倒車雷達，又稱為泊車輔助系統，是車輛泊車時的安全輔助裝置。倒車雷達系統能夠在泊車時以聲音、指示圖形或視頻影像等方式向駕駛員反映車輛后方的環(huán)境狀況，解除視覺死角中的潛在威脅，提高車輛停泊的安全性。目前倒車雷達的應用十分廣泛，絕大多數車輛都已經將倒車雷達作為必不可少的標準配件。

目前的倒車雷達系統大多采用超聲波測距原理：通過超聲波測距裝置測取車輛后方的障礙物距離，以此為依據來判斷泊車環(huán)境。超聲波測距具有能量消耗緩慢、傳播距離遠的優(yōu)點，且不易受光線、煙霧、電磁等干擾的影響，可以在各類天氣下使用;并且利用超聲波測距原理簡單、易于實現，成本低廉、可靠性也好，因而廣泛應用于各類倒車雷達中。但是由于超聲波測距系統自身的原因，以往的倒車雷達只能夠模糊地判斷障礙物的大致位置，并不能準確地指示泊車的環(huán)境狀況，而且總會存在一定的探測盲區(qū)。因此，設計無盲區(qū)的高精度倒車雷達具有較高的應用價值。

1 超聲波測距的特性

1.1 超聲波測距的原理

超聲波測距，是依靠超聲傳感器向外發(fā)射超聲波，然后接收超聲波遇到障礙物后反射回來的回波，依據發(fā)射和接收的時間間隔t以及聲波的傳播速度v，來計算傳感器和障礙物之間的距離S。即

式(1)中v為聲波傳播速度。在空氣介質中，聲波的傳播速度會受到溫度、濕度、氣壓等因素的影響，其中溫度對聲波速度的影響最大，其補償關系為：

由此可知，超聲波測距中，聲波的傳播速度和聲波發(fā)射與接收的時間間隔是判斷距離的兩個依據。如果測距環(huán)境的溫度變化不大，或者系統對測距結果不要求有很高的精度，就可以忽略溫度對聲波傳播速度的影響，以v=340m/s的恒定值作為聲波傳播的速度，在這樣的情況下，回波時間的長短就成為測距的唯一依據。

在超聲倒車雷達的設計中，由于系統的探測精度只要達到厘米級，所以一般不需考慮溫度補償，而只根據回波時間來判斷所測距離。

1.2 超聲波測距指向性的不足

超聲波測距裝置的核心部件是超聲傳感器，超聲傳感器是發(fā)射和接收超聲波的裝置。傳感器在發(fā)射超聲波時，能量并不是均勻分布的，而是存在波束角的概念。

超聲傳感器在發(fā)射超聲波時，沿傳感器中軸線的延長線(垂直于傳感器表面)方向上的超聲射線能量最強，而其他方向上的聲波能量逐漸減弱。以傳感器中軸線的延長線為軸線，由此向外，至發(fā)射能量減少至半數(-3 dB)處，這個夾角被稱為超聲傳感器的波束角，如圖1所示。

波束角的大小，代表著超聲傳感器有效探測范圍的大小。因為在傳感器有效探測范圍以外，聲波能量過于分散，無法產生有效的回聲，也就無法測出相應的距離。所以，超聲波測距裝置通常只能夠探測到處在其傳感器波束角范圍內的物體的距離。

在相同環(huán)境下，由于超聲波測距系統測距的依據只有回波時間這一項，所以在系統的有效探測范圍內，以超聲傳感器為圓心，處于同一圓弧上的物體，都會產生相同的回波時間，都會得到相同的測距結果。這就是說，使用超聲系統測距測得的距離并不一定是傳感器正前方的物體的距離。超聲波測距，只能測得被測物體的距離，卻無法確定產生該距離的物體的確切方向，也不能確定產生該距離的被測物是否只有一個。測距系統選用的傳感器波束角越大，被測物體的具體方位就越不確定，測距的指向性也就越差。指向性不足是超聲波測距最大的缺點。

2 以往設計方法的缺陷

以往的超聲倒車雷達設計，均采用了多個超聲傳感器均勻陣列的探測方式。并且要求所有傳感器的探測范圍之和，能夠覆蓋車體后部的全部區(qū)域，以保證能夠全面探測泊車環(huán)境。

由于超聲測距系統的指向性與探測范圍成反比，所以如果要求系統能夠更精確地測得障礙物的位置，就必須使用數量較多的小波束角傳感器密集陣列。但是這樣的方法成本較高，并且影響車輛美觀，更重要的是如果傳感器密集陣列相互之間還可能會造成干擾，影響探測的可靠性。所以目前的倒車雷達系統大多犧牲了測量的準確性，而選用3～4個探測范圍較大的大波束角超聲傳感器陣列探測。

這樣的設計方法只能夠探知障礙物的存在，卻無法明確障礙物的具體方位。并且，這樣的探測方法也仍舊存在著一定的盲區(qū)。如圖2所示，在距離車尾較近的位置，如果出現體積較小的障礙物位于兩個傳感器之間，就很可能會被系統漏測。這是由超聲測距系統自身的特性決定的，無法克服。

圖中標號區(qū)與為各傳感器有效探測范圍，陰影部分即為相鄰傳感器探測區(qū)域之間的探測盲區(qū)。

3 扇形掃描探測方法

為了克服超聲測距系統指向性差且存在探測盲區(qū)的缺點，設計中使用了通過步進電機驅動單套小波束角傳感器，做扇形掃描探測的方法。

3.1 扇形掃描探測方法

在設計中，使用步距角為7.2°的步進電機，驅動波束角為5°的超聲傳感器。在每一輪掃描中，電機步進20步，掃描車輛正前方左右共144°的范圍。這樣，從起始位置開始，超聲傳感器總共會在21個不同的角度上進行測距。步進電機每步進一個角度，測距系統就在當前的角度上測得一個距離信息，結合當前的掃描角度，就會得到一個較為精確的，包含距離、方向兩方面內容的位置信息。每完成一輪掃描，就會得到21個連續(xù)的位置信息。依據這些信息，就能夠較為精確地判斷障礙物的具體方位，得知相對準確的泊車環(huán)境。掃描角度如圖3所示。

3.2 扇形掃描探測的優(yōu)點

首先，系統使用小波束角超聲傳感器進行測距，測距的指向性更加優(yōu)越;并且，由于系統選用的傳感器的有效掃描角度為10°(5°×2，波束角內的范圍)，而步進電機每一次只轉動7.2°的角度，所以探測范圍內的每一個區(qū)域都會被重復探測，不會出現障礙物被遺漏的情況，消除了探測盲區(qū)的存在。

此外，由于系統只使用了一套單獨的超聲測距系統，所以在進行測距工作時不存在傳感器之間相互干擾的問題，系統性能更加穩(wěn)定，結果也更加可靠。

3.3 扇形掃描探測方法的效果

扇形掃描的探測方法將所需探測的區(qū)域劃分成一定數量的較小區(qū)域逐個探測。這樣的方法極大地提高了掃描的準確度，不僅獲得了障礙物的距離信息，也獲得了較為準確的方向信息。以泊車過程中通常會遇到的方形、圓形、尖角這類障礙物為例，在不同距離上，掃描效果如圖4所示。

雖然探測結果相較于障礙物的實際情況仍有較大差別，但已經比較確切地反映了障礙物的實際分布情況。依據這樣的探測結果，可以為駕駛員提供更加直觀明確的參考信息，極大地提高了泊車的安全性。

3.4 時效性分析

使用扇形掃描的探測方法，需要在21個不同的方向上逐個進行距離探測，相比于以往的設計來說，這樣的探測方法耗費的時間要長很多。但是對于倒車雷達系統來說，由于泊車時的探測距離不會超過3 m，進行21次測距所需的時間也在幾秒鐘之內，并且倒車時的車速很慢，所以不會影響正常的倒車行駛。

4 結論

在倒車雷達的設計中使用扇形掃描的探測方法，不僅能夠更加準確地探知環(huán)境中存在的障礙物的具體方位，更真實確切地反映泊車環(huán)境的實際情況，而且消除了以往設計中普遍存在的探測盲區(qū)。實驗證明，其探測的準確度至少是傳統倒車雷達的6倍以上。這樣的設計能夠給駕駛員提供更加直觀可靠的參考信息，極大地提高了泊車的安全性。