雷達技術(shù)在汽車防撞安全系統(tǒng)的應(yīng)用

付曉海

【摘 要】隨著社會的進步，汽車是越來越普及，它給人們帶來便利的同時危害也越來越大。為了提高行車的安全性能，各種先進技術(shù)應(yīng)用在汽車上。本文重點研究了雷達技術(shù)在汽車主動安全領(lǐng)域的應(yīng)用，對毫米波雷達應(yīng)用到汽車安全系統(tǒng)的優(yōu)勢、工作原理、工作方式做了詳細的分析，并指出了汽車防撞雷達的技術(shù)突破方向。

【關(guān)鍵詞】 防撞雷達 汽車安全 測距測速

ITS（Intelligent Transportation System，智能交通系統(tǒng)）是通過現(xiàn)代化信息、通信等技術(shù)使用戶、車輛和道路密切配合，和諧統(tǒng)一，是目前世界上交通運輸科學的前沿技術(shù)，能夠使人們或貨物更高效、更快捷的流動。美國交通部研究認為，該系統(tǒng)每年可減少120萬次交通事故，大約可節(jié)省260億美元因交通堵塞及事故造成的損失。近年來，雷達技術(shù)在汽車主動安全系統(tǒng)得到了較好的應(yīng)用，自適應(yīng)巡航系統(tǒng)、側(cè)向輔助系統(tǒng)是可以主動輔助司機進行安全駕駛的主動安全系統(tǒng)，也是ITS中非常重要的組成部分，汽車前防撞雷達是其核心部件，能夠準確測出前方目標的速度和距離，按照已設(shè)定的報警參數(shù)向司機發(fā)出警報，并可以自動采取措施消除危險，對提高交通安全，降低交通事故發(fā)生、減少生命財產(chǎn)損失將起到重要作用，成為近年來研究與發(fā)展汽車安全系統(tǒng)的主流技術(shù)。國際上主要整車生產(chǎn)企業(yè)如豐田、寶馬、福特和通用等公司投入大量資金和技術(shù)研制汽車防撞雷達系統(tǒng)，并成功開發(fā)出能夠商業(yè)化的系統(tǒng)產(chǎn)品。隨著中國汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車消費的普及，交通擁堵已成為各大城市的普遍現(xiàn)象，加之經(jīng)常出現(xiàn)的霧霾、大霧天氣，能見度低，造成我國交通事故頻發(fā)，制約中國交通運輸?shù)陌l(fā)展，汽車防撞雷達技術(shù)的突破及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用將大幅減少交通事故，提高交通運輸效率。

1汽車防撞雷達發(fā)展歷程

國外對毫米波汽車防撞雷達的研究始于20世紀60年代，研究主要以美國、德國和日本為代表的發(fā)達國家內(nèi)展開。截止目前，從時間上大致可分為兩個階段。

第一階段：從20世紀60年代至70年代末期，此階段的特點是微波理論水平較低，電子器件集成技術(shù)落后，系統(tǒng)加工成本高，各國對于防撞雷達的性能要求缺少統(tǒng)一的標準，各國研制出的防撞雷達樣機的應(yīng)用效果差異較大。1969年，英國Lucas公司研制出中心頻率為24GHz的FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave，調(diào)頻連續(xù)波）毫米波雷達，但由于技術(shù)的限制，雷達尺寸較大，受當時微波技術(shù)發(fā)展的限制，到70年代發(fā)展一直很緩慢。

第二階段：從80年代中期至今，隨著微波技術(shù)理論及其器件集成技術(shù)的高速發(fā)展，以及微處理器價格的降低，研制低成本、高性能的防撞雷達成為可能。各個國家的ITS計劃全面啟動，對于防撞雷達的性能要求也大致達成了共識。進入90年代后，德國在該領(lǐng)域的研究處于領(lǐng)先地位。1997年Benz公司的汽車防撞雷達系統(tǒng)榮獲了德國的工業(yè)革新大獎。該雷達系統(tǒng)采用FMCW體制，工作頻率76GHz，發(fā)射功率3MW。雷達接收的目標反射信號通過信號處理器進行分析，根據(jù)信號處理結(jié)果自動控制汽車減速，跟前方目標保持一定距離。該雷達的有效探測距離為150米，能夠同時跟蹤30個目標。

此外，美國TRW公司、Delco公司、日本豐田公司、三菱公司和Denso公司、法國AutoCruise公司也開發(fā)出防撞雷達產(chǎn)品。由于該系統(tǒng)研制成本高，目前世界上裝配防撞雷達的汽車產(chǎn)品不多，僅在少量高檔豪華汽車上配備使用，如Benz的S系列、捷豹的XKR系列、Lexus的430系列、Audi的A8系列，以及凱迪拉克的DTS系列。

國內(nèi)對汽車防撞雷達系統(tǒng)的研究起步較晚，目前，在汽車防撞方面只局限于倒車雷達的研究與生產(chǎn)，至于前向探測雷達，尚處于初級階段。我國于 20 世紀 90 年代開始進行智能交通系統(tǒng)（ITS）的研究，并在 2000 年成立了政府協(xié)調(diào)領(lǐng)導機構(gòu)—全國智能運輸系統(tǒng)（ITS）協(xié)調(diào)指導小組及辦公室，旨在發(fā)展中國的 ITS，與此同時還成立了智能交通系統(tǒng)專家咨詢委員會。很多國內(nèi)研究學者也對此進行了深入的研究，研究內(nèi)容主要圍繞行車安全距離模型展開，并取得了一定的成果。目前國內(nèi)有中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、清華大學、南京理工大學、山東大學等研究機構(gòu)正在對汽車防撞系統(tǒng)進行研究，但尚處于起步階段，研制的樣機大多處于實驗室階段，雷達系統(tǒng)的體積、功能和可靠性與國外都有較大的差距，達到市場應(yīng)用階段還有一定距離。

2汽車主動防撞預警系統(tǒng)構(gòu)成

汽車主動防撞預警系統(tǒng)所采集的信息包括自車信息和前方目標信息。自車信息包括：自車車速、方向盤角度、制動踏板位置、節(jié)氣門開度和路面附著狀況等信息；目標信息包括：利用毫米波雷達傳感器對前方目標進行精確定位和分類信息。將自車信息和目標信息發(fā)送到CAN總線上，傳遞到車輛電子控制單元（ECU）的防撞系統(tǒng)控制模塊，防撞系控制模塊根據(jù)所采集的信息，作為輸入信號輸入到模塊的規(guī)避控制模塊，對所檢測目標進行危險等級分類。根據(jù)危險等級的不同，ECU發(fā)出三類不同危險程度的指令，控制執(zhí)行機構(gòu)的動作。臨界危險目標發(fā)出報警信號，報警系統(tǒng)工作；危險目標發(fā)出減速信號，減速系統(tǒng)工作；極限危險目標發(fā)出制動信號，制動系統(tǒng)工作。最終達到提醒或協(xié)助駕駛員做出合理的駕駛行為，對車輛的控制還是由駕駛員自己決定。

在汽車主動防撞預警系統(tǒng)中，毫米波雷達測量前方車輛、護欄、人員的距離和速度，分辨出不同的目標，哪些是危險目標、哪些是安全距離目標等是防撞預警系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，目標識別的正確與否可大幅降低虛警的數(shù)量，避免影響汽車的正常行駛，因此，車用測距雷達是各大整車企業(yè)、研發(fā)機構(gòu)正在努力突破的關(guān)鍵技術(shù)。

3防撞雷達測距測速的原理

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，先后出現(xiàn)的車用雷達有紅外線雷達、激光雷達、超聲波雷達、機器視覺雷達和毫米波雷達。紅外線雷達、激光雷達、超聲波雷達容易受外部環(huán)境影響產(chǎn)生偏差；機器視覺雷達價格高昂、較慢的成像速度及對軟、硬件的高要求阻礙了其發(fā)展。毫米波雷達測量距離的理論基礎(chǔ)是電磁波反射原理，毫米波是一種電磁波，其波長較短一般小于 10mm，頻率很高介于30GHz到300GHz之間。根據(jù)電磁波形式的不同，毫米波雷達分為脈沖式和調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）式兩種。一般情況下，車輛防撞預警系統(tǒng)采用的是30GHz 以上的調(diào)頻連續(xù)波式毫米波雷達。它具有波長短，穿透能力強的特點。即當所發(fā)射的斜率一定的連續(xù)調(diào)頻波信號遇到前方測量目標時會反射包含目標信息回波，系統(tǒng)通過將往返信號進行混頻處理得到差頻信號，從而計算得到目標的速度和相對距離。

3.1防撞雷達的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

毫米波雷達一般由四部分構(gòu)成，包括收發(fā)裝置，傳輸裝置，信號處理裝置和預警裝置。如圖1所示，為毫米波雷達的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 毫米波雷達的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，收發(fā)裝置指的是發(fā)射天線和接收天線；傳輸裝置包括信號源、壓控振蕩器、定向耦合器、發(fā)射機、接收機和混頻器；信號處理裝置包括放大器、濾波器、A/D 轉(zhuǎn)換和信號處理；預警裝置包括報警和顯示。

防撞預警雷達的收發(fā)裝置采用雙天線結(jié)構(gòu)形式。雙天線結(jié)構(gòu)擁有發(fā)射和接收兩個天線，很好的實現(xiàn)了收發(fā)隔離，對探測性的影響較小。如圖2所示，為雙天線毫米波雷達的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 雙天線毫米波雷達的結(jié)構(gòu)框圖

3.2測距測速原理

FMCW 信號的載波頻率與時間呈線性關(guān)系，通過對稱三角波對信號進行調(diào)制來獲得所需的信號波形。發(fā)射頻率通過三角波調(diào)制之后得到的頻率變化規(guī)律如圖3所示：

圖3 三角波頻率調(diào)制雷達工作原理圖

圖中 表示雷達信號發(fā)射機產(chǎn)生的較高頻率的發(fā)射頻率，其在一個周期內(nèi)的均值頻率為 ，三角波變化的周期和 變化的周期同為 。 表示目標截獲發(fā)射電磁波之后反射回來的信號頻率， 和 有著相同的變化規(guī)律，但從時間方面來看 相對于 會有 的延遲， 。 經(jīng)過三角波調(diào)制后獲得的頻率偏移的最大值為 ， 表示發(fā)射和接收信號的頻率差值， 來代表其頻率差值的均值：

如上圖所示， 與 的關(guān)系為：

差頻 為：

式（1）

調(diào)制頻率處于下降階段的半個周期內(nèi)， 的值小于零， 大于 ，但是兩個信號的頻率差依然滿足式（1）。然而與雷達相距為 的目標返回的電磁信號，在時間上忽略掉 這段時間之后（在 區(qū)間當中出現(xiàn)的差頻頻率分量很?。┯嘞碌倪@部分差頻是一個固定值。因此在三角波調(diào)制的 的時間內(nèi)差頻均值 有：

在實際的雷達測距應(yīng)用中，應(yīng)當保證距離測量值的單一性，因此 應(yīng)當滿足如下條件：

因此

上式便可以得到目標距離 為：

在式中 ，為調(diào)制的頻率。

當目標運動時，如果目標與雷達相距 ，目標擁有的徑向速度為 ，則運動目標返回的信號頻率為：

表示多普勒頻率，正號表示三角波調(diào)制信號前半周斜率為正的方面，負號表示三角波調(diào)制信號后半周斜率為負的方面。當 時，獲得的差頻為：

可求出目標的距離為：

如果測量得到 和 的值，便可通過計算得到運動目標徑向速度：

4汽車防撞雷達技術(shù)突破方向

隨著社會的發(fā)展和汽車數(shù)量的逐年增加，特別是未來智能汽車的出現(xiàn)，將極大的改變我們現(xiàn)有的生活方式。智能汽車是建立在汽車巡航雷達的基礎(chǔ)之上的，因此汽車防撞雷達是今后一個重要的發(fā)展方向。但由于環(huán)境的復雜性，汽車防撞雷達系統(tǒng)面對道路情況更多也更加復雜，需要考慮道路的平整性、崎嶇山路、急轉(zhuǎn)彎、涉水道路、隧道、橋梁、周邊行人、護欄、綠化帶、樹木、廣告牌等復雜情況以及道路的各種突發(fā)情況等做出正確的反應(yīng)，這些都是汽車雷達需要考慮的問題。因此，如何提高汽車雷達在實際運行當中的準確度、穩(wěn)定度和實時性，成為了防撞雷達數(shù)據(jù)處理所面臨的問題，未來的技術(shù)突破方向主要有：

（1）汽車防撞雷達在實際測試當中接收到多種噪聲的干擾，特別是當目標距離較遠時情況會變得更加嚴重，甚至影響目標的識別，出現(xiàn)虛假目標等情況，因此需要對噪聲的抑制進行更深入的研究。

（2）由于汽車在實際工作當中時常遇到各種突發(fā)情況，對于汽車防撞雷達來講實時性的要求非常高，因此在實時性方面也需要有進一步的提升。

（3）汽車雷達的探測不能單一地獲得前方目標的信息，還應(yīng)獲得汽車周邊物體的多種信息才有助于提高系統(tǒng)的安全性。因此，在汽車的左右方向與后方都應(yīng)有相應(yīng)的雷達設(shè)備，最大限度地保證系統(tǒng)的安全性與可靠性。

5結(jié)語

汽車防撞雷達技術(shù)含量高、涉及學科門類廣，需要國內(nèi)各領(lǐng)域的企業(yè)通力合作，突破關(guān)鍵技術(shù)，尤其要開展機械掃描、透鏡、相控陣等天線形式的雷達及微波組件的研制。同時，雷達組件的研制是建立在國家微電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)之上的，而我國的微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后，無法為國內(nèi)提供高質(zhì)量、低成本的微電子產(chǎn)品。而向國外定制采購將大幅提高產(chǎn)品成本，影響國內(nèi)企業(yè)的競爭力。因此，需要我國加快提升微電子生產(chǎn)、組裝的技術(shù)水平，與國內(nèi)汽車防撞雷達研發(fā)單位同步發(fā)展，為我國開展汽車防撞雷達的生產(chǎn)提供基礎(chǔ)條件，研制出具有自主國內(nèi)知識產(chǎn)權(quán)的汽車防撞雷達，順利參與全球競爭。

參考文獻：

[1] 戎輝，龔進峰 等.智能安全車輛技術(shù)前沿跟蹤.中國汽車技術(shù)研究中心，天津：2010.

[2] 鄧湖明.汽車巡航雷達信號處理單元研究與實現(xiàn).西安：西安電子科技大學，2014.

[3 韓星.基于毫米波雷達的汽車主動防撞預警目標識別.吉林：吉林大學，2013.

[4] 姚丁茂.大客車防撞預警系統(tǒng)仿真平臺的開發(fā)研究.長安：長安大學，2014.