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毫米波雷达如何才能锻造成为智慧高速的一双“聪慧的眼“

2020-11-20

来源 : 江苏数智元

作者 : 江苏数智元

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一、概述

时间延伸到改革开放以来,我们耳熟能详的一句口号就是“要想富,先修路”,交通的重要性始终贯穿国民经济的高速发展过程,随着我国高速公路网的贯穿南北,交通的四通八达,国民经济和社会的发展也在随之高速渗透和发展。新的社会发展阶段,虽然我国的路网覆盖里程早已领先全球,但是随着车辆的保有量、物流的快速流通、区域一体化的发展模式升级等等新的需求的提出,对于道路的智能化、智慧化、自动化要求也提出了新的要求。

2016 年 4 月,交通运输部发布了《交通运输信息化“十三五”发展规划》, 提出推进智慧公路示范应用,选取重点区域公路项目或路段,加强路网运行的 全面感知能力,提升基础设施建设、管理智慧化水平,开展高速无线通信、车路协同、区域路网协同管理、出行信息服务等智能应用,实现路网管理、车路协同和出行信息服务的智能化。

道路不再是单一的基础设施,而是融合了道路感知、气象感知、高精度定位、互联网+、卫星定位、安全预警、环境感知等等系列要素的智慧公路。

智慧的路, 必然少不了融合感知。目前主流的道路交通要素检测设备主要为视频检测设备、激光雷达、毫米雷达,三者均为非接触式道路探测设备。视频检测是较为普遍和传统的一种检测手段,执法抓拍、现场录像取证、远程监控等等。激光雷达和毫米波雷达是近几年发展起来的新的检测手段,而且在车辆辅助驾驶和自动驾驶领域也是较为常用的传感器。

在综合性价比和探测距离上,毫米波雷达尤其在路端边缘检测方面拥有更为广阔的应用前景。

二、为啥选择毫米波雷达

未来的智慧公路,无论是服务于自动驾驶新技术,还是作为常规的交通服务设施,首先强调的必然是“精细化”、“实时性”、“全天候”、“无盲点”等特征,对于道路上的传感设备也会提出同样的需求。

1)24小时,确保白天和黑夜可以不间断的可靠探测;

2)雨天、雾霾天、沙尘暴、大雪等气候条件下不间断可靠探测;

3)太阳光斜射干扰强光下正常探测;

4)安装、维护不应轻易受环境干扰等;

激光雷达是工作在红外和可见光波段,以激光为工作光束的雷达。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号 (目标回波)与发射信号进行比较,做适当处理后,就可获取目标的距离、方 位、高度、速度、轮廓等信息。 激光雷达的优势在于对目标信息的测量精度和分辨率高,可准确获取目标的空间信息、速度信息、以及轮廓信息,可分析出目标类型。缺点是造价较高, 受天气环境影响较大,测量距离有限,一般不超过 150 米,且设备保养复杂, 使用寿命较短。

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激光雷达成像

毫米波雷达的频率高于无线电,低于可见光和红外线。通常采用固态微带天线阵列,多组收发天线,实现目标的速度、角度、距离的精确探测,通过自带处理器实现目标的坐标定位和大小的探测分析。 毫米波雷达的优势是成本较低,受天气环境影响较小,穿透雾、烟、粉尘的能力强,目前毫米波雷达通过加大发射功率和提高信噪比,可以获得不低于500米的大范围内的目标探测和识别,并可以同时对多目标进行速度、位置的解算和轨迹跟踪。

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毫米波雷达目标成像跟踪

毫米波雷达技术在民用领域的应用越来越广泛,较低的成本和较方便的维护性,使得在高速公路这种户外恶劣环境下可以更为有效的对道路上的车辆、行人、动物等进行实时的探测和预警。毫米波雷达的这种大于500米的有效探测距离的监控应用,也适合于智慧高速的施工应用,可以减少立杆数量、电源供电和通信等基础设施的投入。通常毫米波雷达的检测如下:

1)可识别目标:机动车辆、行人、非机动车;

2)检测输出:目标大小、目标坐标位置、多普勒速度、运动方向、轨迹分析;

3)事件输出:逆行检测、速度超限、事故拥堵、车间距报警、连续变道等。

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毫米波雷达事件检测

三、智慧高速车路协同系统应用场景

智能车路协同系统通过建设全息感知设备、边缘计算节点、智能路侧基站,完成全息感知、边缘计算和车路通信。系统采用超远距离毫米波雷达、高清摄像头等主要传感器手段采集路面行人、车辆、地面交通标志等信息,在边缘计算节点上借助深度学习和融合识别技术实现交通参数的统计、事件信息的探测和告警以及交通态势的实时展现,完成路面交通环境的全息感知;同时,通过精准的定位与可靠的通信技术将这些数据信息传输到云服务器,云服务器对这些信息进行处理,并将交通信息实时推送。

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数智元毫米波雷达系统应用

四、毫米波雷达技术的前沿分析

通过以上章节的介绍,可以看出毫米波雷达的技术在未来的智慧交通中有很大的发展空间。车端和路端均依赖于高可靠性的毫米波雷达的技术,但是车端和路端的雷达的技术路线侧重点又截然不同。

路端毫米波雷达更加侧重于探测范围、跟踪目标数、交通态势检测、事件分析等,大场景应用、自带边缘计算的毫米波雷达将更加的符合路端市场的实际需求。市场上目前大部分的毫米波雷达探测距离在300米左右,可以满足部分特殊路口的应用。但是作为智慧高速应用仍然显得局促。现在,市面上我们已经可以看到更远距离的毫米波雷达产品的问世和应用。

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江苏数智元科技发布的ST101系列的R500毫米波雷达,其探测距离已经可以达到500米的覆盖范围,其车道级定位精度,使得大范围内多车道、多目标跟踪、多要素检测变得更加有实际意义。

ST101毫米波雷达采用相控阵雷达天线设计,通过MIMO体制,多个发射天线和接收天线同时工作,并通过设计多组不同规格的发射天线来实现监测道路区域的全覆盖。采用高带宽FMCW调频,实现优异的距离精度。采用基于相位的数字波束合成方式,无需机械旋转,实时计算每个目标的方位值,可实现10~20Hz的测量更新频率;应对不同的探测距离,采用多组不同天线,也使方位分辨率分布更加均衡,综合的方位精度也更高,结合点迹凝聚的信号处理算法,以及跟踪滤波的数据处理算法,即使在400~500米的探测距离,也可以实现车道级的方位精度,结合更高的测量更新频率,可更精确的跟踪车辆轨迹,并分析交通事件。

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其主要技术创新点如下:

1)纯固态雷达天线,无旋转结构,可靠性更高;

2)覆盖范围≥500米,探测距离更远;

3)自带边缘计算,可在路端实现多雷达的接力目标融合,实现单点的1000米以上的有效目标覆盖;

4)深度开发交通应用,实时统计分析丰富的交通参数,拓展接口多样,支持异构深度融合;

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毫米波雷达技术最早来自于军用雷达的应用,由于技术门槛较高和应用场景的限制,国内民用这块起步较晚。目前主要产品都集中于安防探测、交通流检测等。随着国内智能汽车和智慧交通的兴起,也带动了毫米波雷达领域的投资。据悉,目前国内从24GHz到77GHz等频段雷达IC均已经实现了完全的国产化,并批量流片,芯片设计水平也达到了国际水平。

数智元科技是国内最早从事民用雷达研发的企业之一,核心人员均来自于军工研究所,具有较深的射频设计、信号处理等技术沉淀。其专注于路端毫米波雷达技术的开发和应用,在雷达天线设计、信号处理、雷达显控、多传感融合等技术领域具有丰富的技术储备,将会在后续的市场应用中带来更多实用化的产品。

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