提升时计算难度明显增大。而基于随机有限集的现代多目标跟踪理论通过严格的概率论推导，绕开了数据关联环节，使计算成本显著降低，也非常适合实际应用。本系列连载共5篇，主要内容如下：

（1）研究了多种常用车载毫米波雷达的工作原理，比较了它们的优缺点。然后对双频连续波体制雷达进行了建模，讨论了双频连续波体制雷达的多目标探测方法。在典型工况条件下进行了仿真。对汽车行驶过程中，复杂路面的地杂波干扰进行了讨论，并对其进行仿真分析。

（2）对传统的卡尔曼滤波算法进行分析，由于车载雷达的跟踪目标包含机动目标，对机动目标的跟踪方法进行研究并仿真。

（3）研究了传统的基于数据关联的多目标跟踪方法，分析了联合概率数据关联算法的优缺点，对其进行多目标仿真，并将该算法和交互式多模型算法结合，在对机动目标跟踪取得了理想的效果。

（4）给出基于随机有限集理论的多目标跟踪方法在实际应用中的可行性，实现了高斯混合概率假设密度算法的仿真，针对该算法在强干扰存在时容易漏跟的问题提出了改进措施，通过结合核密度算法使跟踪效果得到提升，给出了算法的步骤并进行了仿真。

本篇主要介绍车载雷达系统原理

1.1  引言

为了保障乘客的安全，汽车辅助技术中的安全模块一般分为主动以及被动安全两种。主动安全是通过雷达等传感器采集信息，提醒驾驶员主动规避事故。被动安全是当安全事故产生或者结束时对乘客人身安全进行保护，比如安全带、安全气囊等设施。

显然，和在事故产生或者结束时才对乘客人身安全进行保护相比，若可以提前评估道路安全状况，探测并持续跟踪周围车辆以及障碍物等目标的运动状态，在可能发生危险之前提醒驾驶员做出反应，更有经济价值和现实意义。在这一理念的推动下，各种汽车辅助驾驶系统不断涌现，其中包括 LCA 变道系统、FCW 盲区辅助系统等等。很多系统都依赖传感器来获取信息，在诸多类型的传感器中，毫米波雷达具备得天独厚的优势，在汽车辅助系统中应用最为广泛，具备优良的应用前景。

1.2  常见车用传感器

在汽车防撞辅助驾驶系统中，传感器的选取一直是系统需要考虑的问题。随着汽车防撞技术的不断推进，传感器的种类也逐渐增多，其中有毫米波、超声波、激光等多种体制。传感器的本质是对发射信号产生的回波进行处理，分析其包含的状态信息，进而应用到辅助驾驶系统中。以下基于几种体制进行了介绍。

（1）激光

激光传感器的原理基于电磁波的反射特性，传感器在光波段进行处理。当接收到反射的电磁波信号，将其与发射的电磁波对比处理，从而解算出目标的各项参数。基于激光的传播特性，激光传感器具备很多优点，比如测量过程速度快、精度很高。同时，由于激光传播容易受到传播介质的干扰并且镜头是否清洁、传感器自身干扰对测量结果影响很大，导致激光传感器在汽车辅助驾驶系统中表现并不十分理想。

（2）超声

超声波传感器的频段在 20KHz 到 40KHz 之间，通过发射波到接收超声波所用的时间来估算目标所在距离。和电磁波相比，超声的传输速度非常慢，如果汽车处于高速行驶的状态，其测量精度并不能满足要求，并且超声传感器的探测距离也比较局限。由于超声传感器容易开发、成本较低，在倒车雷达应用比较多。

（3）红外

红外传感器利用红外脉冲进行探测，利用接收时间的延迟来估算目标所在位置。和电磁波相似，当外界环境比较恶劣时，红外线的传输会受到较大影响。其优点是成本较低、易于开发。

（4）毫米波雷达

毫米波雷达发射的信号波长在 1mm 到 10mm 之间，因此信号的带宽更大、天线可以制作更小的体积。并且毫米波的传播受外界环境影响较小，可以随时进行探测。基于以上优点，越来越多的汽车辅助驾驶系统选择使用毫米波雷达。毫米波传感器一般工作在 24GHz、35GHz、120GHz 等频段，这些工作频段避免了毫米波传播受大气的影响。

毫米波传感器的工作原理和其他传感器类似，但是目标表面的整洁度等对其影响不大，更重要的是，毫米波传感器可以同时对目标的速度、方位乃至体积等状态信息同时进行测算，因此受到了广大汽车制造商的青睐。当然，毫米波传感器也存在一定的问题，比如元件较贵、开发比较困难等。

1.3  连续波雷达原理

车载毫米波雷达是汽车辅助驾驶系统中的重要一环。近年来，雷达技术发展日新月异，车载雷达除了可以测算目标的位置，还可以对目标的速度、方位、尺寸等进行评估。车载雷达曾经使用过连续波、脉冲等体制。

脉冲体制雷达发射的是高频脉冲，通过接收信号的延迟时间来解算出目标的距离信息。由于发射信号传播速度非常快，使得几纳秒后就会接收到反射信号，因此对系统处理速度要求很高，尤其是在短距离的汽车防撞系统中，这急剧增大了硬件成本，导致应用非常局限。下面重点介绍连续波雷达。

和脉冲体制的传感器不同，连续波雷达发射波形受到调制的信号，通过波形的变化来获取信息。一般连续波雷达系统将接收天线和发射天线分离开。

1.3.1 单频连续波雷达

单频连续波雷达的发射信号频率是恒定的，发射信号如图 2-1 所示。

利用发射信号和接收信号的差频获取目标信息：

根据公式，单频连续波雷达可以解算出目标的速度信息，但是无法计算其位置信息，并且无法对静止目标进行处理。单频连续波雷达系统的接收设备是零中频的，这样的系统组成不复杂、成本较低，经常应用在车流量的检测中。对接收信号的处理有以下几个方法：（1）如果仅仅需要判断目标是否存在，可以设定信号门限来对信号的能量进行测算，此时电路非常简单。（2）如果需要对目标速度进行简单估计，可以采用计算脉冲数的方式，但是如果干扰较大，精度非常低。

1.3.2  双频连续波雷达

双频连续波雷达发射不同频率的信号，发射信号如图 2-2 所示：

两个不同频率的发射信号如下：

其中，是两个信号的中心频率。

对比 FMCW，LFSK 的带宽尺寸比较小，因此，可以使用较低的采样频率，降低成本。

若信号幅值是 1，相位是 0，那么接收到的反射信号如下：

其中，是延迟时间。

目标距离雷达是 R ，那么：

经过混频处理，并滤除高频分量，即求得中频信号，对其 FFT 处理得到：

目标的距离：

据此得到目标的状态信息，但是因为相位有的周期，即当相位差大于 时

存在模糊，则计算的距离不准确。该系统的最大无模糊距离：

回波的多普勒频移和目标的距离和速度都有关，这样可以将不同目标在频谱上区分出来，对于一个目标，在频谱上只会产生一个多普勒频率，所以不存在类似调频连续波由于不同差频匹配而造成的虚假目标的问题。

双频连续波雷达系统的精度和信噪比以及发射信号有关，当发射信号的频差逐渐减小，传感器的精度会逐渐降低。而传感器的最大无模糊距离会随之逐渐增大。因此系统需要根据要求对二者进行平衡。

1.3.3  三角形调频连续波雷达

车载雷达中常用的线性调频波信号其中之一是三角形线性调频连续波信号。其信号的波形如图 2-3 所示：

单斜率的线性调频连续波雷达通过频差只能计算出目标的位置信息，但是三角波雷达可以计算出目标的速度信息。在Tcp1的时间内，当时间增大，发射频率也逐渐增大，而在Tcp2这段时间，当时间增大，发射频率逐渐减小。系统将接收信号与发射信号进行混频，得到频差和，这两个频差来源于目标的距离和速度信息，它们有如下关系：

但是当目标数目增多时，雷达出现检测困难，由于在上扫频和下扫频都会出现多个差频信号，多个差频信号之间存在目标匹配的问题，由于存在多种组合方式，检测的过程中会造成虚假目标的问题，当目标数目不断增加，虚假目标数也会出现爆发式增长。检测目标的方程组的 R-V 图如下所示。在两个目标存在的情况下，会检测出四个目标。

如果想要排除掉虚假目标，可以在三角连续波后面发射一个单频信号，来确定目标的速度，这样就排除掉了虚假目标的频差组合。

1.3.4  锯齿形调频连续波雷达

车载雷达中另一种常用的线性调频波信号是锯齿形线性调频连续波信号。其信号的波形如图 2-5 所示：

锯齿形调频连续波雷达是通过多个周期的积累来确定目标的距离和速度。多个周期的发射信号组成一个二维的信号。然后对组合信号做二维 FFT 处理，多个目标可以很容易的在速度和距离维分开。虽然对于多个目标不会产生虚假目标，但是要达到理想的指标，雷达需要较高的采样频率，而且波形的瞬时频率也较高，对于处理器的处理速度具有较高的要求。

1.4  汽车防撞雷达系统基本结构

现代汽车防撞辅助系统选用毫米波雷达作为传感器，整个系统包括收发天线、信号处理模块、信号调制模块等。系统框架如图 2-6 所示。

 

高频电流经由发射系统传递至天线，随后发射天线将其向外部辐射，接收天线的作用相反。随着电子技术和半导体技术迅猛发展，汽车防撞系统能够选用体积更小、适合大量生产的微带天线。同时，毫米波的波长范围使得系统波束设计得比较窄，天线排列更紧密。

射频部分主要由功率放大器、混频器等电子器件组成。VCO 生成高频调制信号，信号经过功率放大器放大到足够的功率来进行发射，另一部分和接收信号进行混频。

信号处理部分是汽车辅助系统最重要的部分，由信号调制、数字信号处理等部分组成。接收信号经过一系列的处理和分析计算出目标的状态信息，以便于系统对目标的探测和跟踪。

1.5  杂波处理

汽车行驶路况非常复杂，因此传感器在工作时可能会遭遇多种地物杂波，其中大部分的杂波属于分布杂波。我们可以使用常系数γ分布对系数进行建模。

当杂波比较大时，有用信息可能会被淹没在杂波中，因此需要对杂波进行抑制，提取有用信息。动目标显示是利用杂波信号和运动目标的回波信号存在频谱上的区别[27]，从而提取出有用信息。地杂波和机动车辆之间存在速度差，因此，动目标显示可以利用其平均多普勒频移来进行处理。

以下介绍动目标显示滤波器，为了把杂波过滤掉，滤波器 Z 平面内需要有一个零点，其中 ，因此通过滤波可以去除 频率的回波，用到的滤波器如下：

该滤波器是复数滤波器，如果滤波器的输入输出分别如下：

当处于大杂波强度下目标的探测结果仿真结果如图 2-7 和图 2-8 所示，当杂波比较大时，目标不能检测出来。如果对其进行动目标显示处理，可以探测到目标。

1.6  双频连续波雷达多目标探测仿真

一般在车载雷达系统中，一般选用传感器的最大无模糊测距达到 150m，速度

分辨率达到1m / s ，距离分辨率为1m，最大无模糊可以探测速度为 100m/s。对于LFSK 体制雷达，需要确定 5 个参数，下面讨论如何根据设计指标确定 LFSK 的参数。

若雷达需要满足最大无模糊测距的要求，则需满足：

则可以求出最大无模糊测距的约束条件：

雷达的速度分辨率和目标的积累时长有关，若雷达需要满足速度分辨率的要求，则可以的到扫频时长的需要满足：

雷达的距离分辨率和雷达的工作带宽有关，通过距离分辨率可以得到

对一个典型的路况场景进行了仿真，假设雷达视线中存在三个目标，分别是车辆、路人以及路障，车辆的速度是 18m/s，路人的速度是 1m/s，路障静止。

对三个目标的探测仿真如图 2-9 所示，从图中可以看出不同目标可以很好的从频谱中区别出来，这是由于目标在频谱的位置和目标的速度和距离都有关，所以能很好地从频谱中分别开来，有利于多目标的探测能力。

1.7  小结

本章介绍了常用车载传感器的优缺点，说明了毫米波雷达在汽车辅助系统中的优越性。介绍了几种毫米波雷达的特点，其中三角形 LFMCW 在多目标探测的时候会出现虚假目标，锯齿形LFMCW可以通过多周期积累很好的分辨多个目标，但是所需要的采样频率要求较高，对硬件有较高的要求。最后分析了双频连续波雷达的多目标探测方法以及雷达系统的参数选取，设置了一个典型的路况，对其进行了多目标探测仿真。