一種應(yīng)用于汽車安全系統(tǒng)的LFMCW雷達(dá)

李 洋 李 浩 王占平 郭 婧

(電子科技大學(xué) 成都 610054)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，絕大多數(shù)的汽車安全是事故是因人的反應(yīng)時(shí)間慢來不及采取相應(yīng)措施導(dǎo)致的，汽車安全事故在各種交通事故中高居首位，這給人的生命安全帶來了極大的威脅。汽車防撞雷達(dá)探測(cè)近距離的目標(biāo)車輛，并預(yù)警存在相撞可能的車輛，提前提示駕駛員做出應(yīng)對(duì)措施，或著自動(dòng)控制駕駛進(jìn)行緊急剎車或避讓，這樣就可以大大減少交通事故發(fā)生的機(jī)率，保護(hù)人的生命財(cái)產(chǎn)安全。

由于上述原因國(guó)內(nèi)外一直在致力于汽車的研究。通常雷達(dá)的頻段設(shè)計(jì)24GHz 或77GHz 兩個(gè)頻段，前者適宜近距離的探測(cè)，后者適用于遠(yuǎn)距離的探測(cè)，實(shí)際國(guó)外多將76-77GHz 作為首選。汽車?yán)走_(dá)的應(yīng)用有多個(gè)方面，像自動(dòng)巡航控制、駕駛員盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)、緊急剎車、前視防撞警告等等。

一些半導(dǎo)體公司也不斷推出適宜用于汽車?yán)走_(dá)的器件或著給出解決方案。Freescale 半導(dǎo)體公司基于SiGe 工藝設(shè)計(jì)了77GHz 的VCO 和發(fā)射機(jī)，Infineon 科技在現(xiàn)有200GHz 技術(shù)的基礎(chǔ)上，也推出了適用于汽車?yán)走_(dá)的76-77GHz 的器件，TriQuint 半導(dǎo)體推出了多種77GHz 頻段的采用MMIC 技術(shù)的產(chǎn)品，像基于0.13 微米假同晶高電子遷移率晶體管工藝的GaAs 低噪聲放大器和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管技術(shù)的GaAs 正交混頻器［1］。

關(guān)于汽車?yán)走_(dá)除了射頻器件的問題，更多的研究重點(diǎn)在算法上。德國(guó)Benz 公司研制的雷達(dá)系統(tǒng)作用距離150m，可同時(shí)跟蹤30 個(gè)目標(biāo);德國(guó)漢堡技術(shù)學(xué)院對(duì)體制進(jìn)行了創(chuàng)新，結(jié)合了頻移鍵控(FSK)和線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)，歐美、日本的一些汽車公司對(duì)這種雷達(dá)進(jìn)行了深入研究，并取得了一定應(yīng)用效果。國(guó)內(nèi)也有高校、研究所和公司對(duì)汽車防撞雷達(dá)進(jìn)行了研究。江蘇賽博電子有限公司與高校合作研制雷達(dá)工作頻率38GHz，可以同時(shí)監(jiān)測(cè)20 個(gè)目標(biāo)，最小檢測(cè)距離為1m;中科院上海微系統(tǒng)所研制出的雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量距離＞100m，測(cè)速范圍＞100km/h;電子科技大學(xué)對(duì)LFMCW 雷達(dá)進(jìn)行了研究，提出了多種距離-速度去耦合的算法。

本文設(shè)計(jì)的LFMCW 雷達(dá)，設(shè)計(jì)在24GHz 頻段，大寬帶、體積小、功耗小，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)車輛進(jìn)行距離、速度的測(cè)量。

1 LFMCW 雷達(dá)工作原理

連續(xù)波雷達(dá)測(cè)速的原理是多普勒頻移，確無法同時(shí)對(duì)距離進(jìn)行測(cè)量。本文采用對(duì)稱三角波調(diào)制LFMCW 信號(hào)作為射頻前端的發(fā)射信號(hào)，可以同時(shí)對(duì)距離和速度進(jìn)行測(cè)量。三角波掃頻工作帶寬為B，時(shí)寬Tm，中心頻率為fc，回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)混頻并濾除高頻分量后得到中頻信號(hào)，差頻的上邊頻為fbd，下邊頻為fbd。發(fā)射信號(hào)頻率、接收信號(hào)頻率與中頻信號(hào)頻率的關(guān)系見圖1。

圖1 線性調(diào)頻鋸齒波及差頻

發(fā)射的信號(hào)為:

其中發(fā)射信號(hào)的瞬時(shí)相位可以寫成

發(fā)射的瞬時(shí)頻率:

在上升段時(shí)發(fā)射信號(hào)可以寫成

假設(shè)發(fā)射信號(hào)遇到一個(gè)目標(biāo)，延時(shí)為τ，回波信號(hào)為:

發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)混頻，使用積化和差公式得

經(jīng)過低通濾波器后，第一個(gè)和項(xiàng)為高頻分量被濾掉，第二項(xiàng)分解為:

對(duì)于靜止目標(biāo)，v=0 時(shí)有

當(dāng)v≠0 時(shí)，回波時(shí)延與速度有關(guān)，設(shè)初始距離仍為R，當(dāng)目標(biāo)是接近時(shí)

當(dāng)目標(biāo)是遠(yuǎn)離時(shí)

代入中頻信號(hào)中可以得到

其中最后一項(xiàng)稱為距離-速度耦合。忽略這一項(xiàng)，可以得到三角波上升段和下降段的中頻信號(hào)［2］。

從上式可以得到上下差頻信號(hào)［3］。

兩式中的第一項(xiàng)為目標(biāo)靜止時(shí)的回波信號(hào)頻率，第二項(xiàng)是因?yàn)槟繕?biāo)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻率，這就可以使用差頻可以計(jì)算得到距離和速度:

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的LFMCW 雷達(dá)系統(tǒng)組成包括射頻前端、天線、數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理四個(gè)部分。射頻前端產(chǎn)生一個(gè)對(duì)稱三角波調(diào)制線性調(diào)頻信號(hào)，經(jīng)過天線輻射出去，發(fā)射信號(hào)經(jīng)目標(biāo)反射后由兩個(gè)接收天線接收，與發(fā)射信號(hào)混頻后得到中頻信號(hào);數(shù)據(jù)采集部分完成地中頻信號(hào)的放大、抗混疊濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并把數(shù)字化的信號(hào)通過USB 發(fā)送到PC 機(jī);把接收的數(shù)據(jù)在Matlab 中進(jìn)行信號(hào)處理，進(jìn)行目標(biāo)參數(shù)的計(jì)算。

射頻前端的結(jié)構(gòu)如圖2所示。射頻前端使用VCO 產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)三角波調(diào)諧電壓來控制VCO 的輸出頻率，一部分經(jīng)天線發(fā)射出去，并耦合一部分作為混頻器的本振，接收天線的回波經(jīng)過低噪聲放大后與其混頻，經(jīng)過低通濾波、放大后得到中頻信號(hào)。由于VCO 的輸出頻率會(huì)隨溫度等因素有所漂移，所以在射頻前端工作前需對(duì)其進(jìn)行校正。校正是使用PLL 產(chǎn)生一個(gè)已知頻率的固定點(diǎn)頻，通過開關(guān)切換到混頻器的回波輸入，改變VCO 的調(diào)諧電壓，當(dāng)PLL 的輸出頻率和VCO 的頻率相同時(shí)在中頻處得到最大幅度的輸出時(shí)的電壓對(duì)應(yīng)VCO 在此環(huán)境下的輸出頻率，進(jìn)行多個(gè)點(diǎn)的測(cè)量后擬合可得到一個(gè)校正曲線，使用DAC 輸出此電壓可得到所需的頻率輸出。

圖2 射頻前端結(jié)構(gòu)圖

前端測(cè)試結(jié)果，圖3 是頻率為24.3GHz 的點(diǎn)頻測(cè)試結(jié)果，圖4 是掃頻從24.0GHz 到24.6GHz 的測(cè)試結(jié)果。

圖3 點(diǎn)頻測(cè)試結(jié)果

圖4 線性調(diào)頻測(cè)試結(jié)果

天線采用微帶陣列，發(fā)射天線設(shè)計(jì)為一個(gè)8 ×6元線陣，頻段為24.0 ～24.6GHz，增益大于20dB，副瓣為-20dB，E 面、H 面半功率波瓣寬度分別為15.7°和10.8°，有較好的方向性。

數(shù)據(jù)采集、處理部分電路框圖如圖7所示。中頻信號(hào)首先經(jīng)過放大、抗混疊濾波，調(diào)理后的信號(hào)由高精度的ADC 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字化的信號(hào)由FPGA 進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)行數(shù)字濾波、增益控制、量程控制、累積、存儲(chǔ)等功能，經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)再由DSP進(jìn)行復(fù)雜的算法的處理。同時(shí)FPGA 控制DAC 產(chǎn)生調(diào)諧VCO 調(diào)諧電壓產(chǎn)生所需頻率輸出。

圖5 發(fā)射天線陣列模型

圖6 接收天線陣列模型

圖7 中頻處理卡結(jié)構(gòu)

3 測(cè)試及結(jié)論

在Matlab 中對(duì)算法進(jìn)行仿真，信號(hào)處理的流程見圖8。數(shù)字濾波是為了將噪聲去除，同時(shí)抵制直流附近成分，只保留測(cè)量范圍內(nèi)的回波信號(hào)頻率。發(fā)射機(jī)掃頻周期較短時(shí)，在一次掃頻周期內(nèi)測(cè)得的多普勒頻偏很小，所以在FFT 計(jì)算后得到的是距離信息。再對(duì)第一次FFT 計(jì)算后同一個(gè)距離門的結(jié)果進(jìn)行第二次FFT 就可以得到了多普勒頻率［4-5］。

處理后的距離計(jì)算結(jié)果見圖9。

圖9 距離計(jì)算仿真結(jié)果

圖10 速度計(jì)算仿真結(jié)果

經(jīng)過初步測(cè)試可知距離測(cè)量范圍＞120m，精度＜1m，速度測(cè)量精度＜2m/s。為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度可以采用發(fā)射變掃頻周期信號(hào)，有一種結(jié)合FMCW 和FSK 得到的MFSK 信號(hào)可以消除多普勒模糊進(jìn)一步提高性能。為了得到目標(biāo)的方位、加速度等信息，中頻信號(hào)處理的算法仍是需要研究的重點(diǎn)。

［1］Rohling，Hermann.Milestones in radar and the success story of automotive radar systems［C］.Radar Symposium(IRS)，2010 11th International.IEEE，2010.

［2］Yi，Joon Hyung.24 GHz FMCW radar sensor algorithms for car pplications［C］.Radar Symposium(IRS)，2011 Proceedings International.IEEE，2011.

［3］Kronauge，Matthias，Christoph Schroeder，and Hermann Rohling.Radar target detection and Doppler ambiguity resolution［C］.Radar Symposium(IRS)，2010 11th International.IEEE，2010.

［4］杜雨洺.近程小扇區(qū)LFMCW 雷達(dá)信號(hào)處理研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2006.

［5］張容權(quán).雙基地LFMCW 雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2005.