汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計分析

劉月園 董國宇

摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車總量呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，這也對有限的空間資源提出了更高的要求，如何保證汽車駕駛的安全性成為社會關(guān)注的熱門話題。本文主要對防撞雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：汽車；單片機(jī)；防撞雷達(dá)；設(shè)計

1.雷達(dá)技術(shù)在汽車防撞安全系統(tǒng)中的意義

在汽車防撞安全系統(tǒng)中，雷達(dá)技術(shù)包含了雷達(dá)、超聲波、紅外線、信號接收器等，能夠接收雷達(dá)裝置發(fā)射的安全預(yù)警信號并向汽車駕駛員發(fā)出安全預(yù)警信號。

雷達(dá)技術(shù)在汽車防撞安全系統(tǒng)應(yīng)用中，以其安全性、準(zhǔn)確性、全天性發(fā)揮著越來越重要的作用。雷達(dá)技術(shù)能夠在大雨、暴雪、強(qiáng)光、濃霧等不良天氣下依然作出準(zhǔn)確及時的安全預(yù)警，并且在電磁波、各種無線信號和噪音環(huán)境下能夠穩(wěn)定地工作，具有良好的抗干擾性。雷達(dá)發(fā)出的輻射能夠保證在相對合理的范圍內(nèi)，不會對汽車駕駛員產(chǎn)生不良的生理損害。同時，兼具有快速的感應(yīng)敏感性，在對汽車行駛中的距離、速度、方向等方面的探測中具有高度的準(zhǔn)確性，特別是雷達(dá)安裝裝置采用天線陣列和高頻器件的體積不大，占有的空間有限，非常適合于應(yīng)用在汽車系統(tǒng)中。

2.汽車主動防撞預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成

汽車主動防撞預(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、制動踏板位置、節(jié)氣門開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，作為輸入信號輸入到模塊的規(guī)避控制模塊，對所檢測目標(biāo)進(jìn)行危險等級分類。根據(jù)危險等級的不同，ECU發(fā)出三類不同危險程度的指令，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作。臨界危險目標(biāo)發(fā)出報警信號，報警系統(tǒng)工作；危險目標(biāo)發(fā)出減速信號，減速系統(tǒng)工作；極限危險目標(biāo)發(fā)出制動信號，制動系統(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，對車輛的控制還是由駕駛員自己決定。

在汽車主動防撞預(yù)警系統(tǒng)中，毫米波雷達(dá)測量前方車輛、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)測距測速的原理

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)器視覺雷達(dá)價格高昂、較慢的成像速度及對軟、硬件的高要求阻礙了其發(fā)展。毫米波雷達(dá)測量距離的理論基礎(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)。它具有波長短，穿透能力強(qiáng)的特點。即當(dāng)所發(fā)射的斜率一定的連續(xù)調(diào)頻波信號遇到前方測量目標(biāo)時會反射包含目標(biāo)信息回波，系統(tǒng)通過將往返信號進(jìn)行混頻處理得到差頻信號，從而計算得到目標(biāo)的速度和相對距離。

3.雷達(dá)波形設(shè)計

雷達(dá)的波形選擇要充分考慮抗干擾性和可實現(xiàn)性、多目標(biāo)識別以及回波處理中算法的快速簡單性。FMCW方式具有適于探測近距離目標(biāo)，具有峰值功率低、射頻結(jié)構(gòu)簡單、測量時間短等優(yōu)點。因此，它一直是汽車防撞雷達(dá)的首選。但其缺點也很明顯，如：線性調(diào)頻度不易獲得，導(dǎo)致距離分辨率變壞：多目標(biāo)場景下，三角波調(diào)制調(diào)頻連續(xù)波會產(chǎn)生虛假目標(biāo)，從而影響防撞雷達(dá)的工作性能。

FMCW雷達(dá)系統(tǒng)在信號發(fā)射過程中能夠進(jìn)行三種不同方式的調(diào)制，矩形波調(diào)制、三角波調(diào)制和正弦調(diào)制，由于FMCW雷達(dá)系統(tǒng)對于信號的調(diào)制不同，能夠進(jìn)一步豐富雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用的多樣性，但是由于系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)模型上具有一致性，因而在信號的處理過程中，三者區(qū)別性明顯。FMCW雷達(dá)系統(tǒng)模型中能夠在天線接收中，對發(fā)射信號進(jìn)行處理，在濾波器中對接收信號進(jìn)行處理，然后實現(xiàn)混合信號的處理，通過發(fā)射天線將接收信號和發(fā)射信號實施混頻導(dǎo)出后，處理濾波信號，然后通過調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行信號調(diào)制，以加窗和補零的形式使頻譜的不連續(xù)性降低，最后執(zhí)行額外的信號后處理。

在FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源設(shè)計中，需要注意DDS信號輸出變頻速度較快、信號分辨率較高，同時具有體積小、線性度高和功耗小等優(yōu)勢，在設(shè)計過程中，方案的重點是對超低相位噪聲進(jìn)行波段混頻處理，這主要是因為后級混頻器的本振信號，能夠同時作為DDS的參考時鐘，系統(tǒng)參數(shù)在經(jīng)過精確計算后，對于系統(tǒng)中的主要器件進(jìn)行合理選擇，設(shè)計x波段的頻率源。

4.FMGW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源主要設(shè)計方面

4.1仿真設(shè)計

FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源在設(shè)計過程中，需要設(shè)置仿真基礎(chǔ)，在此過程中，主要是使用三角波調(diào)制為基礎(chǔ)，運用FMCW系統(tǒng)和Matlab系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析三角波調(diào)制類似于對鋸齒波調(diào)制的分析，這主要是因為調(diào)制三角波信號的前半周期t值在0～T/2之間，因而只能將其看作是僅有1/2周期的鋸齒波信號，由于后半周期t值在2/T～T之間，因而信號屬于2/T～T范圍內(nèi)的反向信號。設(shè)計FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源時進(jìn)行信號混頻，在回波信號的頻譜中會出現(xiàn)高頻信號和低頻信號，對于這些信號內(nèi)容進(jìn)行目標(biāo)求解，包括距離和速度的測量計算等。設(shè)置FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源設(shè)計的仿真基礎(chǔ)，需要對系統(tǒng)的基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后對法神信號頻率進(jìn)行處理，在回波信號頻率以及混合信號頻率混頻處理中，調(diào)制解調(diào)器，使信號輸出更加合理。

4.2信號處理系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源，需要在相對理想的狀態(tài)下進(jìn)行信號處理系統(tǒng)的仿真，系統(tǒng)理想狀態(tài)下，將信號當(dāng)作FFT之后產(chǎn)生的高頻率和低頻率兩個頻率，應(yīng)用這兩個頻率對多普勒數(shù)據(jù)和信號距離等進(jìn)行測算?；鶐盘栔械膬蓚€高低頻率在實際應(yīng)用中是用作FFT的一維傅里葉變換，三角波調(diào)制后的FMCW雷達(dá)系統(tǒng)在雷達(dá)探測中的應(yīng)用，兩個頻率峰值一般出現(xiàn)在24.51KHZ和64.66KHZ中，對這兩個頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)分析也能夠計算出速度和距離。由于在FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源的信號處理系統(tǒng)設(shè)計中，受到相位誤差和噪聲的影響，因而需要根據(jù)時域中的混頻信號，加入相位噪聲和白噪聲，進(jìn)一步塑造隨機(jī)性的相位誤差。在一維FFT中，相位誤差和白噪聲能夠提高旁瓣電平，因而多普勒信息和距離不會有明顯的扭曲產(chǎn)生，這對于FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源設(shè)計中保持較為平坦的功率譜密度具有重要的影響作用。

FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源在設(shè)計過程中，通過仿真分析能夠?qū)MCW在三角波調(diào)制下的系統(tǒng)性能以及基本的應(yīng)用效用進(jìn)行研究與分析，仿真設(shè)計中通過Matlab作為FFT獲得信號差頻的頻譜圖像，在連續(xù)性頻譜的分析中，增加補零、加窗和抽樣等處理，能夠直接影響到FFT后頻譜中所顯示的信號分辨率，這與雷達(dá)系統(tǒng)中實際信號分辨率不同。在FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源設(shè)計中通過三角波調(diào)制的辦法，能夠?qū)崿F(xiàn)多普勒信息調(diào)制以及距離提取等，從而進(jìn)一步實現(xiàn)對較為理想的仿真狀態(tài)下的FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源設(shè)計。需要注意的是，F(xiàn)MCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源設(shè)計對于系統(tǒng)中輸入的數(shù)據(jù)需要核對準(zhǔn)確，保證速度信號和信號距離恢復(fù)，減小頻率峰值與實際計算之間的誤差。