汽车雷达全频目标识别算法及FPGA平台的应用
本文通过分析汽车雷达防撞技术的全频目标识别算法，采用24 GHz毫米波雷达，在FPGA平台上进行信号处理。通过python软件实现这类算法并进行仿真，仿真结果和FPGA实际运行的结果基本一致。该方案的雷达扫频信号为100 Hz的锯齿波，采样频率为480 kHz，离散傅里叶变换(DFT)点数为4 096点，每一帧数据的时间间隔为10 ms，满足车辆行驶实时性的要求。通过对道路行驶测得的数据比较，相比主流的恒虚警率(CFAR)算法，本算法抗干扰能力更强，精确度更高。
关键词： 雷达,汽车防撞,全频, 离散傅里叶变换
经济的发展提高了人们的生活质量。随着汽车数量的增多，交通事故的数量也增加了。根据美国各州公路工作者协会资料显示，司机从感知、判断到制动产生效果需要[1]3 s，当前大部分科研工作者把精力放在减少司机感知的时间上。主流的汽车防撞预警技术以图像识别和红外等为主[2?3]，但这些技术受环境影响很大，恶劣环境下，往往不能减少司机感知的时间。图像识别技术在白天的准确率很高，但在晚上和雾天，准确率大大下降[2]。
红外识别技术受到雨滴的影响，在雨天效果很差[3]。基于毫米波雷达的汽车防撞预警技术具有不受天气环境影响的优点，可以适应各种环境。本方案采用24 GHz毫米波雷达，在FPGA平台上进行信号处理，通过python软件实现算法并进行仿真。本方案提出的全频目标识别(Full Spectrum Target Recognition，FSTR)算法与主流的恒虚警率(Constant False?Alarm Rate，CFAR)算法[4]比较，FSTR算法的虚警率更低，抗干扰的能力更强，更加适应复杂的路况环境。
1 雷达测距原理
本文方案使用的是载波频率为24 GHz毫米波雷达。调制信号[Tramp]是100 Hz的锯齿波，调制宽度[BSW=]150 MHz，雷达载波频率[fc=24] GHz，在低速环境下，多普勒效应对距离的误差[5]小于0.1 m。因而本方案忽略多普勒效应，使用一次DFT计算得到距离信息。
2 全频目标识别算法与FPGA实现
雷达测距的表现与目标物的反射面积、目标物的材质有关，金属之类反射率比较高的材料在雷达测距上的表现更好。雷达在汽车行驶时，可以测到多个目标，但在安全层面，只有最近的目标物才是影响汽车安全的关键，因而用以预警的目标物在频谱上应该满足两个条件：相对在整个频谱上，幅值足够大;在量测到多个目标物时，应取距离最近的目标用以预警。针对这两点，本文提出一种全频目标识别算法，该算法可以分为两部分：第一部分提取频谱上所有目标物的频率;第二部分选取最近的可能目标频率用以预警。本文采用的是4 096点DFT基2算法，因为DFT具有对称性，前2 048个数据已能满足实验要求。
2.1 所有目标物提取算法
根据式(13)得到频率和DFT序号之间的关系，由每一个数据序号对应的幅值大小判断其是否是一个可能的目标。首先，求得2 048个数据中的最大值[Gmax，]然后将2 048个数据按照序号分成[N=256]组，每组[M=2 048N=]8个元素，例如数据1～8为一组，9～16为第二组，以此类推。在多次实验比较中，[N=256]是一个较合适的参数。经过计算得到64组中每组数据的最大值[Gk，][k=1，2，…，255，256]和[Gk]对应的序号[nk，]从而得到两个集合[G=G1，G2，…，G255，G256，][n=n1，n2，…，n255，n256]。
考虑到目标物应满足在频谱上的幅值足够大的条件，设定阈值[F1=0.6Gmax，]若[Gk，][k=1，2，…，255，256]大于阈值[F1，]则认为存在一个目标，将[Gk]存入集合[T，]将[nk]存入集合[T_n。]
2.2 最近目标识别算法
集合[T]已包含所有可能的目标物的幅值大小，[T_n]包含目标物对应的序号。在安全层面，只有最近的目标物才需要预警，但由于路面环境复杂，频谱会出现一些干扰信号，这些干扰信号会造成虚警。雷达测距的好坏和目标物的面积有关，一个良好目标物在频谱上往往表现成一个主峰和一些次峰的叠加，只有主峰才是准确的目标信息。FSTR的第二部分用于准确地识别最近的目标距离。
设定阈值[F2=0.8Gmax，]用以区分同一目标内多个波峰的主峰。最近目标识别算法流程如图2所示。
2.3 FPGA架构
本文方案采用DE2?115FPGA开发板，主频为50 MHz，数据位为32位，地址位为12位。FPGA架构见图3。DFT模块输出使能信号AvEn，数据信号Avdata和地址信号AvEn，Max Group将DFT的输出经过处理后输出256组数据中的最大值到RAM中，当DFT输出2 048个数据后，FSTR开始读RAM的数据进行运算，最后输出目标物的幅值Target和序号Target_n。
3 实验结果比较
本文使用的是载波频率为24 GHz毫米波雷达。调制信号[Tramp]是100 Hz的锯齿波，调制宽度[BSW=]150 MHz，雷达载波频率[fc=]24 GHz，采样频率是480 kHz，DFT点数为4 096。根据式(13)，式(14)，本方案距离的分辨率是1 m，能测到的最远距离是300 m。
3.1 不同算法实验数据比较
雷达的准确度和环境的复杂程度成反比，环境越是复杂，雷达受到的干扰越多。经过大量测试发现频谱的干扰主要来自两方面;一个是毛刺信号，另一个是环境干扰。毛刺信号见图4(b)。图4(a)是卡车距离19 m拍到的图片，图4(b)是该图片对应的频谱。在频谱图里，实线表示频率大小，虚线表示CFAR的阈值，实线大于虚线表示识别出目标。圆点表示FSTR识别出的目标。从图4(b)可以看到，CFAR和FSTR都识别出卡车，但CFAR在3 m附近将毛刺信号也认作是目标，这就是毛刺虚警。由于毛刺虚警显示的距离比实际距离小，若驾驶员根据毛刺虚警制动就会产生与后车碰撞的危险。FSTR因为以全频谱的最大值作为判断参考，因此不会出现毛刺虚警。
环境虚警是由于复杂环境导致雷达信号出现干扰，距离计算出现偏差。图5(b)是卡车行驶至测试车30 m前的频谱图，在目标卡车的右侧车道还有一辆卡车，因此频谱更复杂。此时CFAR认为频谱内没有目标物，严重出错，FSTR计算的结果更符合实际情况。对该卡车测得的165帧数据进行FSTR和CFAR比较，结果见表1，可见FSTR在准确率上高于CFAR。
3.2 FPGA与仿真结果比较
图6(a)中，AvData输出的是整个频谱，肉眼可以判断的目标序号是828，幅值大小是49 836，与Target和Target_n的输出相同。图6(b)中可以看出在DFT输出最后一个数据后，整个FSTR的运行时间约为300 ps，运算时间足够快。
3.3 目标时域分析
图9是目标卡车在30 s中的距离变化，可以看到卡车的距离从20 m逐渐增加到53 m，距离随时间的变化有许多小毛刺，毛刺的产生有两个原因：卡车与测试车的速度变化大;环境干扰。这表明单凭1帧的数据判断距离仍然会有误差。图9在20 s左右的时候出现了161 m的数据，经检查，应该是测试环境出现问题或者开发板受到干扰所致。
4 结 论
本文提出一种应用于雷达汽车防撞技术的FSTR算法。通过路上测试发现该算法可以有效识别出目标物。相比主流的CFAR算法，FSTR算法可以避免毛刺虚警，不会出现严重的误判。由于雷达本身的准确度和环境的干扰问题，只凭1帧的数据识别目标距离的准确度还是较低，如果结合前后几帧的数据进行目标识别可以提高目标的准确度。
参考文献：
[1] AASHTO. A policy on geometric design of highways and streets [R]. Washington， DC： American Association of State Highway and Transportation Officials， 2001.
[2] 伍宗富，陈日新，朱明旱.基于图像识别的汽车智能防撞系统研究与实现[J].机械与电子，2008(9)：56?60.
[3] 蒋晓玲，孟志强，陈燕东，等.汽车追尾防撞红外测距系统[J].光电子技术，2011，31(1)：67?72.
[4] 蒋铁珍，武虎，吴凯，等.毫米波汽车防撞雷达恒虚警率门限设定方法[J].红外与毫米波学报，2005，24(3)：217?220.
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