FMCW雷達(dá)系統(tǒng)及其前端數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

戚昊琛，解光軍，張 鑒

(合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥 230009)

隨著我國汽車總量的迅速上升，交通安全問題也引起了政府和社會的廣泛關(guān)注。大量的研究表明，當(dāng)意外發(fā)生時，車輛若能提前0.7 s制動，就可使碰撞死亡率下降75%;若能提前1.3s，則碰撞死亡率則將下降99%以上。因此，1.3 s的碰撞報警黃金時間可有效降低事故發(fā)生率。車載FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave)雷達(dá)防撞系統(tǒng)是降低事故率的重要主動安全手段。

車載防撞雷達(dá)系統(tǒng)的研究始于20世紀(jì)60年代［1］。90年代以后，奔馳、日產(chǎn)、豐田和福特等公司小批量安裝過連續(xù)波雷達(dá)。奔馳S系列、美洲虎XKR系列、奧迪A8等高檔車型上已有配備相關(guān)系統(tǒng)［2－3］，但價格昂貴。我國汽車防撞雷達(dá)的研制起步較晚，雖已引起業(yè)界重視，但至今未有便于裝車的微型化成品批量投入使用。FMCW雷達(dá)由于其本身在測距和測速方面的優(yōu)勢，已成為目前汽車主動防撞系統(tǒng)的首選。文中所介紹的基于FMCW技術(shù)的汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)，可以自動偵測兩車之間的距離及相對速度，進(jìn)行危險判斷，提醒駕駛員作出相應(yīng)反應(yīng)或與剎車系統(tǒng)關(guān)聯(lián)動作來避免兩車相撞。

1 防撞雷達(dá)系統(tǒng)方案的選擇及原理

1.1 汽車防撞探測技術(shù)的比較與選擇

目前汽車防撞探測主要是采用紅外、超聲波、雷達(dá)等一些測量方式［4］。其中紅外、激光、攝像頭等光學(xué)技術(shù)價格低廉且技術(shù)簡單，但全天候工作效果不好;超聲波受天氣狀態(tài)影響大，探測距離短，多用于倒車保護(hù);而FMCW毫米波雷達(dá)則克服了上述幾種探測方式在汽車防撞探測中的缺點，具有穩(wěn)定的探測性能和良好的環(huán)境適應(yīng)性。它不僅可測量目標(biāo)距離，還可測量目標(biāo)物體的相對速度及方位角等參數(shù)，使汽車在惡劣氣候條件下實現(xiàn)盲行成為可能。此外，F(xiàn)MCW毫米波雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)射功率低、分辨率和靈敏度高、天線部件尺寸小［4－5］，已成為主動防撞雷達(dá)的首選。

1.2 雷達(dá)頻率的選擇

雷達(dá)波的頻率原則上并無特別的限制。目前，按照歐盟委員會的決定［6］，從2005年下半年至2013年，在所有歐盟國家，汽車防撞雷達(dá)將使用K波段24 GHz的專門頻帶。雖K波段的24 GHz雷達(dá)的波長為12 mm，已經(jīng)達(dá)到厘米波的范圍，但在特性方面還是接近于毫米波，因此，還將它作為毫米波雷達(dá)來考慮。

1.3 FMCW雷達(dá)工作原理

FMCW雷達(dá)的基本原理為，發(fā)射波為高頻連續(xù)波，其頻率隨時間按照三角波規(guī)律變化。雷達(dá)接收的回波頻率與發(fā)射的頻率變化規(guī)律相同，都是三角波規(guī)律，只是有一個時間差，利用這個微小的時間差就可以計算出目標(biāo)距離。其發(fā)射頻率與接收頻率的相對關(guān)系不僅可測量目標(biāo)距離，而且還可測量目標(biāo)徑向速度v。圖1為FMCW雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)圖。

圖1 FMCW雷達(dá)基本結(jié)構(gòu)圖

FMCW雷達(dá)的基本工作原理如圖2所示。

圖2 FMCW雷達(dá)測距原理圖

其中，發(fā)射信號頻率ft按周期性三角形波的規(guī)律變化，它的調(diào)頻帶寬為Δf，ft的平均頻率為f0，通常f0變化范圍為幾百到幾千MHz，變化周期為Tm。fr1為從靜止目標(biāo)反射回來的回波頻率，它和發(fā)射頻率的變化規(guī)律相同，但在時間上滯后tr=2 R/c。發(fā)射和接收頻率之間的頻率差即混頻器輸出的中頻信號頻率IF，差頻的平均值用Fbav表示。

2 汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的主要工作是測量車輛與前方目標(biāo)的相對距離和相對速度。雷達(dá)對前方目標(biāo)進(jìn)行檢測，若發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，對目標(biāo)距離、速度和方向進(jìn)行測量，同時判斷目標(biāo)與車輛是否在同一車道上，若是，則將目標(biāo)的距離、速度與雷達(dá)設(shè)定的預(yù)警條件進(jìn)行對比，達(dá)到預(yù)警條件時，雷達(dá)向駕駛員進(jìn)行聲光預(yù)警或與剎車系統(tǒng)聯(lián)動。結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

FMCW雷達(dá)天線分為收發(fā)共用天線和分置天線，選用的雷達(dá)使用的收發(fā)分置天線，即發(fā)射信號和接收信號分別用兩個天線。微帶天線具有成本低、性能可靠、占據(jù)空間小、可重復(fù)性好等優(yōu)點［7］，適合使用在汽車上，選用的雷達(dá)使用平面微帶天線。

圖3 汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

收發(fā)前端是雷達(dá)系統(tǒng)的核心部分，主要包括壓控振蕩器VCO、混頻器、定向耦合器等;其中VCO是收發(fā)前端的核心，用于產(chǎn)生調(diào)頻波，定向耦合器是把VCO輸出功率的一部分耦合到混頻器的輸入端，作為混頻器的本征信號，混頻器的作用是完成回波和本振信號的差頻，從而輸出中頻信號，再用帶通濾波器濾除混頻器輸出中的一些雜波。

中頻放大電路將混頻器輸出的差頻信號即中頻信號進(jìn)行放大、匹配濾波等處理，消除其中的干擾信號，實現(xiàn)幅值統(tǒng)一。中頻放大電路性能的好壞直接影響到對目標(biāo)回波信號的檢測。

信號處理模塊對經(jīng)中頻放大的信號進(jìn)行處理，提取出信號的頻率，從而計算出目標(biāo)的距離和速，一般由DSP完成數(shù)字信號處理任務(wù)?？墒褂肨I6000系列DSP完成A/D轉(zhuǎn)換后有關(guān)數(shù)值計算的一系列處理，包括濾除、數(shù)據(jù)預(yù)處理、FFT、譜峰平滑、目標(biāo)搜索、目標(biāo)跟蹤等任務(wù)。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

3.1 VCO調(diào)制電壓

壓控振蕩器VCO工作需要通過一個調(diào)制電壓來實現(xiàn)發(fā)射信號頻率的變化，在上文中已經(jīng)提出，同時測距并測速，F(xiàn)MCW雷達(dá)的調(diào)制信號波形為三角波模式，就需要一個三角波調(diào)制電壓來使VCO工作，可是利用單片機(jī)采用PWM方式實現(xiàn)，也可以直接使用三角波發(fā)生電路。但無論采用哪種方式，在實際應(yīng)用的過程中，線性總是不理想的。因此，適當(dāng)擴(kuò)大三角波電壓幅值，然后取其中線性較好的一段來控制VCO工作。三角波發(fā)生電路如圖4所示。

圖4 三角波發(fā)生電路

振蕩頻率為調(diào)節(jié)電路中R1，R2，R3的阻值和C的容量，可以改變振蕩頻率。而調(diào)節(jié)R1和R2的阻值，可以改變?nèi)遣ǖ姆怠?/p>

3.2 濾波放大電路

雷達(dá)傳感器工作時輸出的中頻信號需經(jīng)一系列濾波、放大和DSP處理后，才更易于從中分析得到所需的目標(biāo)信息。尤其是當(dāng)雷達(dá)工作于FMCW模式時，輸出信號要先經(jīng)濾波處理濾掉調(diào)制信號后才能進(jìn)行放大處理，否則會使得調(diào)制信號被過分放大導(dǎo)致信號飽和失真。在雷達(dá)工作于FMCW模式用于測距功能時，外接濾波放大電路的目的主要是為了去掉調(diào)制信號和進(jìn)一步放大輸出信號;而當(dāng)雷達(dá)工作于CW模式用于測速功能時，外接濾波放大電路的目的主要是為了濾除干擾和噪聲，同時也進(jìn)一步放大輸出信號。圖5為工作于CW模式的外置濾波放大電路，其增益為60 dB，帶寬為30 Hz～50 kHz。圖6為該濾波器的頻率響應(yīng)曲線。圖7為工作于FMCW模式下的高通濾波電路，增益為60 dB、頻率為1 kHz。圖8為其對應(yīng)的頻率響應(yīng)曲線。

3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換

傳感器輸出信號經(jīng)高通濾波放大處理后，先經(jīng)D/A采樣將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后交給DSP模塊處理。因為采樣的速率較高，若頻繁的中斷DSP則會造成處理器處理時間的大量浪費，所以A/D采樣的數(shù)據(jù)先送往先進(jìn)先出存儲器(First In First Out，F(xiàn)IFO)，然后再集中交給DSP。而且，利用FIFO的讀使能和寫使能可以控制對ADC采樣數(shù)據(jù)的保存和讀取。經(jīng)FFT及相應(yīng)的Chirp－Z變換等數(shù)字處理運算，最終可分析得到所需信息。

4 結(jié)束語

汽車主動安全裝置的研發(fā)與推廣是近年來全球整車生產(chǎn)和汽配廠商研究和推廣的熱點。FMCW微帶毫米波雷達(dá)系統(tǒng)作為主要的車載主動安全裝備，正在引發(fā)主動防撞系統(tǒng)研究、技術(shù)改進(jìn)和商業(yè)化的熱潮。文中對微型FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的架構(gòu)介紹和前端數(shù)據(jù)采集模塊關(guān)鍵電路的設(shè)計，為相關(guān)方向的工作者提供參考。

［1］皮文博.基于ARM的汽車防撞系統(tǒng)平臺的研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2009.

［2］王斌，劉昭度，何瑋，等.車用測距雷達(dá)的研究進(jìn)展［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006，25(3):7 －9.

［3］BELL P.Impact imminentautomotive radar［J］.IEEE Review，2004，50(5):42 －45.

［4］鮑吉龍，應(yīng)延治，趙洪霞，等.基于DSP技術(shù)的汽車防撞雷達(dá)［J］.汽車電子，2006，22(4z):188 －190.

［5］徐小平，劉建新，韓宇，等.FMCW測距雷達(dá)數(shù)字信號處理器設(shè)計仿真［J］.信息與電子工程，2004，2(2):133 －135.

［6］歐洲聯(lián)盟.歐盟委員會2004年交通報告［EB/OL］.(2004－06 －18)［2011 －10 －20］http://www.sdwto.gov.cn/TBT/Detail.asp?ID=432.

［7］向敬成，張明友.毫米波雷達(dá)及其應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2005.