关于车载毫米波雷达(是否被)遮挡问题的讨论

说明

    车载毫米波雷达遮挡状态的判断和输出是雷达SOR中要求具备的一项基本“功能”，但是该话题网上的相关内容较少，本博文试图对该问题进行探讨。内容相对简单，但是在产品研发中不可不察。

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20230926 本文第一次撰写

目录

说明

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一、雷达遮挡问题绪论

二、雷达遮挡状态的判断方法

2.1 雷达被遮挡与否的区别点讨论

2.2 遮挡判断方法

2.2.1 基于目标数量进行的判断

2.2.2 基于回波幅值等进行的判断

三、总结

四、参考资料

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一、雷达遮挡问题绪论

    关于这个话题网上讨论的内容比较少，究其原因，我觉得可能有两个方面：一是网上比较活跃的参与方主要是科研工作者和学生团体，实际做产品开发的工程师输出的内容相对较少，而雷达遮挡问题只有在产品实践中才会涉及。二是这个话题可能太简单了。

    事实上，车载毫米波雷达遮挡状态(雷达在使用过程中是否被遮挡)的输出是雷达SOR中规定的要输出的雷达状态之一。关于该话题的讨论，我觉得主要涉及两个方面：一是如何定义遮挡；二是如何判断遮挡。至于被遮挡后如何处理那不是雷达可以做的事情了，雷达输出自己被遮挡的报警信号，车主收到该信息后去把遮挡物清走就是了…。本章谈谈如何定义遮挡，后续章节给出几种遮挡状态判断的方法。

    我们对遮挡这两个字的定义其实是非常宽泛的：一叶蔽目是遮挡，前方几百米有座山挡住了视线导致我们看不到更远的风景也是遮挡。而对于毫米波雷达而言，其实正是由于诸多目标物“遮挡”而产生的回波才使得雷达可以检测到它们，但我们此时不能说雷达被遮挡了，所以，怎么去定义遮挡这个概念，很重要。

    车载毫米波雷达在实际使用时，电磁波从天线面板出来会经过两层“障碍物”：雷达天线罩和保险杠(关于天线罩的设计以及雷达的安装问题我之前做过一些梳理，读者可以参考博文：车载毫米波雷达天线罩设计问题_墨@#≯的博客-CSDN博客、 车载毫米波雷达的上车安装与标定问题_墨@#≯的博客-CSDN博客)。但是一般来说，天线罩和保险杠的材料和结构是经过特殊设计的，我们在做雷达产品设计时已经充分考虑了天线罩和保险杠对雷达性能的影响，所以这两者不会影响雷达正常功能的履行(或者说这两者对雷达探测性能的影响是在可接收范围内的)，所以天线罩和保险杠不属于我们本话题讨论的雷达遮挡物。再试想一种比较常见的行车场景：堵车，安装了前雷达的本车紧挨着前车，此时因为前车的遮挡，雷达无法探测到更宽和更远范围内的目标，不过这种情况下即便雷达失效了也不会影响行车安全，此时也不能认为雷达被遮挡了。

    我们想要讨论、定义乃至解决一个问题时，这个问题必须是收敛的。综上讨论，雷达被遮挡与否，我尝试下一个定义：如果位于与雷达相隔极近距离的遮挡物影响了雷达正常功能的履行，并进而影响行车安全(目前泊车安全主要依赖于超声波雷达)，那么此时我们认为雷达处于被遮挡状态。这个定义规避了前文讨论的各种情况，车载毫米波雷达常见的遮挡物可能包括积雪、泥土、被覆盖在保险杠上的电磁波的强反射体活吸波材料等。

二、雷达遮挡状态的判断方法

    我们是要求雷达自己具备判断自己是否被遮挡了的能力。要解决这个问题，我们需要充分考虑雷达被遮挡时的状况(与未遮挡时的不同点)，进而从信号与数据处理的角度设计算法实现判断。那么这个话题又可以分成两部分来讨论：一是当雷达被遮挡时会存在与正常状态下的哪些不同之处；二是我们如何利用这些区别点完成遮挡判断。

2.1 雷达被遮挡与否的区别点讨论

在进入后文内容之前，需要做两点说明：

    a. 当雷达被电磁波的强反射体遮挡时，如果严重到导致雷达前端饱和而无法正常工作的程度，此时雷达的状态并不属于遮挡与否的讨论范畴，雷达此时是处在了失效(完全无法工作)的状态，雷达是否处在失效状态也是SOR需要雷达输出的自身状态之一，导致雷达失效的原因有很多种(雷达软硬件层面的任何问题都可能导致失效)，前端饱和是其中的原因之一，不过一般合格(优良)的车载雷达产品不会出现该问题，因为我们有很多手段可以去解决前端饱和的问题，包括增加器件动态范围、减小接收端的增益等等(除非出现有人使用这个频段的干扰源进行恶意破坏的情况…)

    b. 出现遮挡物为吸波材料且将雷达所发射的电磁波全部吸收这种极端的情况也认为不会发生。

以上两种情况不在我们研究车载毫米波雷达被遮挡与否这个话题的讨论范围之内。当车载毫米波雷达被遮挡时，容易想到的几点区别为：

1. 雷达检测出来的目标数量急剧减小。

2. 离雷达较近距离下会出现比较能量较大的目标体，其表现为：与雷达相对静止，雷达信号处理中距离FFT后在该处的能量幅值和幅值变化值与正常情况下有明显区别。

3. …

(如果有其他新颖的想法欢迎在评论区给出&讨论)

2.2 遮挡判断方法

    针对该问题，我初步调研看到的资料主要是业内几家头部公司(德赛西威、森思泰克等)发表的几篇已授权发明专利，其创新点(发明点)主要集中在对前文提到的区别点的应用上(这些专利本质是一样的，其区别点也在于对前述区别点的描述和应用上)，本小节选取了其中有代表性的两篇专利进行展示(更多的资料读者可以自行去检索)。

2.2.1 基于目标数量进行的判断

专利：《一种基于幅度变化分析的车载毫米波雷达 遮挡检测方法》  CN111580108 A

方法概述：

    分别获取异物直接覆盖条件下和无异物直接覆盖条件下的毫米波雷达多个通道的时域回波信号的1D-FFT幅度变化趋势的差异特征，根据该1D-FFT幅度变化趋势的差异特征与当前时刻的毫米波雷达多个通道的时域回波信号的1D-FFT幅度变化趋势的差异特征的比较结果判断毫米波雷达是否被遮挡。

    这里所谓的差异特征的获取方法是：对各通道的回波数据进行距离维度的FFT处理(貌似只用了一个chirp)，然后对各通道1D-FFT后的结果进行相邻单元的做差运算，再把做差运算后的结果拼成一个矩阵，对矩阵中的所有元素进行求和便得到其所谓的差异特征值。分别采集有遮挡和无遮挡情况下的ADC数据进行前述处理，分别得到差异特征值X和Y，基于这两个值得到阈值Z（Z可以是0.5*(X+Y)），随后在实际的应用中采用同样的方法得到当前时刻的差异特征值N，比较N和Z的大小，如果N大于Z认为雷达没有被遮挡，反之则判定为被遮挡。

小结：

    这篇专利是以前文2.1节中的区别点2为出发点的，不过本专利所提方法背后的原理很难深揪…,意思应该是当有遮挡时差异特征值应该会小一些(为什么小一些？)。而且有无遮挡这两种情况包含太多的可能了(有不同的遮挡状态，以及雷达有不同的所处环境)，专利中只用“有无遮挡这两种情况”几个字一笔带过了。内容和流程简单，有一定可取之处，但是不多。

2.2.2 基于回波幅值等进行的判断

专利：《一种基于动态CFAR的车载毫米波雷达遮挡 检测方法及系统》 CN111580108 A

方法概述：

    以不同场景雷达回波对应的RD map作为输入，预先量化遮挡检测算法开发所依赖雷达系统的目标检测性能，确定不同CFAR检测点数的遮挡置信度，进而统计毫米波雷达电磁波传播路径上的保险杠有、无遮挡时，一定时间范围内的CFAR检测结果，并结合已获得的遮挡置信度，分别计算两种遮挡状态下的遮挡置信度总和，获得有、无遮挡两个条件下的遮挡特征边界，并基于此确定遮挡与否的置信度总和阈值，从而将该阈值作为遮挡检测算法的输入，完成对毫米波雷达遮挡情况的自适应判断。

    这篇专利是通过CFAR点数来得到遮挡置信度，基于有无遮挡两种状态下实测数据结果的遮挡置信度X、Y来得到遮挡置信度阈值Z，随后在实际应用中采用同样的求解方法得到遮挡置信度值P，当P小于Z时认为未被遮挡，否则判定为遮挡。专利中求解遮挡置信度的方法为：连续求解N帧数据下的CFAR检测结果，并进而得到不同点数的出现次数(帧数)，为每种点数分配一个遮挡概率(置信度),随后由出现次数乘以这个次数对应的概率得到遮挡置信度。

小结：

    这篇专利是以前文2.1节中的区别点1为出发点的，核心在于遮挡置信度求解的合理性(是否合理？)，方法容易理解且流程简单，不过还是和上篇专利同样的问题，有无遮挡这两种情况包含太多的可能了(有不同的遮挡状态，以及雷达有不同的所处环境)，专利中只用“有无遮挡这两种情况”几个字一笔带过了。不过这篇专利内容相较上一篇要更详实和可理解一些，有较大可取之处。

三、总结

    本博文对车载毫米波雷达遮挡问题进行讨论，主要围绕遮挡问题的定义和遮挡判断方法这两个方面展开。针对遮挡这个词语的覆盖范围广，难收敛，定义难的问题，本文给出了一种定义说明；针对遮挡的判断方法，本文结合现有已授权的几篇发明专利进行解读和讨论。本文内容相对简单(算是先占个坑)，关于该话题下如果有新的有意思的想法欢迎评论和讨论。

四、参考资料

1.《一种基于动态CFAR的车载毫米波雷达遮挡检测方法及系统》 CN 112162249B

2.《一种基于幅度变化分析的车载毫米波雷达遮挡检测方法》 CN 111580108A