車用毫米波防撞雷達測距系統(tǒng)的研究

高敬軒 莊秋慧 張進科 向友洪 姜文強 劉李龍

（重慶理工大學 電子信息與自動化學院，重慶404100）

1 引言

隨著現(xiàn)代社會工業(yè)化程度的迅速發(fā)展，汽車變得越來越普及，但交通事故也變得更加頻繁，對人們造成了巨大的生命和經(jīng)濟損失。而且人們對汽車駕駛過程當中安全性、舒適性要求的不斷提高，汽車雷達被廣泛地應用在汽車的自適應巡航系統(tǒng)，防碰撞系統(tǒng)以及駕駛支援系統(tǒng)中。其中，毫米波雷達因探測精度高、硬件體積小和不受惡劣天氣影響等優(yōu)點而被廣泛采用。

對大部分交通事故進行分析，事故都是因為司機反應不及所引起的，沒有及時意識到危險的存在。如果司機能提前知道自己處于危險行駛中，并盡快做出相應措施，就能大大減少此類交通事故的發(fā)生。在這種背景下，汽車雷達就以不同的方式應運而生[2]。

2 防撞雷達的方案選擇

當今社會有著各種不同的雷達方案，在各種領(lǐng)域都有著廣泛地應用。例如超聲波技術(shù)，視頻攝像圖形識別技術(shù)，激光定位技術(shù)，紅外成像技術(shù)，毫米波技術(shù)等[3]，每一種技術(shù)有著自己的特點，適用于不同的需求。就汽車雷達應用方面，毫米波技術(shù)具有著很大的優(yōu)勢。通過對在不同自然環(huán)境下，各種測距方式的效果進行比較可得表1。

表1 不同雷達技術(shù)在各種環(huán)境下的功能測試

由表1分析可得，在探測能力和抗干擾能力方面，毫米波技術(shù)都優(yōu)于其他方案，且能很好地防止虛警的發(fā)生，這些優(yōu)點讓毫米波成為汽車雷達方面的熱門技術(shù)。此次設(shè)計筆者選擇毫米波技術(shù)[4]作為汽車前后精確測量的方案。

3 線性調(diào)頻連續(xù)波（LFMCW）雷達測距系統(tǒng)

LFMCW雷達測距系統(tǒng)的工作原理:首先LFMCW毫米波雷達在系統(tǒng)控制下由天線發(fā)射信號，該信號遇目標后返回雷達進入混頻器與本振信號混頻，產(chǎn)生系統(tǒng)需要的目標中頻信號，然后中頻信號進入中頻放大濾波模塊進行放大濾波處理，最后由目標探測LFMCW雷達測距系統(tǒng)對此信號進行采集、顯示、存儲和后續(xù)的數(shù)字信號處理[5]。

發(fā)射頻率曲線（實線）接受頻率曲線（虛線）均成鋸齒狀，兩者存在一定時間延遲。發(fā)射和接收信號的頻率變化[6]如圖2所示。

圖1 LFMCW雷達測距系統(tǒng)的基本組成

圖2 LFMCW雷達發(fā)射和接收信號頻率-時間曲線

設(shè)發(fā)送信號和接收信號之間的時間延遲為Δt，車與障礙物（假設(shè)兩者相對靜止）之間距離為R，c為光速，則：

發(fā)射信號與接收信號的頻率差為混頻輸出的中頻信號頻率Δf，如圖3所示。

圖3 混和中頻信號

根據(jù)相似關(guān)系可得：

例 10 要防止和克服地方和部門保護主義、本位主義，決不允許“上有政策，下有對策”，決不允許有令不行、有禁不止，決不允許在貫徹執(zhí)行中央決策部署上打折扣、做選擇、搞變通。[1]386

其中T為調(diào)制三角波的周期，B為調(diào)頻帶寬。由（1）、（2）可得：，即待測距離R與雷達前段輸出的中頻頻率成正比[7]。

多數(shù)情況下，兩者不會保持靜止。當兩者相對運動時，根據(jù)多普勒效應，發(fā)射和接收信號將發(fā)生頻移fd。發(fā)射信號與接收信號進行混頻后，產(chǎn)生了差拍信號：

其中，fb+和fb-分別代表前半周期正向調(diào)頻和后半周期負向調(diào)頻所得的差頻，v為汽車和障礙物的徑向速度，f0為發(fā)射波的中心頻率。由（3）、（4）可得：

根據(jù)式a和式b所得的值，通過顯示模塊進行顯示，并判斷R和v是否超出安全范圍，若超出，則通過對應模塊進行聲光報警。

4 處理器的選擇與CAN總線

4.1 處理器的選擇

當下FPGA和DSP在雷達方面都有著不俗的發(fā)展。根據(jù)需求的不同，方案選擇也存在著差別。

FPGA：時序控制能力強（時序能力強，沒有指令周期，速度快），控制能力較強，數(shù)字信號處理及算法弱。

DSP和FPGA開發(fā)的區(qū)別：

DSP，專用電路通過對RAM內(nèi)部的指令和數(shù)據(jù)工作。所以開發(fā)遵循嵌入式軟件的設(shè)計原則。調(diào)試應更注重于算法的實現(xiàn)。而FPGA，ASIC一種,經(jīng)典FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是寄存器+組合邏輯，最后是按照邏輯電路進行設(shè)計。所以屬于硬件設(shè)計原則。調(diào)試除了需要關(guān)心功能以外，還需要關(guān)心電路方面的特性。比如說延遲，整體功率等等。

本測距系統(tǒng)主要注重于通過算法處理所接收的數(shù)據(jù)信號，通過DSP處理來達到雷達測距的目的。

4.2 CAN總線

為防止汽車在使用壽命期內(nèi)由于數(shù)據(jù)交換錯誤而對司機造成危險，汽車的安全系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳輸具有較高的安全性。從總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的角度看，可靠性可以理解為，對傳輸過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯誤的識別能力。

而CAN總線具有以下優(yōu)點：

4.2.1 廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼，可以多主方式工作。

4.2.2 采用非破壞性仲裁技術(shù)，當2個節(jié)點同時向網(wǎng)絡上傳送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突。

4.2.3 采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，數(shù)據(jù)傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短。

4.2.4 每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕m于在高干擾環(huán)境下使用。

4.2.5 節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其他操作不受影響。

4.2.6 可以點對點，一對多及廣播集中方式傳送和接收數(shù)據(jù)。具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點。

4.2.7 采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作。

5 結(jié)語

通過汽車雷達網(wǎng)絡的開發(fā)，可以帶動車載網(wǎng)絡技術(shù)、車載計算技術(shù)的發(fā)展，以便在即將形成的巨大的汽車雷達網(wǎng)絡系統(tǒng)行業(yè)爭得一席之地。隨著智能系統(tǒng)研究的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，防撞控制領(lǐng)域需要越來越多的雷達傳感器[8]，LFMCW毫米波雷達作為其中最具潛力的一種，前景一片光明。特別是隨著DSP的發(fā)展及其在這方面的優(yōu)越性，將使DSP在汽車雷達這方面得到更大的發(fā)展空間。

［1］丁鷺飛，耿富錄.雷達原理［M］.西安：西安電子科技大學，2002.

［2］任亞欣.汽車防撞雷達概述［J］.北京：科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2007，17（17）：153-154.

［3］趙樹杰.雷達信號處理技術(shù)［M］.北京：清華大學出版社，2010.

［4］鄭興林.毫米波汽車防撞雷達信號處理關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.成都電子科技大學，2007.

［5］楊建宇.線性調(diào)頻連續(xù)波雷達理論與實現(xiàn)［D］.成都電子科技大學，1991.

［6］張立志，汪學剛，向敬成.調(diào)頻線性度與LFMCW雷達距離分辨力的關(guān)系［J］.信號處理，1999（15）:93-97.

［7］姜行果.基于DDS的線性調(diào)頻雷達波形發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.北京：中國科學院研究生院，2007.

［8］任開春，涂亞慶.LFMCW雷達線性度的檢測新方法［J］.現(xiàn)代雷達，2006，28（8）：13-17.