摘要：車載毫米波雷達(dá)以其高帶寬、極強(qiáng)的穿透能力，將成為5G時(shí)代車聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。其中，車輛附近目標(biāo)的高效檢測(cè)與定位是目前車載毫米波雷達(dá)領(lǐng)域亟待解決的重要問(wèn)題。對(duì)車載雷達(dá)的發(fā)展概況進(jìn)行簡(jiǎn)述，總結(jié)了車載毫米波雷達(dá)領(lǐng)域目標(biāo)檢測(cè)與定位技術(shù)的概況、技術(shù)原理以及存在挑戰(zhàn)。此外，提出基于接收信號(hào)強(qiáng)度與信號(hào)到達(dá)角度指紋的目標(biāo)聯(lián)合檢測(cè)與定位技術(shù)框架，通過(guò)貝葉斯序貫推理框架完成高效目標(biāo)檢測(cè)與精確定位。仿真結(jié)果顯示，所提新框架相較于傳統(tǒng)方法在目標(biāo)檢測(cè)概率以及定位精度方面有明顯提升。

　　關(guān)鍵詞：車載毫米波雷達(dá);檢測(cè)定位;指紋地圖;貝葉斯推理

　　0 車載雷達(dá)發(fā)展簡(jiǎn)述

　　隨著時(shí)代發(fā)展，人們對(duì)車輛交通出行的安全需求普遍提高。雷達(dá)憑借其優(yōu)異的目標(biāo)探測(cè)技術(shù)可以有效減少交通出行中事故的發(fā)生幾率，因而備受汽車行業(yè)青睞。故而，車載雷達(dá)技術(shù)研究一直以來(lái)是汽車行業(yè)的重點(diǎn)[1]。隨著信號(hào)處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，車載雷達(dá)技術(shù)正在向低成本、高性能方向推進(jìn)。目前，主流車載雷達(dá)可大致分為車載激光雷達(dá)、車載超聲波雷達(dá)以及車載毫米波雷達(dá)等。

　　(1)車載毫米波雷達(dá)簡(jiǎn)介

　　近年來(lái)，隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展，由5G衍生的各項(xiàng)技術(shù)研究成果逐步進(jìn)入商用領(lǐng)域。根據(jù)3GPP 38.101協(xié)議的規(guī)定，5G NR(New Radio，新空口)主要使用的兩段頻率為FR1頻段和FR2頻段，其中FR2頻段即為毫米波頻段。毫米波作為5G的核心技術(shù)，一直以高帶寬、高速率、穿透能力強(qiáng)而備受研究人員矚目。FCC(Federal Communications Commission，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì))早在2015年就規(guī)劃了四個(gè)頻段作為5G的主推頻段。

　　毫米波雷達(dá)技術(shù)自上世紀(jì)發(fā)展到今天，已經(jīng)逐漸步向成熟。伴隨著集成電路芯片技術(shù)的突破，將毫米波雷達(dá)引入到車輛領(lǐng)域發(fā)展而來(lái)的車載毫米波雷達(dá)也取得了一定的進(jìn)步。相較于其他車載雷達(dá)(如車載激光雷達(dá)、車載超聲波雷達(dá))，車載毫米波雷達(dá)對(duì)周圍無(wú)線環(huán)境具有更高的適應(yīng)度，同時(shí)也能夠滿足更高的精度要求[2]。此外，毫米波雷達(dá)還擁有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便等優(yōu)勢(shì)。故而，車載毫米波雷達(dá)是未來(lái)無(wú)人駕駛中一項(xiàng)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。目前，TI(Texas Instruments，德州儀器公司)已研制用于車載雷達(dá)的毫米波CMOS單芯片傳感器，其將射頻前端與DSP(Digital Signal Processing，數(shù)字信號(hào)處理)、MCU(Micro Controller Unit，微控制單元)集成在一起，在減小尺寸的同時(shí)明顯提升數(shù)據(jù)處理速度與精度。該芯片已進(jìn)入商用階段。

　　(2)其余車載雷達(dá)介紹

　　1)車載激光雷達(dá)

　　上世紀(jì)六十年代，激光作為一項(xiàng)新興技術(shù)剛一出現(xiàn)，便引起雷達(dá)測(cè)量領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員對(duì)激光雷達(dá)的探索也在不斷深入，激光雷達(dá)的技術(shù)應(yīng)用也層出不窮，如OCT(Optical Coherence Tomography，光學(xué)相干斷層掃描)影像技術(shù)、數(shù)字全息技術(shù)以及車載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)等。

　　車載激光雷達(dá)以激光作為載波，并以信號(hào)振幅、頻率以及相位搭載信息。其工作原理即為發(fā)射機(jī)向測(cè)量目標(biāo)發(fā)射激光信號(hào)，目標(biāo)反射回波被接收機(jī)接收。經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后，接收機(jī)就可以獲得目標(biāo)的相關(guān)信息，如目標(biāo)位置、速度、方位角等信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的追蹤[3]。

　　受激光在空氣中傳播的特性影響，車載激光雷達(dá)具有一些顯著特點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)為測(cè)量精度十分準(zhǔn)確，可達(dá)厘米級(jí)，這可為無(wú)人駕駛的安全性提供充分的保障。然而，相較于其他車載雷達(dá)，車載激光雷達(dá)也存在一些無(wú)可避免的劣勢(shì)，其體積較大，不便于集成，同時(shí)價(jià)格十分昂貴。

　　2)車載超聲波雷達(dá)

　　超聲波雷達(dá)作為目前車載雷達(dá)中最常使用的一種雷達(dá)之一，具有悠久的研究與發(fā)展歷史。由于其在短距離測(cè)量上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，超聲波雷達(dá)在汽車領(lǐng)域中多在倒車?yán)走_(dá)中使用。

　　車載超聲波雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)頻率范圍一般在30 kHz左右，其測(cè)量原理也較為簡(jiǎn)單。雷達(dá)通過(guò)發(fā)送超聲波在空間中傳播，遇到目標(biāo)以及障礙物便會(huì)反射回來(lái)。通過(guò)記錄得到的傳播時(shí)間計(jì)算就可以測(cè)得目標(biāo)和障礙物的位置關(guān)系[4]。顯而易見，利用超聲波雷達(dá)進(jìn)行測(cè)量原理較為簡(jiǎn)單，成本也較低。然而，超聲波在介質(zhì)中傳播距離有限，且受環(huán)境影響較大。在不同的天氣條件下，由于傳播介質(zhì)的改變，超聲波傳播速度會(huì)發(fā)生變化。這將導(dǎo)致雷達(dá)無(wú)法準(zhǔn)確追蹤汽車位置的實(shí)時(shí)變化，從而使得測(cè)量結(jié)果存在較大偏差。

　　表1綜合對(duì)比了各類雷達(dá)之間的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)此表能對(duì)各車載雷達(dá)特點(diǎn)有較為清楚的認(rèn)知：

　　1 車載毫米波雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)與定位

　　隨著毫米波技術(shù)的更迭，車載毫米波雷達(dá)在汽車安全駕駛中扮演著越來(lái)越重要的角色。利用毫米波雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的距離、速度以及角度進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)已經(jīng)十分成熟。

　　目標(biāo)物體的檢測(cè)定位作為毫米波雷達(dá)最為廣泛的用途，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)檢測(cè)雷達(dá)附近的運(yùn)動(dòng)以及靜止的目標(biāo)的精確感知，這對(duì)于車輛安全行駛和未來(lái)無(wú)人駕駛技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。

　　1.1 車載毫米波雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)

　　車載毫米波雷達(dá)的發(fā)射波具有多種類別選擇，其中包括連續(xù)波和脈沖波形。對(duì)脈沖波形毫米波雷達(dá)而言，其發(fā)射的高頻脈信號(hào)傳輸速度極快，使得接收機(jī)系統(tǒng)接收信號(hào)的時(shí)間間隔極短。這對(duì)系統(tǒng)信號(hào)處理速度提出了很高的要求，同樣也對(duì)硬件設(shè)備的規(guī)格有一定的規(guī)定。因此脈沖毫米波雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用通常受到一定限制。

　　與脈沖毫米波雷達(dá)不同，毫米波連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射一系列已調(diào)連續(xù)信號(hào)，易于調(diào)制，在車載毫米波雷達(dá)中應(yīng)用最為廣泛。

　　(1)目標(biāo)距離和速度估計(jì)

　　毫米波連續(xù)波雷達(dá)通過(guò)發(fā)射機(jī)發(fā)送調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，信號(hào)經(jīng)目標(biāo)反射得到回波，該回波被接收機(jī)接收并與發(fā)送信號(hào)進(jìn)行混頻濾波處理變?yōu)椴钆男盘?hào)，即中頻信號(hào)。對(duì)該中頻信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度以及相位信息進(jìn)行分析可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的距離以及速度的檢測(cè)[5]。其信號(hào)處理結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

　　發(fā)射信號(hào)經(jīng)圖1流程處理后，得到的中頻信號(hào)中包含目標(biāo)的距離以及速度信息。對(duì)于傳統(tǒng)的周期性的連續(xù)調(diào)頻波信號(hào)，如圖2所示，其經(jīng)發(fā)射端發(fā)射，在傳播過(guò)程中經(jīng)過(guò)目標(biāo)物體并反射，被接收端接收。最終輸出的中頻信號(hào)形式為X(t， l)，t表示某周期內(nèi)信號(hào)持續(xù)的時(shí)間，l代表接收到的中頻信號(hào)所處周期段。

　　對(duì)于所得到的輸出中頻信號(hào)，其相位中包含目標(biāo)的距離及速度信息。離散后的中頻信號(hào)可分為快時(shí)間維度和慢時(shí)間維度，即距離維度和多普勒維度。此時(shí)，對(duì)該信號(hào)矩陣使用二維傅里葉變換可以得到RDM(Range Doppler Map，距離多普勒?qǐng)D)。對(duì)于所得RDM，采用CFAR(Constant False-Alarm Rate，恒虛警率)算法可篩選出真實(shí)目標(biāo)的距離和速度。目標(biāo)距離和速度檢測(cè)流程具體如圖3所示：

　　(2)目標(biāo)方位估計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的檢測(cè)和定位，除了目標(biāo)的距離和速度信息，還要求了解目標(biāo)的方位信息[6]。對(duì)車載毫米波雷達(dá)而言，為達(dá)到角度估計(jì)的目的，通常采用MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出)技術(shù)，即在車載毫米波雷達(dá)發(fā)射端和接收端同時(shí)安裝多根發(fā)射天線和接收天線。

　　對(duì)同一發(fā)射天線而言，其發(fā)射信號(hào)經(jīng)目標(biāo)反射被不同接收天線接收處理后會(huì)得到不同的接收信號(hào)。在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，由于目標(biāo)與接收天線之間的距離遠(yuǎn)比接收天線間隔長(zhǎng)，反射信號(hào)可假設(shè)為平行直射入接收天線，因而不同接收天線之間的接收信號(hào)幅度基本不變，而僅存在由于波程差而引起的相位差。該相位差中包含目標(biāo)的方位角度信息，其示意圖如圖4所示，其中，d表示接收天線的之間的間隔，θ表示目標(biāo)與接收天線的相對(duì)方位角。因此，可以得到相鄰接收天線之間接收信號(hào)相位差為，λ表示信號(hào)波長(zhǎng)。因而，在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下對(duì)接收信號(hào)向量采用一維傅里葉變換可以得到目標(biāo)的方位角信息。

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