CN114236545B - 一种车载毫米波雷达非直视前前车探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车载毫米波雷达非直视前前车探测方法，应用于非直视目标检测定位技术领域，现有技术缺少非直视前前车目标探测方案的问题，本发明利用毫米波雷达对道路环境中非直视前前车目标进行检测定位；本发明首先根据电磁波的传播现象，分析了道路中前前车探测场景下的多径信号传播路径；然后基于地面一次反射路径的回波时延建立回波信号模型；最后对回波信号应用目标恒虚警检测及多通道比相定位算法获取前前车目标的定位结果；本发明的方案能够真实确定探测前前车目标的电磁传播路径，并有效实现前前车目标的检测定位功能。

Description

一种车载毫米波雷达非直视前前车探测方法

技术领域

本发明属于非直视目标检测定位技术领域，特别涉及一种道路非直视场景下的前前车目标检测定位技术。

背景技术

在道路场景中，由车辆碰撞引起的交通事故会产生大量的财产损失和人员伤亡。最坏的情况是发生多起车辆碰撞。目前，车载防撞***(collision avoidance systems,CASs)通过检测和预测前方车辆在直视(Line of Sight,LOS)区域的运动特征来提高车辆安全性。然而，现有防撞***无法检测到非直视(Non-Line of Sight,NLOS)车辆的运动状态，无法避免多个车辆碰撞的发生。通常情况下，检测非直视车辆是一项具有挑战性的工作，特别是在复杂的道路场景下。因此，对非直视车辆的探测成为车载雷达领域现阶段的研究难点问题之一。

国外许多研究机构开展了非直视车辆的探测定位研究。2014年，瑞典国防研究局学者应用X波段雷达可以利用墙体一次反射路径的多径回波检测拐角后的NLOS运动车辆(T.Johansson,A.Orbom,A.Sume,et al.Radar measurements of moving objects aroundcorners in a realistic scene[C].in Radar Sensor Technology XVIII,2014,vol.9077.)，实测实验证实了拐角后非直视车辆能够被检测，但此实验结果主要应用于城市建筑环境中，且受限于建筑墙体反射路径的多次衰减，因而探测非直视车辆的范围十分有限。2021年，芬兰坦佩雷大学学者基于车载毫米波雷达设置角反射器探测非直视十字交叉路口后运动车辆(D.Solomitckii,C.B.Barneto,M.Turunen,et al.Millimeter-WaveRadar Scheme with Passive Reflector for Uncontrolled Blind Urban Intersection[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2021,70(8):7335-7346.)，文章在运动车辆检测概率最大化的目标基础上建立解析模型，并以此确定在特定的交叉路口几何条件计算最佳探测运动车辆时角反射器的测量参数。该方法需自行设置最佳反射面用于探测非直视车辆，该研究仅能应用于特定交叉路口，不能为道路非直视车辆探测带来普适性帮助。2019年，香港大学学者具体研究了道路环境中的非直视前前车探测问题(Z.Zhang,S.W.Ko,R.Wang and K.Huang.Millimeter-Wave Multi-Point Vehicular Positioningfor Autonomous Driving[C].2019IEEE Global Communications Conference,Waikoloa,USA,2019,pp.1-6.)，文章将NLOS前前车目标作为发射端，并设置合作式接收信号车辆，再利用旁车反射路径对前前车目标进行多散射点定位，该方法能够获得前前车目标的位置，但要求接收信号车辆与NLOS前前车传输信号间设置为单向时钟同步，且文章未依靠实测实验进行方法成效验证，综上所述该方法不适应于真实道路环境中非合作式的前前车目标探测。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种车载毫米波雷达非直视前前车探测方法，基于地面一次反射路径回波信息并结合恒虚警检测、多通道比相定位方法可以准确计算出被中间车遮蔽的非直视前前车目标的位置。

本发明采用的技术方案为：一种车载毫米波雷达非直视前前车探测方法，所述探测方法基于的应用场景包括：雷达车辆O、中间车辆A和前前车辆C，中间车A位于雷达车辆O前方直视区域，前前车辆C因为中间车辆A的遮挡处于雷达车辆O的非直视区域；雷达车辆O上设置有毫米波雷达***，雷达包括2个发射天线，4个接收天线，

雷达车辆O利用毫米波雷达***探测非直视区域的前前车辆C时，包括两条电磁传播路径，第一条路径为用于探测中间车辆A的直达径，电磁传播过程为电磁波从雷达车辆O发射经过中间车辆A车体散射原路返回雷达车辆O，电磁波传播路径记为：O→A→O。另一条路径为用于探测前前车辆C的地面反射路径，电磁传播过程为电磁波从雷达车辆O发射，一部分能量经过中间车辆A车底并在地面B点处反射到达前前车辆C，之后电磁波经目标散射后原路返回至雷达车辆O，电磁波传播路径记为：O→B→C→B→O；所述探测方法包括以下步骤：

S1、根据两条电磁传播路径各自的时延，得到雷达回波信号；

S2、采用一维单元平均恒虚警检测方法，得到雷达车辆O与前前车辆C之间的距离；

S3、采用多通道相位比较法确定前前车辆C的方位角；

S4、根据雷达车辆O与前前车辆C之间的距离、前前车辆的方位角，计算前前车辆C的二维坐标。

步骤S2具体为：

S21、对步骤S1的回波信号进行数字化采样、MTI滤波、快速傅里叶变换操作，得到目标距离像，第j个周期距离像表示为：

x_j＝[x_j(1),…,x_j(i),…,x_j(N_c)]

这里x_j(i)代表第i个距离单元值，N_c为距离单元数；

S22、采用非相干叠加方法积累一帧内所有周期目标幅值，积累后距离像以N_T个周期为一帧积累，表示为：

这里g(i)代表积累后距离像第i个距离单元值，h为帧的索引数，|·|代表取绝对值操作；

S23、采用一维单元平均恒虚警检测方法对积累后距离像进行检测，获得前前车目标所在距离单元索引进而计算出前前车目标距离R。

步骤S23具体为：对于第i个距离单元，检测门限可以表示为：

其中，P_f代表虚警概率，N_r代表参考单元数，g_h(i)代表第h帧积累后距离像的第i个距离单元值；

通过比较所有距离单元和对应检测门限的值，获得前前车目标所在距离单元索引进而计算出前前车目标距离R。

步骤S3具体实现过程为：

S312、对于均匀阵列接收模型，相邻两个天线间的相位差φ的表达式为：

这里θ为前前车目标的方位角，d是指两个天线的间距，λ为发射信号波长；

S32、假定两个接收天线的回波信号分别为y₁(t)和y₂(t)，对回波信号分别应用傅里叶变换处理，得到信号频谱Y₁(ω)and Y₂(ω)，然后，两个接收天线的相位差表示为：

Im(·)表示复数虚部，Re(·)表示复数实部；

S33、结合步骤S31与步骤S32各自的天线相位差公式，解算出前前车目标的方位角θ为：

步骤S4所述前前车辆C的二维坐标计算式为：

x为前前车C辆的横坐标，y为前前车C辆的纵坐标。

本发明的有益效果：本发明利用车载毫米波雷达对道路上的非直视前前车目标进行检测定位；根据电磁波的传播现象，分析了探测前前车目标的电磁波主要传播路径为地面一次反射路径；此外，本发明有效利用了恒虚警检测及多通道比相方法实现了非直视前前车目标的检测定位。实测结果表明，本发明方法在应对道路中非直视前前车探测场景中能够获得目标良好的检测定位结果。

附图说明

图1为前前车探测场景电磁波传播模型；

其中(a)为侧视图，(b)为俯视图；

图2为前前车探测实测场景；

图3为本发明的方案流程图；

图4为前前车探测原始距离像；

图5为前前车目标定位结果。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

本发明的一种车载毫米波雷达非直视前前车探测方法，探测被遮挡前前车的场景如图1所示，场景包含雷达车辆O、中间车辆A和前前车辆C，可以发现中间车A位于雷达车辆A前方直视区域，而前前车辆C因为中间车辆A的遮挡处于非直视区域。

采用毫米波雷达***探测被隐藏的前前车目标，雷达包含2个发射天线，4个接收天线，将雷达定为原点O探测目标。可以看到前前车探测场景中主要包含两条电磁传播路径，第一条路径为用于探测中间车的直达径，电磁传播过程可以描述为电磁波从雷达车辆发生经过中间车体散射原路返回雷达，其电磁波传播路径为：O→A→O。另一条路径为用于探测前前车目标的地面反射路径，电磁传播过程为电磁波从雷达车辆发射，一部分能量经过中间车车底并在地面B点处反射到达前前车C，之后电磁波经目标散射后原路返回至雷达，电磁波传播路径为：O→B→C→B→O。

本发明方法的处理流程包括以下步骤：

步骤1：回波信号建模

毫米波雷达发射载频为f₀的线性调频信号设为s(t)，则发射信号表达式为：

s(t)＝A₀exp(j2πf₀t+jπμt²)u(t)

其中

A₀代表发射信号的幅度，t代表时间，信号带宽表示为B，脉冲时间表示为T，即有线性调频斜率表示为μ＝B/T，矩函数u(t)的表达式如下：

通过对前前车探测场景中电磁多径传播模型的分析，雷达接收回波将包含直达径和地面一次反射路径信息，设直达径回波时延为τ_path-1，地面一次反射路径时延为τ_path-2，时延具体表达式为

这里c代表电磁波传播速度，|OA|代表雷达O与中间车A的距离，|OB|代表雷达O与中间车底反射点B的距离，|BC|代表中间车底反射点B与前前车C的距离，l_path-1＝2|OA|代表直达径传播长度，l_path-2＝2(|OB|+|BC|)代表地面一次反射径传播距离。

对于接收天线来说，回波信号可表示为

y(t)＝σ₁s(t-τ_path-1)+σ₂s(t-τ_path-2)+n(t)

这里σ₁为中间车目标散射系数，σ₂为前前车目标散射系数，n(t)代表背景噪声及环境干扰。

步骤2：非直视目标检测

为了能够消除雷达回波中环境杂波的影响，采用动目标指示(Moving TargetIndicator,MTI)方法消除环境中静态杂波，保留动态目标的回波。对回波信号y(t)进行数字化采样、MTI滤波、快速傅里叶变换操作可以得到目标距离像，此时第j个周期距离像可以表示为

x_j＝[x_j(1),…,x_j(i),…,x_j(N_c)]

这里x_j(i)代表第i个距离单元值，而N_c为距离单元数。

之后，为了增强目标处能量采用非相干叠加方法积累一帧内所有周期目标幅值，积累后距离像以N_T个周期为一帧积累，可表示为：

这里g(i)代表积累后距离像第i个距离单元值，h为帧的索引数，而|·|代表取绝对值操作。

为了获得目标的距离，采用一维单元平均恒虚警检测(Cell Averaging-ConstantFalse Alarm Rate,CA-CFAR)方法对积累后距离像进行检测。对于第i个距离单元，检测门限可以表示为：

其中，P_f代表虚警概率，N_r代表参考单元数，g_h(i)代表第h帧积累后距离像的第i个距离单元值。

之后将通过自适应判断准则比较所有距离单元和检测门限的值获得前前车目标距离单元索引，判断准则如下：

式中，H₁表示有目标假设，H₀表示没有目标假设，对所有距离单元执行上式的判断准则，若为有目标假设，则保留距离单元索引i。根据距离单元索引i计算目标距离首先需计算每个距离单元的长度R_min，计算公式如下：

其中，N_a为傅里叶变换点数，R_max为雷达可探测的最大距离，表达式如下所示

这里可以看到R_max主要和线性调频连续波参数设置有关，其中f_s为雷达采样率，k为线性调频连续波调频斜率。所以经过CFAR检测后假设前前车目标存在第i个距离单元，其距离R可以计算为R＝R_min·i。

特别需要说明的是，因为在实际实验中，雷达高度远小于电磁传播路径O→B的距离，根据数学几何关系，我们将单程地面一次反射路径长度近似为雷达O到前前车目标C的距离R，即有|OB|+|BC|≈|OC|。因而此时通过CFAR检测获取的目标距离为单程地面一次反射路径距离，也等同于前前车目标距离R。

步骤3：非直视目标定位

在获得非直视前前车的距离R后，这里，将采用多通道相位比较法确定前前车目标的方位角。该方法通过任意两个通道的相位差信息来计算目标的方位角。

对于均匀阵列接收模型，相邻两个天线间的相位差φ可表达式以表示为：

这里θ为前前车目标的方位角，d是指两个天线的间距，λ为发射信号波长。

假定两个接收天线的回波信号分别为y₁(t)和y₂(t)，对回波信号分别应用傅里叶变换处理，可以得到信号频谱Y₁(ω)and Y₂(ω)，然后，两个接收天线的相位差可以表示为：

Im(·)表示复数虚部，Re(·)表示复数实部。

结合两种天线相位差公式，可以解算出前前车目标的方位角θ为：

在经过前前车目标检测获得目标距离R，应用多通道比相方法获得目标方位角θ后，目标的二维位置坐标可以计算为：

根据上式的计算公式可以得到前前车目标的坐标(x,y)。

下面根据实测试验给出本发明的具体实施方式。

探测前前车目标，其实测场景如图2所示。采用线性调频连续波毫米波雷达探测前前车目标，雷达频率为77GHz，带宽为0.9GHz。这里假定雷达位置为中心原点(0,0)m，雷达***高度为0.35m。实验初始阶段，雷达与中间车间距为6.5m，雷达与前前车初始距离为14m。在整个实验阶段，中间车保持静止状态，前前车目标在中间车前方非直视区域运动，相距雷达的运动范围在15-35m。如图3所示，本发明的处理步骤包括：

步骤1：目标距离检测

首先通过傅里叶变换操作得到原始目标距离像，如图4所示。可以看到，距离像中包括了中间车和前前车目标的距离轨迹，且中间车目标幅值能量强于前前车，且距离像从6.5m扩展到9.5m，这是因为车体目标是面散射体，且不存在遮挡，面目标的所有散射电磁波均可直接返回雷达。而前前车目标的距离像未扩展，说明回波路径为非直视地面反射路径，能量损耗大且路径单一。之后对原始距离像应用MTI滤波可以消除静止的中间车目标信息，再经过非相参叠加和CFAR检测可以获得前前车目标实时距离值。

步骤2：采用多通道相位比较方法计算前前车目标到达角。

步骤3：结合前前车目标的距离和方位角计算目标实时位置坐标。

根据步骤1和步骤2可以计算目标距离和到达角，之后通过坐标计算公式得到目标位置，得到的定位结果如图5所示。可以看出，利用地面一次反射路径，对非直视前前车目标进行检测、定位全流程信号处理，可以完成前前车目标的有效探测，定位点迹也和前前车目标真实运动轨迹相符，实测实验证明了非直视前前车探测方法的可行性和有效性。

本发明提供的适用于道路场景下的非直视前前车目标探测方法，能够精准的对前前车目标进行检测定位，验证了本发明的准确性和有效性。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种车载毫米波雷达非直视前前车探测方法，其特征在于，所述探测方法基于的应用场景包括：雷达车辆O、中间车辆A和前前车辆C，中间车A位于雷达车辆O前方直视区域，前前车辆C因为中间车辆A的遮挡处于雷达车辆O的非直视区域；雷达车辆O上设置有毫米波雷达***，雷达包括2个发射天线，4个接收天线，

雷达车辆O利用毫米波雷达***探测非直视区域的前前车辆C时，包括两条电磁传播路径，第一条路径为用于探测中间车辆A的直达径，电磁传播过程为电磁波从雷达车辆O发射经过中间车辆A车体散射原路返回雷达车辆O，电磁波传播路径记为：O→A→O，另一条路径为用于探测前前车辆C的地面反射路径，电磁传播过程为电磁波从雷达车辆O发射，一部分能量经过中间车辆A车底并在地面B点处反射到达前前车辆C，之后电磁波经目标散射后原路返回至雷达车辆O，电磁波传播路径记为：O→B→C→B→O；所述探测方法包括以下步骤：

S1、根据两条电磁传播路径各自的时延，得到雷达回波信号；

S2、采用一维单元平均恒虚警检测方法，得到雷达车辆O与前前车辆C之间的距离；

S3、采用多通道相位比较法确定前前车辆C的方位角；

S4、根据雷达车辆O与前前车辆C之间的距离、前前车辆的方位角，计算前前车辆C的二维坐标。

2.根据权利要求1所述的一种车载毫米波雷达非直视前前车探测方法，其特征在于，步骤S2具体为：

S21、对步骤S1的回波信号进行数字化采样、MTI滤波、快速傅里叶变换操作，得到目标距离像，第j个周期距离像表示为：

x_j＝[x_j(1),…,x_j(i),…,x_j(N_c)]

其中，x_j(i)代表第i个距离单元值，N_c为距离单元数；

S22、采用非相干叠加方法积累一帧内所有周期目标幅值，积累后距离像以N_T个周期为一帧积累，表示为：

这里g(i)代表积累后距离像第i个距离单元值，h为帧的索引数，|·|代表取绝对值操作；

S23、采用一维单元平均恒虚警检测方法对积累后距离像进行检测，获得前前车目标所在距离单元索引进而计算出前前车目标距离R。

3.根据权利要求2所述的一种车载毫米波雷达非直视前前车探测方法，其特征在于，步骤S23具体为：对于第i个距离单元，检测门限可以表示为：

其中，P_f代表虚警概率，N_r代表参考单元数，g_h(i)代表第h帧积累后距离像的第i个距离单元值；

通过比较所有距离单元和对应检测门限的值，获得前前车目标所在距离单元索引进而计算出前前车目标距离R。

4.根据权利要求3所述的一种车载毫米波雷达非直视前前车探测方法，其特征在于，步骤S3具体实现过程为：

S312、对于均匀阵列接收模型，相邻两个天线间的相位差φ的表达式为：

其中，θ为前前车目标的方位角，d是指两个天线的间距，λ为发射信号波长；

S32、假定两个接收天线的回波信号分别为y₁(t)和y₂(t)，对回波信号分别应用傅里叶变换处理，得到信号频谱Y₁(ω)and Y₂(ω)，然后，两个接收天线的相位差表示为：

其中，Im(·)表示复数虚部，Re(·)表示复数实部；

S33、结合步骤S31与步骤S32各自的天线相位差公式，解算出前前车目标的方位角θ为：

5.根据权利要求4所述的一种车载毫米波雷达非直视前前车探测方法，其特征在于，步骤S4所述前前车辆C的二维坐标计算式为：

其中，x为前前车C辆的横坐标，y为前前车C辆的纵坐标。

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