小型高精度防撞雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

車　俐，白云浩，蔣留兵

(廣西無(wú)線寬帶通信與信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(桂林電子科技大學(xué))),　桂林 541004)

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·信號(hào)處理·

小型高精度防撞雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

車?yán)?，白云浩，蔣留兵

(廣西無(wú)線寬帶通信與信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(桂林電子科技大學(xué))),桂林 541004)

針對(duì)國(guó)內(nèi)汽車防撞雷達(dá)領(lǐng)域存在問(wèn)題，研究小型化高精度防撞雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，詳細(xì)分析信號(hào)處理流程，確定合適的雷達(dá)信號(hào)處理方法。結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和處理方案計(jì)算出適合駕車環(huán)境的系統(tǒng)參數(shù)，通過(guò)系統(tǒng)仿真驗(yàn)證其有效性。并在小型化和低成本的條件下，提出基于Super-SVA方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離分辨率的提高。確保雷達(dá)系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)槌杀締?wèn)題限制其檢測(cè)性能。最后，對(duì)實(shí)例化樣機(jī)進(jìn)行外場(chǎng)功能測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)方案的可行性。

小型化；高精度；防撞雷達(dá)；Super-SVA

0　引　言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路交通運(yùn)輸量日益增大，汽車保有量也不斷增加，在它給人類社會(huì)帶來(lái)便利的同時(shí)，隨之而來(lái)的問(wèn)題是:隨著汽車數(shù)量的快速增加，交通事故頻繁發(fā)生，由此導(dǎo)致的生命財(cái)產(chǎn)損失數(shù)目驚人。對(duì)公路交通事故的研究表明，80%以上的車禍?zhǔn)怯捎隈{駛員反應(yīng)不及所引起。奔馳汽車公司對(duì)各類交通事故的研究表明，若駕駛員能夠提早1 s意識(shí)到事故危險(xiǎn)并采取相應(yīng)的正確措施，則絕大多數(shù)的交通事故都可以避免。因此，大力研究汽車防撞主動(dòng)輔助安全裝置是非常必要的。

雷達(dá)能夠在雨天、霧天、黑夜等惡劣環(huán)境中探測(cè)目標(biāo)，不受天氣狀況的影響全天候地工作，并且能夠完成高精度的目標(biāo)距離和相對(duì)速度信息的檢測(cè)任務(wù)。汽車上采用雷達(dá)作為防撞的系統(tǒng)可以大大降低交通事故發(fā)生率[1-2]，同時(shí)也為汽車自動(dòng)駕駛技術(shù)的實(shí)現(xiàn)做鋪墊。目前，汽車防撞雷達(dá)主要由美國(guó)、歐洲以及日本為首的發(fā)達(dá)國(guó)家占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位，市面上已有數(shù)款產(chǎn)品應(yīng)用在汽車上。自從2000年以來(lái)博世推出第一代汽車防撞雷達(dá)，至今已經(jīng)研制到第三代，其尺寸相對(duì)于第一代減小了三分之二，并且成本也降低了，這使得防撞雷達(dá)走進(jìn)小型轎車成為可能。在24 GHz的防撞雷達(dá)產(chǎn)品中，德國(guó)的HELLA公司極具代表性，該公司雷達(dá)采用FMCW信號(hào)體制[3-5]，信號(hào)最小帶寬為200 MHz，重復(fù)周期小于50 ms，測(cè)距范圍為0.75 m～70 m，距離分辨率為1 m。

在汽車防撞雷達(dá)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)與國(guó)外技術(shù)相比有較大差距，并且沒(méi)有比較成熟的市場(chǎng)產(chǎn)品。主要問(wèn)題在于：

(1) 目前國(guó)內(nèi)的研究主要參照國(guó)外現(xiàn)有的雷達(dá)體

制進(jìn)行仿制，并沒(méi)有從雷達(dá)系統(tǒng)角度進(jìn)行完整的理論設(shè)計(jì)及研究。

(2) 性能方面與國(guó)外相比分辨率低。

(3) 在小型化方面受工藝影響實(shí)際體積遠(yuǎn)大于國(guó)外成熟產(chǎn)品。

隨著微波器件和集成技術(shù)的發(fā)展，24 GHz頻段的微波集成芯片技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)完善，集成的商用24 GHz前端收發(fā)芯片已出現(xiàn)，成本更低，體積更小，國(guó)內(nèi)測(cè)試設(shè)備也比較完善，因而24 GHz是我國(guó)汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用頻段的較好選擇。并且工業(yè)和信息化部于2012年正式發(fā)布《工業(yè)和信息化部關(guān)于發(fā)布24GHz頻段短距離車載雷達(dá)設(shè)備使用頻率的通知》，將24.25 GHz～26.65 GHz頻段規(guī)劃用于24 GHz短距離車載雷達(dá)設(shè)備使用。為了實(shí)現(xiàn)小型化和低成本的集成應(yīng)用，本文選用24 GHz頻段作為汽車防撞雷達(dá)頻段。

本文圍繞24 GHz FMCW汽車防撞雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)展開，從提高雷達(dá)的檢測(cè)能力，實(shí)現(xiàn)低成本、小型化產(chǎn)品兩個(gè)方面著手開展研究并予以實(shí)現(xiàn)。

1　汽車防撞雷達(dá)信號(hào)處理方案

汽車防撞雷達(dá)必須達(dá)到以下要求：系統(tǒng)穩(wěn)定性能好；有較高的測(cè)距、測(cè)速精度；成本較低；體積小和功耗低。因此，信號(hào)處理方案設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下三點(diǎn)：

(1) 在保證良好的目標(biāo)檢測(cè)概率的條件下應(yīng)選用簡(jiǎn)單易行的算法，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

(2) 在傳統(tǒng)雷達(dá)測(cè)距方法的基礎(chǔ)上，適當(dāng)對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)同條件下有較高的測(cè)距精度。

(3) 信號(hào)處理方案選擇時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮到實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，應(yīng)盡量提高功能的集成化程度，減少芯片的使用數(shù)目，以達(dá)到降低成本、減小體積和功耗的目的。

雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)處理流程，如圖1所示。由三角波調(diào)制產(chǎn)生器生成數(shù)字的三角波調(diào)制電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片得到模擬信號(hào)控制壓控振蕩器(VCO)輸出中心頻率為24.5 GHz帶寬為150 MHz的兩路三角波調(diào)頻信號(hào)，一路送至射頻放大器后，接入天線發(fā)射，另一路引入接收之路作為下混頻本振。接收部分，天線接收到的目標(biāo)回波經(jīng)過(guò)射頻放大后進(jìn)行正交下混頻得到I、Q兩路零中頻信號(hào)，經(jīng)中頻放大后進(jìn)入帶通濾波器濾除帶外干擾并進(jìn)行自動(dòng)增益控制后對(duì)其進(jìn)行采樣量化，進(jìn)入數(shù)字處理器進(jìn)行信號(hào)處理。信號(hào)處理部分首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行復(fù)數(shù)FFT運(yùn)算得到快時(shí)間維的目標(biāo)信息；經(jīng)過(guò)N個(gè)周期的脈沖積累后對(duì)慢時(shí)間維進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD)處理實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)的雜波抵消；最后經(jīng)過(guò)求模和數(shù)據(jù)重排后通過(guò)閾值檢測(cè)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)判決得到目標(biāo)信息。

圖1　雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)處理流程圖

2　系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

24 GHz汽車防撞雷達(dá)主要應(yīng)用于中短距離的目標(biāo)探測(cè)任務(wù)，主要指標(biāo)要求如表1所示，要求雷達(dá)作用距離大于5 m小于150 m。主要探測(cè)目標(biāo)為汽車，因此相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度最高為120 km/h，即33.3 m/s，分辨率要求小于5 km/h，即1.4 m/s。

表1　汽車前向防撞雷達(dá)主要指標(biāo)

因?yàn)槿钦{(diào)頻連續(xù)波信號(hào)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低，系統(tǒng)可靠性好，所以本系統(tǒng)采用三角調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)。三角調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)其本質(zhì)可以看作兩個(gè)LFMCW信號(hào)的拼接，其中上掃頻信號(hào)與下掃頻信號(hào)的距離速度耦合方式相反。因此，通過(guò)和差進(jìn)而實(shí)現(xiàn)距離速度去耦合。根據(jù)式(1)可知，要達(dá)到1 m的分辨率信號(hào)帶寬B需要150 MHz。綜合考慮接收機(jī)中頻輸出頻帶寬度對(duì)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的影響，本文最大中頻帶寬Fmax取500 kHz，根據(jù)式(2)得到三角調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)重復(fù)周期最小不得小于0.2 ms。其中，B取150 MHz，Rmax取100 m，c為光速。

(1)

(2)

為保證信噪比的提高，取相干積累時(shí)間(CPI)為16個(gè)周期。參考文獻(xiàn)[6]得到式(3)粗略計(jì)算出16個(gè)脈沖近似的信噪比(S/N)n約為4.05 dB。

lg(A+0.12AB+1.7B)

(3)

其中

式中：n為相干積累周期數(shù)；Pfa為虛警概率；Pd為檢測(cè)概率。雷達(dá)的距離分辨率與采樣率有關(guān)系，如式(4)

(4)

實(shí)際快速傅里葉變換(FFT)的運(yùn)算點(diǎn)數(shù)通常取512。根據(jù)上式計(jì)算得到所需要的采樣頻率fs為512 kHz。采樣頻率的確定為CPU的容量以及AD芯片采樣速率的選擇奠定基礎(chǔ)。

3　小型化信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)字信號(hào)處理模塊主要包括AD、DA以及CPU器件，其主要功能是完成模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理計(jì)算等任務(wù)。

在小型化設(shè)計(jì)時(shí)，由于各元件間距較小所產(chǎn)生電磁干擾問(wèn)題增大，同時(shí)該模塊是數(shù)模混合電路。因此，在印制電路板(PCB)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)各個(gè)模塊加以電磁屏蔽，以保證各模塊間的干擾最小。PCB布線時(shí)對(duì)重點(diǎn)模塊AD、DA、時(shí)鐘、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)假裝屏蔽罩，對(duì)整個(gè)數(shù)字板加入屏蔽環(huán)路以提高電路的抗電磁干擾能力。圖2為PCB布局圖和信號(hào)處理模塊實(shí)物圖。信號(hào)處理模塊長(zhǎng)寬尺寸為80 mm × 80 mm。

圖2　PCB布局及實(shí)物圖

4　高分辨率多目標(biāo)檢測(cè)算法

針對(duì)多目標(biāo)檢測(cè)問(wèn)題，從發(fā)射波形改進(jìn)和雷達(dá)信號(hào)處理兩方面著手解決。設(shè)計(jì)易于產(chǎn)生、抗干擾性能強(qiáng)、具有良好多目標(biāo)檢測(cè)性能的雷達(dá)發(fā)射波形，配以相應(yīng)的多目標(biāo)判決算法，以達(dá)到準(zhǔn)確進(jìn)行多目標(biāo)檢測(cè)的目的。本系統(tǒng)采用改進(jìn)型變周期LFMCW雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。先采用MTD抑制雜波，簡(jiǎn)化目標(biāo)環(huán)境，并進(jìn)行恒虛警處理。根據(jù)同一目標(biāo)在上、下掃頻段的頻譜以實(shí)際位置為對(duì)稱軸的偏離，按多普勒通道是否相同對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分組，這樣可以減少后續(xù)目標(biāo)配對(duì)的復(fù)雜度。

雷達(dá)系統(tǒng)的距離分辨率本質(zhì)上受波形自身帶寬的限制。若信號(hào)帶寬越寬則雷達(dá)距離分辨率越高。但是發(fā)射信號(hào)帶寬受多方面制約，在低成本和小型化車載防撞雷達(dá)設(shè)計(jì)中發(fā)射機(jī)帶寬相對(duì)較小，使得雷達(dá)系統(tǒng)的距離分辨率不理想。為實(shí)現(xiàn)有限帶寬下的超分辨率檢測(cè)，本文將Super-SVA[7-9]應(yīng)用到防撞雷達(dá)系統(tǒng)。

5　Super-SVA算法在防撞雷達(dá)中的應(yīng)用

Super-SVA是在SVA的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的超分辨率方法，其通過(guò)基帶回波信號(hào)脈壓后，進(jìn)行SVA處理抑制旁瓣。由于只保留了主瓣信息，等同于時(shí)域截?cái)?，因此頻譜被擴(kuò)展。再通過(guò)頻譜幅度反加權(quán)函數(shù)對(duì)頻譜幅度進(jìn)行修正。最后經(jīng)過(guò)逆快速傅里葉變換(IFFT)后，就得到超分辨率的目標(biāo)。其信號(hào)處理流程如圖3所示。

圖3　Super-SVA的算法流程圖

其步驟為：

(1)發(fā)送一個(gè)LFM信號(hào)或單頻信號(hào)。

(2)若發(fā)送LFM信號(hào)，則②為回波經(jīng)過(guò)脈沖壓縮后的結(jié)果。若發(fā)送為單頻信號(hào)，則②為回波經(jīng)過(guò)FFT后的結(jié)果。

(3)此時(shí)，通過(guò)SVA等算法，將旁瓣去掉。

(4)由于③中信號(hào)在時(shí)域被截?cái)啵瑢?dǎo)致信號(hào)在頻域被展寬。此時(shí)，對(duì)其進(jìn)行反向加權(quán)和截?cái)唷?目的在于將其頻譜幅度再次轉(zhuǎn)化為矩形包絡(luò))。

(5)此時(shí)，這里表示已經(jīng)進(jìn)行了頻域幅度修正后的結(jié)果，可以看到頻譜兩邊都拓寬了40%。

(6)將頻譜拓展后的信號(hào)轉(zhuǎn)換到時(shí)域，脈沖寬度就被縮小了。(因?yàn)槊}沖寬度為帶寬的倒數(shù)，此時(shí)脈沖寬度為原來(lái)的0.71倍)。

結(jié)合在汽車防撞雷達(dá)的應(yīng)用，場(chǎng)景中有兩個(gè)目標(biāo)，分別與雷達(dá)相距50 m、50.8 m目標(biāo)相對(duì)靜止，根據(jù)第4節(jié)所設(shè)計(jì)得到的雷達(dá)系統(tǒng)帶寬為150 MHz，差頻輸出采樣頻率選擇512 kHz，重復(fù)周期為1 ms。如果采用該設(shè)計(jì)參數(shù)無(wú)法識(shí)別出距離差小于1 m的兩個(gè)目標(biāo)。現(xiàn)將Super-SVA算法應(yīng)用于系統(tǒng)內(nèi)，采集到I、Q兩路輸出如圖4所示，圖中含有較高的噪聲并不能有效分辨出目標(biāo)，根據(jù)信號(hào)處理方案經(jīng)過(guò)FFT后得到的結(jié)果，如圖5所示，近距離的位置為近地雜波，同時(shí)發(fā)現(xiàn)真實(shí)目標(biāo)出現(xiàn)譜峰分裂情況，出現(xiàn)該情況是由于兩個(gè)目標(biāo)十分接近兩譜峰沒(méi)有完全分辨導(dǎo)致。根據(jù)Super-SVA算法產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的反加權(quán)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)原有信號(hào)頻域外推。再經(jīng)過(guò)第二次FFT結(jié)果如圖6所示。與圖5對(duì)比可以看出該算法有效地提高了目標(biāo)分辨能力。

圖4　時(shí)域回波信號(hào)

圖5　差頻信號(hào)FFT結(jié)果

圖6　經(jīng)過(guò)Super-SVA的輸出結(jié)果

6　外場(chǎng)測(cè)試及結(jié)果分析

圖7所示為防撞雷達(dá)樣機(jī)的實(shí)物照片，主要分為五個(gè)部分：天線、射頻模塊、中頻模塊、數(shù)字模塊以及外殼。

圖7　系統(tǒng)實(shí)物圖

為了全面有效地評(píng)估設(shè)備實(shí)際性能，分別進(jìn)行了以下兩種場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)：

(1)在開闊環(huán)境下，用汽車作為被測(cè)量對(duì)象檢驗(yàn)系統(tǒng)作用距離以及距離測(cè)量精度，并分析誤差來(lái)源。

(2)較為復(fù)雜的環(huán)境下，周圍環(huán)境有大量綠化帶、樓宇等，用汽車作為被測(cè)量對(duì)象檢驗(yàn)雷達(dá)在該環(huán)境下的性能衰減程度。

對(duì)開闊環(huán)境和復(fù)雜環(huán)境下的測(cè)量數(shù)據(jù)(表2)進(jìn)行詳細(xì)分析得到在開闊環(huán)境下的均方誤差為0.7 m，強(qiáng)雜波環(huán)境下均方誤差為1.26 m?？梢钥闯鲩_闊環(huán)境下的均方誤差較小，說(shuō)明在該環(huán)境下有良好的檢測(cè)精度，達(dá)到并優(yōu)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。而在復(fù)雜環(huán)境下均方誤差較大，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是在環(huán)境中的綠化帶、樓宇等導(dǎo)致回波雜波增強(qiáng)，回波的信雜比下降所致，在強(qiáng)雜波環(huán)境下最遠(yuǎn)可探測(cè)距離以及分辨率有所下降。圖8為開闊環(huán)境下的的測(cè)試圖，圖9為強(qiáng)雜波環(huán)境下的的測(cè)試圖。

表2測(cè)量結(jié)果m

實(shí)際值開闊環(huán)境測(cè)量值強(qiáng)雜波環(huán)境測(cè)量值2019.919.53030.531.24039.939.45049.549.36062.361.67069.467.98079.181.79089.388.910099.498.1110109.5-120118.6-130127.2-

圖8　開闊環(huán)境測(cè)試圖

圖9　強(qiáng)雜波環(huán)境測(cè)試

測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具有小型、高精度的特點(diǎn)，適應(yīng)產(chǎn)品化的需求。今后，進(jìn)一步對(duì)雜波消除算法做改進(jìn)，以保證雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)強(qiáng)雜波應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)能力。

7　結(jié)束語(yǔ)

本文緊密結(jié)合產(chǎn)品化需求，研究小型化、低成本的汽車防撞雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)。根據(jù)信號(hào)處理流程對(duì)系統(tǒng)主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件實(shí)例化進(jìn)行研究和實(shí)現(xiàn)。在寬帶限制的條件下，結(jié)合頻譜外推的方法擴(kuò)展虛擬帶寬實(shí)現(xiàn)超分辨率測(cè)量的方案。最后，基于外場(chǎng)實(shí)際采集數(shù)據(jù)對(duì)該信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證和性能測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果驗(yàn)證了本文的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案的可行性。

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車?yán)?977年生，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理。

白云浩男，1990年生，碩士研究生。研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理。

蔣留兵男，1973年生，研究員。研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理。

Implementation of Small High Precision Signal Processing System of Collision Avoidance Radar

CHE Li，BAI Yunhao，JIANG Liubing

(Guangxi Wireless Broadband Communication and Signal Processing Key Laboratory,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004, China)

The implementation approach of small high precision signal processing system of collision avoidance radar is studied directing against the existing problems in domestic automotive anti-collision radar field, and signal processing flow is analyzed in detail and appropriate signal processing methods of radar is determined. System parameters suitable for driving environment are computed combining with the system structure and processing scheme and their effectiveness is verified through system simulation. Under the condition of miniaturization and low cost it is proposed to improve the targets range resolution based on Super-SVA method. It is assured that the detection performance of radar system will not be limited by costs problem. Finally the outfield functional testing with the prototype has been achieved and the feasibility of system scheme is verfied by the analysis results of the test data.

miniaturization; high precision; collision avoidance; Super-SVA

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61561010)；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013GXNSFAA019323)；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(桂科攻14122006-6)；廣西教育廳科研立項(xiàng)項(xiàng)目(KY2015LX096)

車?yán)﨓mail：jlrql@163.com

2016-03-24

2016-05-30

TN959.71

A

1004-7859(2016)07-0032-04

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.07.008