摘要：車載毫米波雷達以其高帶寬、極強的穿透能力，將成為5G時代車聯網的重要組成部分。其中，車輛附近目標的高效檢測與定位是目前車載毫米波雷達領域亟待解決的重要問題。對車載雷達的發展概況進行簡述，總結了車載毫米波雷達領域目標檢測與定位技術的概況、技術原理以及存在挑戰。此外，提出基于接收信號強度與信號到達角度指紋的目標聯合檢測與定位技術框架，通過貝葉斯序貫推理框架完成高效目標檢測與精確定位。仿真結果顯示，所提新框架相較于傳統方法在目標檢測概率以及定位精度方面有明顯提升。
關鍵詞：車載毫米波雷達;檢測定位;指紋地圖;貝葉斯推理
0 車載雷達發展簡述
隨著時代發展，人們對車輛交通出行的安全需求普遍提高。雷達憑借其優異的目標探測技術可以有效減少交通出行中事故的發生幾率，因而備受汽車行業青睞。故而，車載雷達技術研究一直以來是汽車行業的重點[1]。隨著信號處理技術的不斷進步，車載雷達技術正在向低成本、高性能方向推進。目前，主流車載雷達可大致分為車載激光雷達、車載超聲波雷達以及車載毫米波雷達等。
(1)車載毫米波雷達簡介
近年來，隨著5G通信技術的發展，由5G衍生的各項技術研究成果逐步進入商用領域。根據3GPP 38.101協議的規定，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，一直以高帶寬、高速率、穿透能力強而備受研究人員矚目。FCC(Federal Communications Commission，美國聯邦通信委員會)早在2015年就規劃了四個頻段作為5G的主推頻段。
毫米波雷達技術自上世紀發展到今天，已經逐漸步向成熟。伴隨著集成電路芯片技術的突破，將毫米波雷達引入到車輛領域發展而來的車載毫米波雷達也取得了一定的進步。相較于其他車載雷達(如車載激光雷達、車載超聲波雷達)，車載毫米波雷達對周圍無線環境具有更高的適應度，同時也能夠滿足更高的精度要求[2]。此外，毫米波雷達還擁有尺寸小、結構簡單輕便等優勢。故而，車載毫米波雷達是未來無人駕駛中一項不可或缺的關鍵技術。目前，TI(Texas Instruments，德州儀器公司)已研制用于車載雷達的毫米波CMOS單芯片傳感器，其將射頻前端與DSP(Digital Signal Processing，數字信號處理)、MCU(Micro Controller Unit，微控制單元)集成在一起，在減小尺寸的同時明顯提升數據處理速度與精度。該芯片已進入商用階段。
(2)其余車載雷達介紹
1)車載激光雷達
上世紀六十年代，激光作為一項新興技術剛一出現，便引起雷達測量領域的廣泛關注。隨著技術的不斷發展，研究人員對激光雷達的探索也在不斷深入，激光雷達的技術應用也層出不窮，如OCT(Optical Coherence Tomography，光學相干斷層掃描)影像技術、數字全息技術以及車載激光雷達測量技術等。
車載激光雷達以激光作為載波，并以信號振幅、頻率以及相位搭載信息。其工作原理即為發射機向測量目標發射激光信號，目標反射回波被接收機接收。經過適當處理后，接收機就可以獲得目標的相關信息，如目標位置、速度、方位角等信息，從而實現對目標的追蹤[3]。
受激光在空氣中傳播的特性影響，車載激光雷達具有一些顯著特點。其優點為測量精度十分準確，可達厘米級，這可為無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，車載激光雷達也存在一些無可避免的劣勢，其體積較大，不便于集成，同時價格十分昂貴。
2)車載超聲波雷達
超聲波雷達作為目前車載雷達中最常使用的一種雷達之一，具有悠久的研究與發展歷史。由于其在短距離測量上的獨特優勢，超聲波雷達在汽車領域中多在倒車雷達中使用。
車載超聲波雷達發射的信號頻率范圍一般在30 kHz左右，其測量原理也較為簡單。雷達通過發送超聲波在空間中傳播，遇到目標以及障礙物便會反射回來。通過記錄得到的傳播時間計算就可以測得目標和障礙物的位置關系[4]。顯而易見，利用超聲波雷達進行測量原理較為簡單，成本也較低。然而，超聲波在介質中傳播距離有限，且受環境影響較大。在不同的天氣條件下，由于傳播介質的改變，超聲波傳播速度會發生變化。這將導致雷達無法準確追蹤汽車位置的實時變化，從而使得測量結果存在較大偏差。
表1綜合對比了各類雷達之間的優缺點，通過此表能對各車載雷達特點有較為清楚的認知：
1 車載毫米波雷達目標檢測與定位
隨著毫米波技術的更迭，車載毫米波雷達在汽車安全駕駛中扮演著越來越重要的角色。利用毫米波雷達對目標的距離、速度以及角度進行測量的技術已經十分成熟。
目標物體的檢測定位作為毫米波雷達最為廣泛的用途，能夠實現對檢測雷達附近的運動以及靜止的目標的精確感知，這對于車輛安全行駛和未來無人駕駛技術的發展具有重要的意義。
1.1 車載毫米波雷達信號處理技術
車載毫米波雷達的發射波具有多種類別選擇，其中包括連續波和脈沖波形。對脈沖波形毫米波雷達而言，其發射的高頻脈信號傳輸速度極快，使得接收機系統接收信號的時間間隔極短。這對系統信號處理速度提出了很高的要求，同樣也對硬件設備的規格有一定的規定。因此脈沖毫米波雷達的實際應用通常受到一定限制。
與脈沖毫米波雷達不同，毫米波連續波雷達發射一系列已調連續信號，易于調制，在車載毫米波雷達中應用最為廣泛。
(1)目標距離和速度估計
毫米波連續波雷達通過發射機發送調頻連續波信號，信號經目標反射得到回波，該回波被接收機接收并與發送信號進行混頻濾波處理變為差拍信號，即中頻信號。對該中頻信號的信號強度以及相位信息進行分析可以實現對目標的距離以及速度的檢測[5]。其信號處理結構框圖如圖1所示：
發射信號經圖1流程處理后，得到的中頻信號中包含目標的距離以及速度信息。對于傳統的周期性的連續調頻波信號，如圖2所示，其經發射端發射，在傳播過程中經過目標物體并反射，被接收端接收。最終輸出的中頻信號形式為X(t， l)，t表示某周期內信號持續的時間，l代表接收到的中頻信號所處周期段。
對于所得到的輸出中頻信號，其相位中包含目標的距離及速度信息。離散后的中頻信號可分為快時間維度和慢時間維度，即距離維度和多普勒維度。此時，對該信號矩陣使用二維傅里葉變換可以得到RDM(Range Doppler Map，距離多普勒圖)。對于所得RDM，采用CFAR(Constant False-Alarm Rate，恒虛警率)算法可篩選出真實目標的距離和速度。目標距離和速度檢測流程具體如圖3所示：
(2)目標方位估計
為了實現對目標物體的檢測和定位，除了目標的距離和速度信息，還要求了解目標的方位信息[6]。對車載毫米波雷達而言，為達到角度估計的目的，通常采用MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出)技術，即在車載毫米波雷達發射端和接收端同時安裝多根發射天線和接收天線。
對同一發射天線而言，其發射信號經目標反射被不同接收天線接收處理后會得到不同的接收信號。在遠場條件下，由于目標與接收天線之間的距離遠比接收天線間隔長，反射信號可假設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表示目標與接收天線的相對方位角。因此，可以得到相鄰接收天線之間接收信號相位差為，λ表示信號波長。因而，在遠場條件下對接收信號向量采用一維傅里葉變換可以得到目標的方位角信息。
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