針對汽車防撞雷達(dá)的信號處理

馬蕾 趙雨虹

摘要 當(dāng)今，汽車?yán)走_(dá)技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣泛，它不僅能在防撞系統(tǒng)中使用，還能在自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)和無人駕駛系統(tǒng)中得到應(yīng)用，這證明了雷達(dá)技術(shù)具有很高的研究價值。與其它技術(shù)相比，微波防撞雷達(dá)具有非同尋常的優(yōu)點(diǎn)，我們將在后文中進(jìn)行詳細(xì)說明其具有的適應(yīng)性強(qiáng)、范圍寬、精準(zhǔn)度高以及反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過前人長期的研究與發(fā)展，防撞雷達(dá)及其相應(yīng)的信號處理技術(shù)也逐漸成為這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，理論和技術(shù)的發(fā)展也都越來越成熟。我們將從汽車防撞雷達(dá)的現(xiàn)狀以及雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)造等方面進(jìn)行簡要的論述，在已有研究成果的基礎(chǔ)上，探索雷達(dá)信號技術(shù)的應(yīng)用前景和發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】汽車防撞雷達(dá) 信號研究 雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

1 研究背景與意義

長久以來，交通安全問題都是一個關(guān)注度頗高的話題，因為每年都有很多交通事故發(fā)生。近年來，國家部門針對交通安全問題的法律法規(guī)也在不斷完善，交通事故的總體發(fā)生數(shù)量在不斷縮小，但是縮小的幅度并不明顯，總體交通事故的數(shù)量依然不容樂觀。另外，交通事故引起的人員傷亡和財物損失也是不能忽視的。根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)資料研究可以看出，超過百分之八十的交通事故是由于駕駛員無法及時反應(yīng)或在判斷問題上出現(xiàn)失誤造成的。尤其是在汽車碰撞和追尾的交通事故中，事故發(fā)生的部分原因是由于天氣或其他原因使駕駛員無法明確前方是否存在障礙物，而更多情況下是因為駕駛員針對危險情況沒有時間進(jìn)行安全防范。因此，單單從交通安全宣傳層面上降低交通事故的效果是極其有限的。我們應(yīng)從源頭考慮，并從技術(shù)層面上著手處理這類問題。如果某種設(shè)備可以預(yù)先感知到汽車前方的危險情況并提醒駕駛員，或汽車自行采取相應(yīng)的安全舉措，這樣就可以有效杜絕汽車碰撞和追尾交通事故的發(fā)生。本文就是基于這種汽車防撞雷達(dá)，對信號處理的方式進(jìn)行研究。

2 汽車防撞雷達(dá)的研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，想要提升汽車行駛的安全性，汽車防撞雷達(dá)是必不可少的存在。通過系統(tǒng)的雷達(dá)信號對目標(biāo)進(jìn)行觀察，接收并分析目標(biāo)所反饋的信號，可以獲得目標(biāo)的地理位置、速度以及準(zhǔn)確方位。根據(jù)目標(biāo)信息，系統(tǒng)可以協(xié)助駕駛員完成針對危險的預(yù)判，有效提升行車安全。同時，汽車?yán)走_(dá)還可以應(yīng)用于車道變換輔助系統(tǒng)和盲點(diǎn)檢測系統(tǒng)，在車輛變道時對周圍車輛情況進(jìn)行探測，可以對駕駛者看不到的視野盲區(qū)進(jìn)行探測和預(yù)警，可見汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)是一種廣泛應(yīng)用于車輛安全系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。在智能汽車科研領(lǐng)域，如果缺少汽車防撞雷達(dá)，汽車無人駕駛功能也只是空想。因此，對車輛防撞雷達(dá)及其相應(yīng)的信號系統(tǒng)進(jìn)行研究有著長遠(yuǎn)的意義。

現(xiàn)階段，汽車防撞雷達(dá)中用于探測的信號包括激光、紅外、超聲波和微波信號四種。激光具有測量距離長的優(yōu)點(diǎn)，同時也表現(xiàn)出高精度的特點(diǎn)。但是激光信號在近距離測量中表現(xiàn)出嚴(yán)重的不足，因為需要特殊的光學(xué)窗口，因此探測面小，且設(shè)備探測空容易被灰塵和污物堵住，對探測效果造成嚴(yán)重影響。相比而言，紅外線探測在近距離測量中具有優(yōu)勢，而他的缺點(diǎn)也很明顯，因為紅外信號受溫度變化的干擾嚴(yán)重，也會受到探測目標(biāo)顏色變化的影響。超聲波信號的特點(diǎn)是適合三米內(nèi)的較短距離測量工作，在倒車?yán)走_(dá)中有廣泛的應(yīng)用，但是響應(yīng)速度較慢，而且也和紅外信號一樣，容易受到溫度變化的影響。而微波雷達(dá)的出現(xiàn)，使我們看到了希望，微波雷達(dá)能夠克服惡劣天氣，對環(huán)境的依賴程度很低，能夠在各種環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，微波的自身性質(zhì)也決定了微波雷達(dá)有反應(yīng)速度快的優(yōu)勢。因此，微波雷達(dá)在未來汽車防撞雷達(dá)發(fā)展趨勢中必定占據(jù)主流市場。此外，微波雷達(dá)在車輛防撞系統(tǒng)中的應(yīng)用逐漸受到高校、科研院所的重視，這也將成為未來研究的熱點(diǎn)。

3 汽車防撞雷達(dá)信號處理概述

3.1 微波信號雷達(dá)概述

微波信號雷達(dá)在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，實踐中的應(yīng)用技術(shù)也有較成熟的發(fā)展，具有扎實的理論基礎(chǔ)，信號處理的方式也很多。但并不是所有的信號處理方式都能適用于汽車防撞雷達(dá)的研究，在此之前我們需要結(jié)合汽車防撞雷達(dá)在實際應(yīng)用中的狀況，對微波信號進(jìn)行更加深入的研究，對雷達(dá)信號的適用性進(jìn)行研究，進(jìn)而探索信號的處理方式和雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)造。汽車?yán)走_(dá)信號具有連續(xù)性的特點(diǎn)，從分析可以看出，汽車領(lǐng)域的防撞雷達(dá)主要有兩種，脈沖型雷達(dá)和連續(xù)波型雷達(dá)。在脈沖雷達(dá)中，可以共用其收發(fā)信號的天線，在信號收發(fā)和轉(zhuǎn)換過程中會存在一定的時間差，這會使雷達(dá)在探測距離方面將存在盲區(qū)。而在連續(xù)波雷達(dá)中具有獨(dú)立的收發(fā)天線，發(fā)射和接收信號所使用的設(shè)備可以同時工作，發(fā)射出的信號波在到達(dá)目標(biāo)時會產(chǎn)生延時，這可以在一定程度上抵消脈沖雷達(dá)本身所具有的誤差。因此，在汽車防撞雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域，更多的采用連續(xù)波雷達(dá)。從汽車防撞雷達(dá)信號的波形我們可以發(fā)現(xiàn)，汽車防撞雷達(dá)信號可以采用調(diào)頻或者連續(xù)波。連續(xù)波在測量物體速度方面具有優(yōu)勢，而在測量物體距離上存在不足。而線性連續(xù)波在測試過程中能夠兼顧物體的速度和距離，雷達(dá)探測信號模式的選擇也很簡單，在應(yīng)用實踐中的發(fā)展也相對成熟，因此在防撞雷達(dá)的研究和應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)著主流的地位。

3.2 雷達(dá)信號處理的干擾因素

雷達(dá)接收的信號為隨機(jī)信號，經(jīng)過混頻之后的信號也具有隨機(jī)性?；祛l之后的信號中不僅包含隨機(jī)目標(biāo)的信號，還包括其它范圍內(nèi)的噪聲信號，因此會對后續(xù)的測頻工作造成巨大的障礙。在實踐應(yīng)用過程中，這種信號的發(fā)送和接收方式本身有其復(fù)雜性和專業(yè)性，不容易理解，因此需要對相關(guān)技術(shù)理論進(jìn)行研究，以汽車防撞雷達(dá)信號處理為目標(biāo)，研究信號處理方式和雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

在雷達(dá)接收到的信號中，除了接收機(jī)內(nèi)部的運(yùn)行產(chǎn)生的熱噪聲會對信號造成干擾外，信號還可能會受到地雜波、氣象雜波等外界環(huán)境的干擾。不同的環(huán)境會對雷達(dá)信號造成不同程度的干擾，在進(jìn)行雷達(dá)探測和接收時使用的方法也有所差別。雜波干擾信號的強(qiáng)度較大，區(qū)域性特征明顯。雜波干擾信號經(jīng)過處理之后，其頻帶往往只占據(jù)接收機(jī)中頻帶顯示較寬的一部分。對于這種情況，雷達(dá)對于雜波干擾信號不能簡單作為其他探測雷達(dá)獨(dú)立信號的疊加。因為可以從雷達(dá)發(fā)射信號的頻率上做出區(qū)分。因此，對于這類雷達(dá)的噪聲與雜波信號疊加形成的干擾因素非常復(fù)雜。

4 汽車防撞雷達(dá)的信號網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

4.1 雷達(dá)信號網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成

在汽車?yán)走_(dá)的實踐應(yīng)用過程中，由于道路的復(fù)制性，車輛前方目標(biāo)也會相應(yīng)的呈現(xiàn)出多樣性等特定，要在復(fù)雜的道路狀況中完成對汽車前方多目標(biāo)的觀測，對雷達(dá)信號及時跟蹤有一定的難度，不能僅利用單一雷達(dá)對目標(biāo)發(fā)射探測信號。針對這種情況，雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有其特殊的優(yōu)勢。理論上可以看出，雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包含多種構(gòu)成模式，其中集中式和分布式的應(yīng)用范圍很廣，在實踐中表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性，而混合式和多級式的結(jié)構(gòu)模式具有新興技術(shù)特點(diǎn)，可以應(yīng)對更多實踐中出現(xiàn)的復(fù)雜情況。在汽車防撞雷達(dá)應(yīng)用較多的集中式雷達(dá)系統(tǒng)中我們可以發(fā)現(xiàn)，首先通過目標(biāo)觀測的時間先后順序可以完成對測量點(diǎn)的分類，合理的進(jìn)行時間順序上的融合處理。在完成時間因素的設(shè)置之后，可以通過對處于同一探測時間的多個雷達(dá)進(jìn)行空間范圍上的分布安排，進(jìn)行空間融合處理，這一過程包括了雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行綜合跟蹤的全面記錄，同時也體現(xiàn)了雷達(dá)探測系統(tǒng)對目標(biāo)狀態(tài)特點(diǎn)的全過程捕捉和記錄。這種分布式的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以在各個雷達(dá)按照系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定完成觀測程序之后，將信號反饋數(shù)據(jù)傳送到汽車中心控制系統(tǒng)，然后由中心控制系統(tǒng)把接收到的雷達(dá)信號進(jìn)行合理的整合，對雷達(dá)探測到的外界環(huán)境進(jìn)行推測。如今的混合式和多級式雷達(dá)也是在這兩種方式基礎(chǔ)上的發(fā)展。這種由四個雷達(dá)構(gòu)成的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4.2 雷達(dá)信號網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)勢

同集中式雷達(dá)系統(tǒng)相比，分布式機(jī)構(gòu)具有造價低、可靠性高等特點(diǎn)，并且擁有與之相當(dāng)?shù)男阅?。汽車?yán)走_(dá)信號網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的目標(biāo)是基于各傳感器分離觀測信息，通過對信息的優(yōu)化組合導(dǎo)出更多的有效信息。這是最佳的信號處理方式，它的最終目的是利用多個傳感器共同或聯(lián)合操作的優(yōu)勢，來提高整個傳感器系統(tǒng)的有效性。在汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)所工作的復(fù)雜環(huán)境中，要獲得前方多目標(biāo)的距離測量和跟蹤，只有通過對來自多個雷達(dá)所提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，才能獲得滿意的結(jié)果。與單個雷達(dá)相比，雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜性大大增加，由此會產(chǎn)生一些不利因素，如成本的提高和設(shè)備尺寸以及功耗的增大。但是總的說來，雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有著單個雷達(dá)不可比擬的優(yōu)勢。主要表現(xiàn)為系統(tǒng)應(yīng)用能力和使用壽命的增加，在有部分雷達(dá)不能利用或受到干擾，或某個目標(biāo)不在覆蓋范圍時，總還會有一部分雷達(dá)可以提供信息，使系統(tǒng)能夠不受干擾繼續(xù)運(yùn)行，這樣可以使檢測概率大大增加。同時信號網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)了空間覆蓋范圍的拓展，因為多個雷達(dá)交疊覆蓋的作用方式，空間覆蓋范圍得到擴(kuò)大，部分雷達(dá)可以探測其他雷達(dá)所無法探測的地方，進(jìn)而增加了系統(tǒng)的監(jiān)測范圍和有效性。此外，信號網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也增加了雷達(dá)系統(tǒng)的整體可信度，多個雷達(dá)的配合工作能夠同時確認(rèn)同一目標(biāo)，在空間分辨力方面也有所提高，多個雷達(dá)可以獲得比任何單一雷達(dá)更高的分辨力，多雷達(dá)相互配合使用，具有內(nèi)在的容錯率，這也在一定程度上改善了系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)論與展望

綜上所述，汽車防撞微波雷達(dá)在信號處理方面，相比其他技術(shù)的防撞雷達(dá)具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，測量范圍廣，精度高，響應(yīng)時間快等特點(diǎn)。一直以來它都是各企業(yè)單位、科研院所的研究熱點(diǎn)。汽車?yán)走_(dá)作為一種可行的輔助裝置，需要同時對多個目標(biāo)實現(xiàn)高分辨測距、以及范圍監(jiān)測，而且有成本低、體積小的特點(diǎn)。由于汽車?yán)走_(dá)一般安裝在距離地面一米左右的高度，地雜波的影響很大，這一點(diǎn)有待提高，除此以外，道路上除了車輛外，各種交通標(biāo)志及路邊行人、樹木都增加了有用目標(biāo)檢測的難度，對未來的研究工作提出了新的挑戰(zhàn)。

展望未來，需要做的工作主要是在信號處理功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上降低成本。隨著集成度和軟件設(shè)計性能的不斷提高，在具體設(shè)計時可以考慮采用合適的技術(shù)來實現(xiàn)信號處理部分。另外，任何一種傳感器都不是萬能的，汽車安全設(shè)計還需要對信號處理的手段進(jìn)行探索和優(yōu)化，這樣能得到更為滿意的結(jié)果。

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