雷達(dá)技術(shù)在汽車防撞安全系統(tǒng)的應(yīng)用

付曉海

(上海航天技術(shù)研究院,上海 201109)

雷達(dá)技術(shù)在汽車防撞安全系統(tǒng)的應(yīng)用

付曉海

(上海航天技術(shù)研究院,上海 201109)

隨著社會(huì)的進(jìn)步,汽車是越來(lái)越普及,它給人們帶來(lái)便利的同時(shí)危害也越來(lái)越大。為了提高行車的安全性能,各種先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用在汽車上。本文重點(diǎn)研究了雷達(dá)技術(shù)在汽車主動(dòng)安全領(lǐng)域的應(yīng)用,對(duì)毫米波雷達(dá)應(yīng)用到汽車安全系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)、工作原理、工作方式做了詳細(xì)的分析,并指出了汽車防撞雷達(dá)的技術(shù)突破方向。

防撞雷達(dá) 汽車安全 測(cè)距測(cè)速

ITS(Intelligent Transportation System，智能交通系統(tǒng))是通過(guò)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(yùn)輸科學(xué)的前沿技術(shù)，能夠使人們或貨物更高效、更快捷的流動(dòng)。美國(guó)交通部研究認(rèn)為，該系統(tǒng)每年可減少120萬(wàn)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(lái)，雷達(dá)技術(shù)在汽車主動(dòng)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(dòng)輔助司機(jī)進(jìn)行安全駕駛的主動(dòng)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(dá)是其核心部件，能夠準(zhǔn)確測(cè)出前方目標(biāo)的速度和距離，按照已設(shè)定的報(bào)警參數(shù)向司機(jī)發(fā)出警報(bào)，并可以自動(dòng)采取措施消除危險(xiǎn)，對(duì)提高交通安全，降低交通事故發(fā)生、減少生命財(cái)產(chǎn)損失將起到重要作用，成為近年來(lái)研究與發(fā)展汽車安全系統(tǒng)的主流技術(shù)。國(guó)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(dá)系統(tǒng)，并成功開(kāi)發(fā)出能夠商業(yè)化的系統(tǒng)產(chǎn)品。隨著中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車消費(fèi)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(jiàn)度低，造成我國(guó)交通事故頻發(fā)，制約中國(guó)交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，汽車防撞雷達(dá)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(yùn)輸效率。

1 汽車防撞雷達(dá)發(fā)展歷程

國(guó)外對(duì)毫米波汽車防撞雷達(dá)的研究始于20世紀(jì)60年代，研究主要以美國(guó)、德國(guó)和日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家內(nèi)展開(kāi)。截止目前，從時(shí)間上大致可分為兩個(gè)階段。

圖1 毫米波雷達(dá)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

第一階段：從20世紀(jì)60年代至70年代末期，此階段的特點(diǎn)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(guó)對(duì)于防撞雷達(dá)的性能要求缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各國(guó)研制出的防撞雷達(dá)樣機(jī)的應(yīng)用效果差異較大。1969年，英國(guó)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(dá)，但由于技術(shù)的限制，雷達(dá)尺寸較大，受當(dāng)時(shí)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(jià)格的降低，研制低成本、高性能的防撞雷達(dá)成為可能。各個(gè)國(guó)家的ITS計(jì)劃全面啟動(dòng)，對(duì)于防撞雷達(dá)的性能要求也大致達(dá)成了共識(shí)。進(jìn)入90年代后，德國(guó)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(dá)系統(tǒng)榮獲了德國(guó)的工業(yè)革新大獎(jiǎng)。該雷達(dá)系統(tǒng)采用FMCW體制，工作頻率76GHz，發(fā)射功率3MW。雷達(dá)接收的目標(biāo)反射信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理器進(jìn)行分析，根據(jù)信號(hào)處理結(jié)果自動(dòng)控制汽車減速，跟前方目標(biāo)保持一定距離。該雷達(dá)的有效探測(cè)距離為150米，能夠同時(shí)跟蹤30個(gè)目標(biāo)。

此外，美國(guó)TRW公司、Delco公司、日本豐田公司、三菱公司和Denso公司、法國(guó)AutoCruise公司也開(kāi)發(fā)出防撞雷達(dá)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(dá)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。

圖2 雙天線毫米波雷達(dá)的結(jié)構(gòu)框圖

圖3 三角波頻率調(diào)制雷達(dá)工作原理圖

國(guó)內(nèi)對(duì)汽車防撞雷達(dá)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?yán)走_(dá)的研究與生產(chǎn)，至于前向探測(cè)雷達(dá)，尚處于初級(jí)階段。我國(guó)于 20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)始進(jìn)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(dǎo)機(jī)構(gòu)—全國(guó)智能運(yùn)輸系統(tǒng)(ITS)協(xié)調(diào)指導(dǎo)小組及辦公室，旨在發(fā)展中國(guó)的 ITS，與此同時(shí)還成立了智能交通系統(tǒng)專家咨詢委員會(huì)。很多國(guó)內(nèi)研究學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了深入的研究，研究?jī)?nèi)容主要圍繞行車安全距離模型展開(kāi)，并取得了一定的成果。目前國(guó)內(nèi)有中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、清華大學(xué)、南京理工大學(xué)、山東大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)正在對(duì)汽車防撞系統(tǒng)進(jìn)行研究，但尚處于起步階段，研制的樣機(jī)大多處于實(shí)驗(yàn)室階段，雷達(dá)系統(tǒng)的體積、功能和可靠性與國(guó)外都有較大的差距，達(dá)到市場(chǎng)應(yīng)用階段還有一定距離。

2 汽車主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成

汽車主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)所采集的信息包括自車信息和前方目標(biāo)信息。自車信息包括：自車車速、方向盤角度、制動(dòng)踏板位置、節(jié)氣門開(kāi)度和路面附著狀況等信息；目標(biāo)信息包括：利用毫米波雷達(dá)傳感器對(duì)前方目標(biāo)進(jìn)行精確定位和分類信息。將自車信息和目標(biāo)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(hào)輸入到模塊的規(guī)避控制模塊，對(duì)所檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)行危險(xiǎn)等級(jí)分類。根據(jù)危險(xiǎn)等級(jí)的不同，ECU發(fā)出三類不同危險(xiǎn)程度的指令，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。臨界危險(xiǎn)目標(biāo)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，報(bào)警系統(tǒng)工作；危險(xiǎn)目標(biāo)發(fā)出減速信號(hào)，減速系統(tǒng)工作；極限危險(xiǎn)目標(biāo)發(fā)出制動(dòng)信號(hào)，制動(dòng)系統(tǒng)工作。最終達(dá)到提醒或協(xié)助駕駛員做出合理的駕駛行為，對(duì)車輛的控制還是由駕駛員自己決定。

在汽車主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)中，毫米波雷達(dá)測(cè)量前方車輛、護(hù)欄、人員的距離和速度，分辨出不同的目標(biāo)，哪些是危險(xiǎn)目標(biāo)、哪些是安全距離目標(biāo)等是防撞預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，目標(biāo)識(shí)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(cè)距雷達(dá)是各大整車企業(yè)、研發(fā)機(jī)構(gòu)正在努力突破的關(guān)鍵技術(shù)。

3 防撞雷達(dá)測(cè)距測(cè)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(dá)有紅外線雷達(dá)、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、機(jī)器視覺(jué)雷達(dá)和毫米波雷達(dá)。紅外線雷達(dá)、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)容易受外部環(huán)境影響產(chǎn)生偏差；機(jī)器視覺(jué)雷達(dá)價(jià)格高昂、較慢的成像速度及對(duì)軟、硬件的高要求阻礙了其發(fā)展。毫米波雷達(dá)測(cè)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(zhǎng)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(dá)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(yù)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(dá)。它具有波長(zhǎng)短，穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)。即當(dāng)所發(fā)射的斜率一定的連續(xù)調(diào)頻波信號(hào)遇到前方測(cè)量目標(biāo)時(shí)會(huì)反射包含目標(biāo)信息回波，系統(tǒng)通過(guò)將往返信號(hào)進(jìn)行混頻處理得到差頻信號(hào)，從而計(jì)算得到目標(biāo)的速度和相對(duì)距離。

3.1 防撞雷達(dá)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

毫米波雷達(dá)一般由四部分構(gòu)成，包括收發(fā)裝置，傳輸裝置，信號(hào)處理裝置和預(yù)警裝置。如圖1所示，為毫米波雷達(dá)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(hào)源、壓控振蕩器、定向耦合器、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和混頻器；信號(hào)處理裝置包括放大器、濾波器、A/D 轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理；預(yù)警裝置包括報(bào)警和顯示。

防撞預(yù)警雷達(dá)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(gè)天線，很好的實(shí)現(xiàn)了收發(fā)隔離，對(duì)探測(cè)性的影響較小。如圖2所示，為雙天線毫米波雷達(dá)的結(jié)構(gòu)框圖。

3.2 測(cè)距測(cè)速原理

FMCW 信號(hào)的載波頻率與時(shí)間呈線性關(guān)系，通過(guò)對(duì)稱三角波對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制來(lái)獲得所需的信號(hào)波形。發(fā)射頻率通過(guò)三角波調(diào)制之后得到的頻率變化規(guī)律如圖3所示：

圖中tf表示雷達(dá)信號(hào)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的較高頻率的發(fā)射頻率，其在一個(gè)周期內(nèi)的均值頻率為 ft0，三角波變化的周期和 ft0變化的周期同為 Tm。 fr表示目標(biāo)截獲發(fā)射電磁波之后反射回來(lái)的信號(hào)頻率，fr和 ft有著相同的變化規(guī)律，但從時(shí)間方面來(lái)看 fr相對(duì)于 ft會(huì)有tR的延遲， tR= 2 R0/c。 ft經(jīng)過(guò)三角波調(diào)制后獲得的頻率偏移的最大值為 ± Δ f， fb表示發(fā)射和接收信號(hào)的頻率差值， fbav來(lái)代表其頻率差值的均值：

如上圖所示，tf與rf的關(guān)系為：

差頻bf為：

調(diào)制頻率處于下降階段的半個(gè)周期內(nèi)， d f/dt的值小于零， fr大于 ft，但是兩個(gè)信號(hào)的頻率差依然滿足式(1)。然而與雷達(dá)相距為R的目標(biāo)返回的電磁信號(hào)，在時(shí)間上忽略掉 2 R0/c這段時(shí)間之后(在2 R0/c區(qū)間當(dāng)中出現(xiàn)的差頻頻率分量很小)余下的這部分差頻是一個(gè)固定值。因此在三角波調(diào)制的 Tm的時(shí)間內(nèi)差頻均值 fbav有：

在實(shí)際的雷達(dá)測(cè)距應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)保證距離測(cè)量值的單一性，因此mT應(yīng)當(dāng)滿足如下條件：

上式便可以得到目標(biāo)距離 R為：

在式中 fm= 1/T，為調(diào)制的頻率。

當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果目標(biāo)與雷達(dá)相距 R，目標(biāo)擁有的徑向速度為 v，則運(yùn)動(dòng)目標(biāo)返回的信號(hào)頻率為：

fd表示多普勒頻率，正號(hào)表示三角波調(diào)制信號(hào)前半周斜率為正的方面，負(fù)號(hào)表示三角波調(diào)制信號(hào)后半周斜率為負(fù)的方面。當(dāng)fd＜ fbar時(shí)，獲得的差頻為：

可求出目標(biāo)的距離為：

如果測(cè)量得到bf+和bf-的值，便可通過(guò)計(jì)算得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)徑向速度：

4 汽車防撞雷達(dá)技術(shù)突破方向

············

隨著社會(huì)的發(fā)展和汽車數(shù)量的逐年增加，特 別是未 來(lái)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(dá)的基礎(chǔ)之上的，因此汽車防撞雷達(dá)是今后一個(gè)重要的發(fā)展方向。但由于環(huán)境的復(fù)雜性，汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)面對(duì)道路情況更多也更加復(fù)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(hù)欄、綠化帶、樹(shù)木、廣告牌等復(fù)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?yán)走_(dá)需要考慮的問(wèn)題。因此，如何提高汽車?yán)走_(dá)在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度和實(shí)時(shí)性，成為了防撞雷達(dá)數(shù)據(jù)處理所面臨的問(wèn)題，未來(lái)的技術(shù)突破方向主要有：

(1)汽車防撞雷達(dá)在實(shí)際測(cè)試當(dāng)中接收到多種噪聲的干擾，特別是當(dāng)目標(biāo)距離較遠(yuǎn)時(shí)情況會(huì)變得更加嚴(yán)重，甚至影響目標(biāo)的識(shí)別，出現(xiàn)虛假目標(biāo)等情況，因此需要對(duì)噪聲的抑制進(jìn)行更深入的研究。

(2)由于汽車在實(shí)際工作當(dāng)中時(shí)常遇到各種突發(fā)情況，對(duì)于汽車防撞雷達(dá)來(lái)講實(shí)時(shí)性的要求非常高，因此在實(shí)時(shí)性方面也需要有進(jìn)一步的提升。

(3)汽車?yán)走_(dá)的探測(cè)不能單一地獲得前方目標(biāo)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(dá)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(yǔ)

汽車防撞雷達(dá)技術(shù)含量高、涉及學(xué)科門類廣，需要國(guó)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(kāi)展機(jī)械掃描、透鏡、相控陣等天線形式的雷達(dá)及微波組件的研制。同時(shí)，雷達(dá)組件的研制是建立在國(guó)家微電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)之上的，而我國(guó)的微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后，無(wú)法為國(guó)內(nèi)提供高質(zhì)量、低成本的微電子產(chǎn)品。而向國(guó)外定制采購(gòu)將大幅提高產(chǎn)品成本，影響國(guó)內(nèi)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。因此，需要我國(guó)加快提升微電子生產(chǎn)、組裝的技術(shù)水平，與國(guó)內(nèi)汽車防撞雷達(dá)研發(fā)單位同步發(fā)展，為我國(guó)開(kāi)展汽車防撞雷達(dá)的生產(chǎn)提供基礎(chǔ)條件，研制出具有自主國(guó)內(nèi)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的汽車防撞雷達(dá)，順利參與全球競(jìng)爭(zhēng)。

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

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