基于雷达探测的有轨电车防撞预警系统

梁 影 张庆拙 郑广瑜 黄嘉智

（上海无线电设备研究所，上海市目标识别与环境感知工程技术研究中心，上海 200090）

有轨电车作为一种造价低、建设周期短、运量大、环保的轨道交通工具，在城市群的建设中将扮演重要角色，目前国内已有多个城市建设了有轨电车示范线工程。有轨电车在街道上行驶时,部分路段会与社会车辆共享路权，容易发生交通事故，尤其天气恶劣时，司机视线受影响，预见危险能力降低，所以为保障交通安全需采取相应的防撞措施。

雷达在军事领域多用于目标探测，现扩展到汽车防撞、无人机避撞等领域，其具有全天候、抗干扰能力强的优点。有轨电车防撞预警雷达通过对列车运行前方障碍物进行探测，评估其对电车的危害等级，给出相应等级的预警信号。

1 系统设计

有轨电车障碍物防撞雷达系统如图1所示，主要包括雷达传感器及系统主机。

图1 系统框图

雷达传感器探测列车运行前方250m范围内的障碍物，对障碍物的距离、速度、方位进行测量计算；探测信息通过CAN通信传输给防撞系统主机，系统主机根据其运动轨迹、相对距离、运动速度及有轨电车的制动特性计算评估其对电车的危害等级；UDP网络通信实时将危险目标及预警等级信息传输给车载信号系统，同时周期性将车辆运行信息传输给雷达防撞系统，便于对特殊情况的识别处理，如弯道情况。

2 雷达传感器

有轨电车障碍物防撞雷达采用先进的CMOS工艺的毫米波集成电路，支持数字波束形成的毫米波收发架构，多模多功能毫米波雷达的一体化设计。

通过2发4收的天线模式，发射天线间距为4倍的接收天线阵元间距，从而实现8路接收的虚拟阵列，角度分辨能力提高1倍。

雷达发射FMCW信号，采用2D-FFT进行距离–速度解耦合，每个发射天线对应4个虚拟阵元，需要对8路接收数据进行2D-FFT处理。对2D-FFT处理结果进行峰值点搜索（目标判定），提取8组2D-FFT数据中目标位置数据进行FFT，从而实现目标角度测量。

3 系统主机信号处理

3.1 滤波跟踪技术

Kalman滤波器是一个对动态系统的状态序列进行线性最小方差误差估计的算法，通过动态的状态方程和观测方程描述系统，具有计算量小、可实时计算的特点。利用滤波器来估计目标运动，当系统对目标的运动位置和速度有了可靠估计后，就可以在相对较小的区域内进行搜索，从而起到滤波作用，而当目标短暂消失时，可利用滤波器对目标的运动轨迹进行可靠预测，等待目标的重新出现以完成跟踪过程。本文采用白噪声、匀速运动模型对雷达探测目标进行滤波跟踪。

3.2 恒虚警检测

有轨电车运行环境多变，为抑制杂波，使数据处理机不因虚警太多而过载，雷达信号处理机中必须进行CFAR处理。它根据杂波强度自动调节检测门限，使虚警概率保持恒定。

3.3 特殊路况处理

目标的距离、速度、角度等信息均是雷达坐标系数值，需要转换成大地坐标，在特殊路况（弯道、坡道等）下，目标相对于轨道中心的垂直距离需要结合线路信息进行计算。

采取将特殊路况信息预存的方法，如弯道情况预存直缓点、缓直点、弯道半径、转弯方向等，再用网络通信获得的车辆位置信息（所在路段、车辆上下行、车辆公里标等）进行查表，获取车辆前方线路信息，从而进行目标纵向、横向距离估算。

3.4 预警等级划分

依据有轨电车制动率的不同将预警情况分为3类，分别是低等级预警、中等级预警（低制动率）及高等级预警（高制动率）。障碍物探测系统根据探测到的障碍物危险等级，进行预警提醒。雷达系统低等级预警时，司机应做好制动准备，车速较高则适当减速，直到报警解除，并加强瞭望；雷达系统中等级预警时，司机应立即减速慢行，直到报警解除，并加强瞭望；雷达系统高等级预警时，司机应紧急刹车，并加强瞭望。

4 结束语

有轨电车雷达防撞预警系统通过对电车前方危险目标的识别预警，能够进一步保障电车运行安全，对交通安全建设具有重要意义。