車載防撞雷達的大角度快速搜索方法研究

(北京遙感設備研究所,北京100854)

0 引言

車載雷達廣泛應用于汽車碰撞報警系統(tǒng)、主動避撞系統(tǒng)和自適應巡航系統(tǒng)等汽車主動安全技術中,對降低道路交通事故和提高汽車主動安全性發(fā)揮了重要作用。按測量介質(zhì)不同,車載雷達可分為超聲波雷達、紅外雷達、激光雷達和微波雷達。超聲波雷達和紅外雷達因其探測距離相對較近,主要應用于倒車控制系統(tǒng);激光雷達和微波雷達因其具有測量距離遠、精度高等優(yōu)點,已被廣泛應用于汽車主動安全控制系統(tǒng)[1]。其中,微波雷達測量性能受天氣等外界因素影響較小,是車載雷達的可靠選擇之一。

車載微波雷達的研究始于20世紀60年代,典型代表是ASR100脈沖測距雷達,許多著名汽車公司都采用該款雷達。此后出現(xiàn)的MMW雷達采用調(diào)頻連續(xù)波測距方式,是世界上第一款使用相控陣的車載雷達,使波束掃描更加靈活[1]。

車載雷達在搜索目標時,主要分為以下兩種情況:其一,車輛在高速公路行駛的情況下,探測距離較遠,約為150 m,方位向較窄,約為±10°;其二,車輛在城市公路上,啟動、剎車、轉(zhuǎn)彎或行駛中探測附近行人和車輛的情況下,作用距離較近,最遠距離在50～60 m之間,方位角覆蓋范圍較大,約±60°。

現(xiàn)有車載雷達主要針對遠距離、小角度范圍搜索,采用線性調(diào)頻連續(xù)波,根據(jù)其時延和多普勒頻率,測量出目標的距離和速度,只有少數(shù)雷達測量目標的角度,而且在該種情況下,無法實現(xiàn)近距離、大角度的快速搜索,同時在測多目標時還存在角閃爍等問題。而針對近距離、大角度搜索,主要應用了DBF技術,以擴大波束覆蓋范圍,同時還可實現(xiàn)多目標檢測和干擾抑制[2]。本文設計了一部車載相控陣雷達,該雷達具有遠距離搜索和近距離搜索兩種工作模式,并針對提高搜索速度,著重介紹了寬波束收發(fā)和DBF接收兩種近距離、大角度快速搜索方案,為主動避撞系統(tǒng)提供信息保障。相比于目前流行的微波防撞雷達,本文的防撞雷達除同時兼顧遠區(qū)和近區(qū)的探測外,還具有搜索速度快、近區(qū)覆蓋范圍廣等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)介紹

該車載相控陣雷達采用線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMC),調(diào)制周期和調(diào)制頻偏分別為3.5 ms,400 MHz。系統(tǒng)框圖如圖1所示,其天線在方位向上由32個陣元組成,每個陣元均通過一個T/R模塊與收發(fā)陣列連接,之后進行信號處理。系統(tǒng)指標和天線參數(shù)分別如表1和表2所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

表1 系統(tǒng)指標

表2 天線參數(shù)

當遠距離搜索時,使用全部陣元,此時波束寬度為3.2°,通過掃描完成±10°范圍內(nèi)的搜索,最遠作用距離可達224 m;當近距離搜索時,需要覆蓋更寬的搜索范圍,為提高搜索速度,提出兩種快速搜索方案。

2 大角度快速搜索方案

該系統(tǒng)中波束切換時間為2μs,波束駐留時間為3.5 ms。完成遠距離搜索用時24.514 ms。若采用相同的方式完成近距離搜索,需要搜索時間為112.064 ms。因此,完成一幀搜索用時136.578 ms。通常車載雷達要求幀速率達到20 Hz,即在50 ms之內(nèi)完成一幀的搜索?？梢娔壳霸撓到y(tǒng)無法達到要求,因此,針對近距離搜索提出如下兩種快速搜索方案。

2.1 方案一:寬波束收發(fā)

由線性陣列的半功率波束寬度[3]:

可知,當波束掃描角度θB和陣元間距一定時,減少陣元個數(shù)時可以增加波束寬度,從而減少使用波束的個數(shù),進而減少波束切換時間,達到縮短搜索時間的目的。

當單獨采用一個寬波束探測目標時,只能檢測波束覆蓋范圍內(nèi)是否存在目標,如果存在目標,由于波束較寬,其角度測量誤差較大,最大可達到波束寬度的一半。采用振幅和差測角來判斷目標的方位,雖然不能提高角度分辨率,但是角度測量誤差將大大降低。

振幅和差測角的基本原理[4]如圖2所示。采用完全相同且彼此部分重疊的兩個波束,如果目標處于波束重疊中心軸方向,則收到的兩個波束信號為等強度信號,否則一個信號幅度將強于另一個,并且目標偏離波束中心軸越遠則收到的幅度差越大。

圖2 振幅和差測角基本原理圖

實現(xiàn)方法如圖3所示。收發(fā)天線均為連續(xù)排列的4個陣元,在接收天線中,采用半陣法形成和、差波束,即每相鄰兩個陣元為一個通道,其中Σ完成兩通道信號的相加,輸出和波束信號;Δ完成兩通道信號的相減,輸出差波束信號。

圖3 寬波束收發(fā)實現(xiàn)方法

通道1的輸出:

通道2的輸出:

式中,θB為波束指向,θ為目標方位角,且N=2。那么輸出的和、差波束如下式所示:

當θB=0時,其和、差波束仿真如圖4所示。

圖4 和、差波束仿真圖

根據(jù)泰勒公式,在一定誤差范圍內(nèi),得到差和比:

此時形成的波束寬度約為25.2°,相比于3.2°的波束寬度,該方法將總的搜索時間降低到窄波束搜索方案搜索時間的12.5%,由于只使用了1/4天線,收、發(fā)天線增益總計下降了18 dB,搜索距離降低到63.3 m,但仍滿足近距離搜索的要求。

2.2 方案二:DBF接收

數(shù)字配相是數(shù)字多波束形成的一種方式,其原理如圖5所示。

圖5 數(shù)字配相原理圖

式中,N=28。最終得到歸一化陣列方向圖:

根據(jù)數(shù)字配相原理,方案二的實現(xiàn)方式如圖6所示。使用前4個陣元作為發(fā)射天線,發(fā)射寬度為25.2°的寬波束;用后28個陣元接收,每個陣元構(gòu)成1個接收通道,接收后在信號處理部分采用數(shù)字配相法,形成7個寬度約為3.6°的數(shù)字波束,進而判斷目標的角度。

圖6 DBF接收實現(xiàn)方法

7個波束的形成過程如圖6中數(shù)字信號處理部分所示[3]。令28個陣元接收到的信號矢量為X,X=[x0,x1,…,xi,…,x27],其中xi=Ii+jQi;第k個波束的接收信號矢量的加權(quán)矢量Wk=[w0k,w1k,…,wik,…,w27k]T,其中wik=exp[-jiΔΦBk];最終數(shù)字波束形成網(wǎng)絡輸出函數(shù)

例如,當發(fā)射波束指向為0°時,接收波束需要覆蓋±12.6°的范圍,形成的7個接收波束在3 dB處交疊,其仿真結(jié)果如圖7所示。7個波束的指向和相位補償如表3所示。

圖7 多波束接收仿真圖(發(fā)射波束指向為0°的情況)

表3 接收波束指向和相位補償(發(fā)射波束指向為0°的情況)

為實現(xiàn)±60°范圍的掃描,發(fā)射波束的指向應分別為0°,±25.2°和±50.4°,其覆蓋范圍和相應的接收波束指向如表4所示。

表4 發(fā)射波束覆蓋范圍和接收波束指向

天線陣列中各射頻通道的放大器、濾波器等模擬器件的固有誤差和模擬電路的幅相特性時變性使得天線系統(tǒng)存在幅度誤差和相位誤差,引起通道的不一致性,導致波束形狀的畸變,從而影響波束的指向精度[5]。此外,陣列單元的互耦作用也會對天線的性能產(chǎn)生不良影響。因此,在后續(xù)工作中,將對通道一致性以及收發(fā)互耦進行深入研究。

3 兩種方案的對比

3.1 對比參數(shù)

天線口面和T/R模塊利用率:如表5所示,方案二充分利用了天線口面和T/R模塊,占用率較大。

測角精度:角度測量的極限誤差[3]可以近似表示為

取Km=1.38。二者的波束寬度分別為25.2°和3.6°,計算得到的δ分別為3.95°和0.57°,可見方案二的測角精度較高。

搜索時間:兩種方案均需要5個波束,搜索時間為17.51 ms。在不計其他處理時間的情況下,二者搜索時間相同。此時完成一幀搜索用時42.024 ms,滿足車載雷達對幀速率的要求。

探測威力:根據(jù)雷達方程,探測距離:

式中,θB為天線掃描角度,k為玻耳茲曼常數(shù),T0為等效噪聲溫度。經(jīng)計算,方案一的搜索邊界為63.0～89.1 m,方案二的搜索邊界為72.5～102.5 m。方案二的探測距離更遠。

表5 兩種方案的對比

3.2 對比結(jié)論

通過上文對兩種方案的對比可以發(fā)現(xiàn):方案二能充分利用天線口面和T/R模塊,盡量減少增益損失;二者搜索時間大致相同,但方案二的探測威力更大;采用DBF技術,測角精度遠高于方案一。

DBF技術在帶來以上諸多優(yōu)勢的同時,也存在對信號處理的運算需求較高的問題。但隨著信號處理芯片技術的發(fā)展和算法的優(yōu)化,現(xiàn)有的數(shù)字信號處理運算能力可以滿足DBF技術的需求。

4 結(jié)束語

DBF技術進一步發(fā)揮了相控陣靈活快速的波束掃描能力,可在不損失信噪比的情況下同時獲得多個獨立波束。此外,采用DBF技術可有效避免寬波束單脈沖測距的角閃爍問題,使車載雷達具有較強的多目標能力。同時,DBF技術還具有得到高性能超低副瓣天線等其他優(yōu)點。因此,相比于寬波束收發(fā),數(shù)字多波束接收是更好的方法,而且它不僅只適用于近距離、大角度搜索,也可應用于遠距離搜索。將DBF技術應用于車載相控陣雷達,將極大節(jié)省搜索時間,精準定位障礙,同時具備抗干擾能力,是未來車載雷達的發(fā)展方向。

[1]王斌,劉昭度,何瑋,等.車用測距雷達研究進展[J].傳感器與微系統(tǒng),2006,25(3):7-8.

[2]嚴鑫,黃永明,王海明,等.LFMCW車載防撞雷達信號處理模塊研究[J].雷達科學與技術,2016,14(5):498-504.

[3]張光義,趙玉潔.相控陣雷達技術[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[4]鄭駒.基于ARM的單脈沖和差測角雷達的數(shù)據(jù)處理設計與實現(xiàn)[D].南京:南京理工大學,2015.

[5]涂水平.DBF系統(tǒng)幅相一致性測試關鍵技術研究[D].北京:北京理工大學,2016.