試析調(diào)頻連續(xù)波車載雷達(dá)的原理及其實(shí)踐

蔡萬雄

摘要：在車載雷達(dá)檢測的使用中，對于微波的利用較為廣泛，其中關(guān)于微波的雷達(dá)的使用也非常的頻繁。在本文中，詳細(xì)的介紹了車載雷達(dá)中的調(diào)頻連續(xù)波的距離測定和速度測定，通過對于車載雷達(dá)的使用原理進(jìn)行分析，能夠更好的在實(shí)際操作中運(yùn)用出來。

關(guān)鍵詞：調(diào)頻連續(xù)波；車載雷達(dá)；雷達(dá)測距

中圖分類號：TP1 8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）27-6542-02

Abstract： In the use of radar vehicle detection， for microwave use widely， including the use of microwave radar is also very frequent. In this paper， a detailed introduction of the frequency modulated continuous wave radar vehicle in the distance measurement and velocity measurement， were analyzed by using the principle for vehicle borne radar， better in practice use.

Key words： frequency modulated continuous wave radar vehicle radar ranging

在上個世紀(jì)的八十年代，對于車載雷達(dá)的相關(guān)技術(shù)就得到了一定的使用，在車輛的發(fā)展進(jìn)程中，利用車載雷達(dá)來精確的計(jì)算出車輛之間的實(shí)際距離，以及車輛周圍物體的實(shí)際距離，通過模擬不同情況下的車輛行駛情況，來作為行車指導(dǎo)數(shù)據(jù)指標(biāo)。其中，最為關(guān)鍵的技術(shù)就是車輛行駛速度和距離的測定，下面我們就這兩項(xiàng)指標(biāo)在車載雷達(dá)中的測量方式進(jìn)行詳細(xì)的說明。

1 車載雷達(dá)測算的原理分析

在車載雷達(dá)的使用中，利用微波的相關(guān)原理，利用其工作方式簡單，波長較短，以及可以使天線的長度縮短等優(yōu)勢，更好的行車中測算相關(guān)的數(shù)據(jù)指標(biāo)，很好的將車輛進(jìn)行定位。同時在一些極端的天氣情況下，靠人眼無法進(jìn)行識別時，可以借助車載雷達(dá)來進(jìn)行智能化的探測。車載微波雷達(dá)使用的形式主要集中為兩種：一是利用脈沖式的多普勒雷達(dá)，另外一種是調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)。前者在使用中主要優(yōu)勢有：對于雷達(dá)系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度較高、得到的數(shù)據(jù)較為合理、系統(tǒng)模塊的更新程度較高。但是，該系統(tǒng)在實(shí)際的使用中并不是很普遍，鑒于其系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本高等原因。而調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)正好彌補(bǔ)這一不足之處。在通過使用連續(xù)的波長周期頻率對信號進(jìn)行發(fā)生，可以很清晰的在任何時候接收到發(fā)出的信號，在最短的時間內(nèi)得到汽車的距離和速度測算。

為了能夠更好的將汽車周圍的物體分析出來，便于駕駛?cè)藛T及時做出相關(guān)的分析，在雷達(dá)的信號發(fā)射區(qū)域設(shè)置有頻率的掃描功能，利用時域中的掃描頻率之間的最大值和最小值的差值來定義出信號輻射的區(qū)域，由此可以計(jì)算出該區(qū)域物體的大小，以及運(yùn)動軌跡。這種方式在對于靜態(tài)物體的探測方面有很好的效果，對于動態(tài)運(yùn)動的物體，根據(jù)探測的速度v來推導(dǎo)出波源的移動方式，在有時間差的情況下，以波長為λ的頻率比對波源發(fā)出的頻率，得到一個關(guān)于v/λ的量級變換：

2 調(diào)頻連續(xù)波車載雷達(dá)的內(nèi)部構(gòu)造

調(diào)頻連續(xù)波車載雷達(dá)中，主要的技術(shù)原件就是雷達(dá)系統(tǒng)的電路，整套系統(tǒng)在低頻微波的相關(guān)模塊配合下來實(shí)現(xiàn)波源的發(fā)射。在普通的調(diào)頻連續(xù)波車載雷達(dá)中，波源的頻段控制在63GHz以內(nèi)，利用單片集成的原理來完成電路的連接。同時在低頻信號模塊中，利用傳感裝置來實(shí)現(xiàn)信號的生成、信號的傳遞以及對于信號波長的控制。在單片集成中，使用的單片機(jī)是直接與電腦終端相互連接，可以對于電路起到控制和數(shù)據(jù)分析的作用，在模塊的數(shù)據(jù)采集中，根據(jù)不同的采樣方式來形成總體的采樣數(shù)據(jù)指標(biāo)，并在labview軟件的協(xié)助下，將既有的頻率資料進(jìn)行分析，最終將數(shù)據(jù)發(fā)送到調(diào)頻連續(xù)波接收裝置中，并利用濾波的原理，將頻率數(shù)值轉(zhuǎn)換為需要的速度和距離的數(shù)值。

在調(diào)頻連續(xù)波車載雷達(dá)的內(nèi)部構(gòu)造中，鎖相環(huán)是信號傳輸控制的重要環(huán)節(jié)。鎖相環(huán)是通過頻率合成的方式來將頻率整體的提升或是降低，利用多個參考數(shù)值來對參數(shù)進(jìn)行分析，以保證不同頻率下的形成距離和速度的測算。在鎖相環(huán)的電路當(dāng)中，使用了頻率的合成裝置和低頻濾波裝置，在整個電路中采用的是分環(huán)鎖定的連接模式，在頻率的合成之后，將數(shù)據(jù)信息反饋到濾波裝置中，并將調(diào)頻連續(xù)波的信號在振蕩器中輸入，進(jìn)過頻率的倍數(shù)升高（降低）來實(shí)現(xiàn)不同頻率信號發(fā)射的目的。接收端利用雷達(dá)中的信號信息，得到目標(biāo)物體的速度和距離，用這樣的方式更加明顯和快速的得出了車輛行駛中的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)。并且利用這樣的方式可以將調(diào)頻連續(xù)波車載雷達(dá)運(yùn)用在車輛的防撞中。

3 調(diào)頻連續(xù)波車載雷達(dá)的實(shí)踐

調(diào)頻連續(xù)波車載雷達(dá)在實(shí)踐中可以運(yùn)用在車輛的防撞方面。調(diào)頻連續(xù)波防撞雷達(dá)的構(gòu)造包括：信號的發(fā)生器、震動頻率器、收發(fā)天線、濾波器、鎖相環(huán)系統(tǒng)、數(shù)值分析裝置和報警裝置。

雷達(dá)通過信號的發(fā)射，在vco的調(diào)制下，由發(fā)射天線發(fā)出。在信號的傳遞中，一般產(chǎn)生的信號為三角波形和鋸齒波信號，根據(jù)vco調(diào)制方式不同，信號波長的幅度也會發(fā)生一定的變化，這也是評定信號傳遞穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，也是后期測算距離和速度的重要參考指標(biāo)。利用接收天線接收到的信號和之前的發(fā)射型號相互混頻，得到最終需要模擬出來的低頻信號源?？紤]到在發(fā)射過程中，低頻信號在傳播的方式上出現(xiàn)衰減的可能性較小，因此無須增加信號的強(qiáng)度，但是在傳遞的過程中還有其他的信號源的干擾，導(dǎo)致信號有雜波的現(xiàn)象，這就需要對低頻信號進(jìn)行放大處理，進(jìn)行濾波處理之后才能使用信號數(shù)據(jù)，并利用A/D的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)信號與數(shù)值之間的交換，最終得到處理的數(shù)據(jù)，計(jì)算出車輛周圍物體的速度和距離。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，報警模塊可以根據(jù)數(shù)據(jù)指示做出報警，來提示行駛?cè)藛T當(dāng)前狀態(tài)下的行駛情況，利用這樣的方式有效的降低了車輛撞擊造成的重大事故。

4 雷達(dá)防撞的研究進(jìn)展

我國在汽車防撞雷達(dá)的研究方面比較滯后，多數(shù)研究機(jī)構(gòu)都只針對雷達(dá)的某一部分進(jìn)行研究，也取得一些可喜的成果，但是受到器件、成本及技術(shù)等方面因素的影響，大多處于實(shí)驗(yàn)室階段，沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)研究所首次研制成功小型防撞雷達(dá)，其中關(guān)鍵的雷達(dá)前端芯片是國內(nèi)首次研制成功，擁有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)，但是制造成本很高，每套系統(tǒng)大約 6000 元。江蘇賽博電子有限公司與大專院校合作研制出一款 38GHz 汽車?yán)走_(dá)防撞系統(tǒng)。2008 年上海汽車電子工程中心研制出的SAE - 100 毫米波防撞雷達(dá)系統(tǒng)樣機(jī)采用 調(diào)頻連續(xù)波方案，工作頻率為 35GHz，測距范圍約 10Om。該系統(tǒng)采用 26dB 增益的小型喇 叭 天 線，發(fā) 射 功 率 為400mw 的波導(dǎo)前端，尺寸為 9cm × 15cm × 16cm。

電子科技大學(xué)對調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的體制和雷達(dá)的后期信號處理進(jìn)行了較為深入的研究。我國現(xiàn)有毫米波雷達(dá)主要工作于 40GHz 以下如 24GHz、35GHz等，這主要是由于器件成本以及測試設(shè)備方面的限的報道。我國對汽車防撞雷達(dá)的研究尚處于起始階段，還有很多的問題有待解決。

國際上對汽車防撞雷達(dá)的研究始于 20 世紀(jì) 60年代，研究主要在以德國、美國和日本為代表的西方發(fā)達(dá)國家內(nèi)展開。隨著微波技術(shù)理論及其器件集成技術(shù)的高速發(fā)展，以及處理器性價比的突飛猛進(jìn)，使得研制成本降低。再加之各國的ITS（智能交通系統(tǒng)）計(jì)劃全面啟動，對于防撞雷達(dá)系統(tǒng)的性能要求也大致達(dá)成了共識。于是汽車防撞雷達(dá)的研究成為近年來雷達(dá)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并且已經(jīng)研制出可供裝車使用的產(chǎn)品。如美國公共交通管理局研制的一種36GHz 汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)前方 30 ～45m 處有障礙物時可自動剎車。日本研制的一種 60GHz 脈沖多普勒體制汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)，作用距離 5 ～150m。豐田汽車公司使用毫米波雷達(dá)和 CCD 攝像機(jī)對前后車距進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，車距小于閾值時就發(fā)出警報。本田公司使用扇形激光束來掃描雷達(dá)傳感器，即使在彎道行駛也可以監(jiān)測前后車輛和障礙物的距離。

5 結(jié)束語

在本文中詳細(xì)的介紹了車載雷達(dá)中使用調(diào)頻連續(xù)波對車輛周圍物體的速度和距離的測算方式，根據(jù)對于發(fā)射和接受信號的方式分析得出相應(yīng)的結(jié)果。用這樣的方式能夠起到很好的車輛防撞功能。在今后的研究中，可以在信號的穩(wěn)定性和車輛撞擊預(yù)警方面進(jìn)行更多的研究，保證車輛在行駛過程中的安全。

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