車(chē)輛前向防撞雷達(dá)的一種設(shè)計(jì)方法

高一棟 劉 帥 洪香茹

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

車(chē)輛前向防撞雷達(dá)提供高精度測(cè)目標(biāo)的距離、方位、速度等信息，距離信息通過(guò)采樣單元進(jìn)行解算，速度信息通過(guò)多普勒頻率進(jìn)行估算，而目標(biāo)方位信息可通過(guò)多通道采樣進(jìn)行估算獲取。對(duì)于目標(biāo)方位向信息的獲得，有多種天線方案可供選擇，如相控陣天線、帶有伺服系統(tǒng)的機(jī)械天線、固定波束切換天線等。但是，他們都有各自不足，不適合小型化防撞雷達(dá)的需求。如機(jī)械掃描天線，具有伺服系統(tǒng)的機(jī)電一體化天線，體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，不適合安裝在車(chē)輛前方；固定波束切換天線，其分辨力較低，測(cè)角精度差；毫米波相控陣天線體制，目前比較成熟，可獲取較高的方位精度，缺點(diǎn)是系統(tǒng)成本高、效率低、功耗較大。使用多通道時(shí)分復(fù)用陣列天線體制，可克服上述天線缺點(diǎn)，穩(wěn)定性好、成本低，通過(guò)采用的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行方位估計(jì)，可獲得較高的精度。

目前，采用單個(gè)發(fā)射天線，多接收天線多通道接收機(jī)的調(diào)頻連續(xù)波體制模型最為廣泛，通過(guò)集成多通道接收機(jī)，進(jìn)行多通道AD同時(shí)采樣，利用FFT，快速進(jìn)行數(shù)字波束合成，獲得距離、速度、方位向的估計(jì)[1]。這種系統(tǒng)模型主要存在的問(wèn)題如下：

1)每個(gè)接收天線連接一個(gè)獨(dú)立的接收通道，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗高、體積大，增加了整個(gè)系統(tǒng)成本。

2)由于系統(tǒng)采用了各個(gè)獨(dú)立的接收通道，而各個(gè)通道的幅相不一致，導(dǎo)致方位估計(jì)精度和分辨率變差。

為解決上述問(wèn)題，本文提出了一種新型的雷達(dá)結(jié)構(gòu)模型，縮減接收機(jī)通道，由單通道接收機(jī)代替多通道接收機(jī)。采用時(shí)分復(fù)用體制，這種結(jié)構(gòu)模型，使用單個(gè)發(fā)射天線，多個(gè)接收陣元，各個(gè)接收陣元通過(guò)射頻開(kāi)關(guān)，時(shí)分復(fù)用連接單通道接收機(jī)。相對(duì)于傳統(tǒng)多通道天線陣列模型，該模型電路結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，具有更低的成本，在降低了功耗的同時(shí)，可靠性大大提高。

1 雷達(dá)模型

為了準(zhǔn)確闡述這種時(shí)分復(fù)用陣列雷達(dá)模型，從基本模型開(kāi)始，到多通道陣列雷達(dá)模型，然后建立時(shí)分復(fù)用陣列雷達(dá)模型，再進(jìn)行原理介紹，最后給出相關(guān)系統(tǒng)框架及模型。

1.1 基本調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)模型

基本模型具有單個(gè)發(fā)射天線和單個(gè)接收天線、信號(hào)產(chǎn)生器、接收機(jī)以及信號(hào)處理模塊組成，模型如圖1所示。

圖1 基本連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)框圖

雷達(dá)發(fā)射的線性調(diào)頻連續(xù)波(Linear FMCW, LFMCW)信號(hào)形式，采用鋸齒波或者三角波對(duì)發(fā)射信號(hào)的頻率維進(jìn)行周期調(diào)制，另外可根據(jù)需要，增加一段點(diǎn)頻連續(xù)波信號(hào)進(jìn)行速度解算[2]。接收機(jī)接收回波信號(hào)與發(fā)射耦合信號(hào)進(jìn)行混頻，其調(diào)頻連續(xù)波差拍原理如圖2所示，圖中顯示了兩者頻率變化的相對(duì)關(guān)系，實(shí)線為發(fā)射信號(hào)，虛線為回波信號(hào)。

圖2 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的工作原理

雷達(dá)發(fā)射信號(hào)形式如式(1)所示，f0為發(fā)射信號(hào)的頻率，B為調(diào)頻連續(xù)波的信號(hào)帶寬，T為發(fā)射信號(hào)的時(shí)寬。

(1)

假設(shè)場(chǎng)景內(nèi)只有一個(gè)目標(biāo)，則接收到的目標(biāo)回波信號(hào)為

(2)

其中，a為接收信號(hào)的幅度，c代表光速，τ為接收到的目標(biāo)信號(hào)時(shí)延，υ為目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的徑向速度，R為目標(biāo)在零時(shí)刻時(shí)，相對(duì)于雷達(dá)的初始距離。

雷達(dá)接收到的回波信號(hào)與發(fā)射耦合信號(hào)進(jìn)行混頻，得到其差拍信號(hào)形式為

(3)

(4)

由于B?f0,V?c，差頻公式可以近似為

(5)

假如場(chǎng)景內(nèi)有K個(gè)目標(biāo)，式(5)可擴(kuò)展為

(6)

1.2 多通道陣列系統(tǒng)框架模型

多通道陣列系統(tǒng)框架模型如圖3所示，該系統(tǒng)具有多個(gè)同時(shí)接收陣列天線和一個(gè)發(fā)射天線，接收天線陣元對(duì)應(yīng)多個(gè)接收通道。若系統(tǒng)有M個(gè)接收天線，M個(gè)接收天線接收到回波信號(hào)，進(jìn)入M個(gè)接收通道，與發(fā)射耦合信號(hào)進(jìn)行混頻后通過(guò)M路AD采樣，然后通過(guò)信號(hào)處理解算目標(biāo)的距離、方位及速度。

圖3 接收多通道陣列雷達(dá)系統(tǒng)框圖

(7)

在方位角θ，第m個(gè)陣元接收到的信號(hào)回波為

xm(t)=ax0(t-tm)

(8)

(9)

(10)

因此，可以得出混頻后信號(hào)為

(11)

將tm帶入上式可得

(12)

假如場(chǎng)景內(nèi)有k個(gè)目標(biāo)，則式(12)可擴(kuò)展為

(13)

我們可以將式(13)寫(xiě)成矩陣形式

Q(t)=A(θ)S(t)

(14)

(15)

(16)

對(duì)多個(gè)通道同時(shí)采樣，共采集N個(gè)點(diǎn)，t=(n-1)Ts，n=1,2,…,N，得到的數(shù)據(jù)為Q(n)=A(θ)S(n) ,n=1,2,...N。該數(shù)據(jù)矩陣是用來(lái)對(duì)目標(biāo)成像估計(jì)方位、距離、速度的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3 時(shí)分復(fù)用陣列系統(tǒng)框架模型

時(shí)分復(fù)用陣列系統(tǒng)和多通道陣列雷達(dá)的區(qū)別在于，由M路接收機(jī)簡(jiǎn)化為1路接收機(jī)，原系統(tǒng)同時(shí)對(duì)M個(gè)接收天線混頻后的信號(hào)進(jìn)行采樣，模型升級(jí)后如圖4所示，依據(jù)一定的時(shí)序，對(duì)M個(gè)接收陣元的混頻信號(hào)，通過(guò)高速開(kāi)關(guān)，進(jìn)行串行采樣，M個(gè)接收通道共用一個(gè)接收機(jī)。

圖4 時(shí)分復(fù)用陣列雷達(dá)系統(tǒng)框圖

信號(hào)接收采樣模型如圖5所示。

圖5 多陣元分時(shí)接收模型

對(duì)其量化，假如在第m個(gè)陣元第n次循環(huán)，采樣時(shí)刻為t={(n-1)M+(m-1)}Ts，帶入到式(17)中

(17)

可得

(18)

重新整理可寫(xiě)為

Qn,m=

(19)

同樣寫(xiě)成標(biāo)準(zhǔn)形式

Q(n)=A(θ,R)s(n)

(20)

(21)

α(θk,Rk)=

(22)

2 雷達(dá)組成

根據(jù)上述時(shí)分復(fù)用陣列系統(tǒng)框架模型，雷達(dá)系統(tǒng)由天線系統(tǒng)、射頻開(kāi)關(guān)矩陣、單通道接收機(jī)、頻綜模塊及信號(hào)處理組成。其中，射頻開(kāi)關(guān)矩陣，根據(jù)一定的工作時(shí)序，切換16組接收天線的回波信號(hào)到接收機(jī)。信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊共用同一硬件平臺(tái)，用軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。其組成框圖見(jiàn)圖6所示。

圖6 系統(tǒng)組成

天線系統(tǒng)與射頻開(kāi)關(guān)矩陣實(shí)物如圖7所示。通過(guò)射頻開(kāi)關(guān)矩陣，依次接收天線回波信號(hào)，射頻信號(hào)經(jīng)接收機(jī)混頻轉(zhuǎn)換為中頻模擬信號(hào)后，經(jīng)AD采樣后轉(zhuǎn)換為14位有符號(hào)整型數(shù)；完成數(shù)字下變頻、數(shù)據(jù)重排等處理；使用乒乓緩存接收數(shù)據(jù)，同時(shí)完成整型到浮點(diǎn)格式轉(zhuǎn)換，進(jìn)而進(jìn)行距離維FFT、方位維FFT、恒虛警處理，經(jīng)門(mén)限判決后，得出檢測(cè)結(jié)果(目標(biāo)距離和方位)；并對(duì)三角波上升和下降階段的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行配對(duì)，得出檢測(cè)結(jié)果(目標(biāo)距離、速度和方位)，最后進(jìn)行目標(biāo)配對(duì)，解耦合處理，解耦合方法見(jiàn)文獻(xiàn)[3]，處理過(guò)程如圖8所示。

圖7 天線與射頻開(kāi)關(guān)矩陣實(shí)物圖

圖8 處理過(guò)程

3 接收機(jī)參數(shù)估算

3.1 接收機(jī)帶寬估算

容易得到，相鄰?fù)ǖ?，在一次Ts采樣間隔內(nèi)，相位變化為

(23)

接收到的信號(hào)頻率實(shí)際為

(24)

若取最大掃描角θ為10°，Ts取10 MHz，單頻信號(hào)頻率取最大值0.36 MHz，可以計(jì)算出Δf=2.96 MHz，如果Ts取20 MHz，Δf=5.56 MHz。

3.2 射頻開(kāi)關(guān)切換速率

該雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)頻帶寬B=400 MHz，調(diào)制周期T=1.5 ms。傳感器的距離覆蓋范圍為5～200 m，相應(yīng)的回波時(shí)延為0.033～1.33 μs。

fmax=k·τmax+fdmaxfmin=k·τmin-fdmax

(25)

其中：fmax為最大拍頻，fmin為最小拍頻，k為調(diào)頻斜率，fdmax為最大多普勒頻偏，容易計(jì)算出

fmax=400 MHz/1.5 ms·1.33 μs + 7.7 k=0.36 MHz

fmin=400 MHz/1.5 ms·0.033 μs - 7.7 k=2.4 kHz

最大拍頻為0.36 MHz，根據(jù)采樣定理，F(xiàn)s是由最大拍頻決定的, 為了避免頻譜混疊，F(xiàn)s必須大于最大拍頻的兩倍，單個(gè)通道的采樣率至少為信號(hào)頻率2倍關(guān)系。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了16組陣列天線，共用一路接收機(jī)，高速在16個(gè)接收通道循環(huán)采樣，通道間切換速率為：0.36×2×16=11.52 MHz。工程實(shí)現(xiàn)中，目前射頻開(kāi)關(guān)切換速率可達(dá)到10 MHz，由其影響的作用距離約為175 m左右。

4 信號(hào)處理流程

4.1 AD采樣

AD變換器對(duì)輸入信號(hào)在時(shí)間上等間隔采樣，并將采樣得到的信號(hào)在幅度上量化，從而將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便進(jìn)行數(shù)字處理。AD變換器的采樣頻率應(yīng)滿(mǎn)足Nyquist采樣定律，即采樣頻率應(yīng)大于輸入信號(hào)最高頻率2倍以上，才能避免采樣引起頻譜混疊?？紤]到經(jīng)開(kāi)關(guān)、混頻后的接收信號(hào)帶寬為10 MHz，采樣率應(yīng)大于20 MHz，此處選取40 MHz的采樣率以滿(mǎn)足信噪比改善因子和中頻采樣要求。

將AD采樣的數(shù)據(jù)按照接收天線數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排列，假設(shè)有16組接收天線，采樣后根據(jù)采樣時(shí)刻將接收到的數(shù)據(jù)重排為16組，排列后如圖9所示。

4.2 距離維成像

對(duì)于重排后的每一路信號(hào)，按照?qǐng)D10所示的流程對(duì)數(shù)據(jù)分組作FFT，然后進(jìn)行合并，獲得距離維成像結(jié)果。各個(gè)接收天線數(shù)據(jù)做FFT，獲得距離維成像結(jié)果。

圖9 采用數(shù)據(jù)重排示意圖

圖10 距離維成像流程圖

4.3 方位成像

方位維成像有兩種方式：一種是數(shù)字波束合成，利用FFT實(shí)現(xiàn)，計(jì)算量小，但角度分辨力較低；另一種是構(gòu)建Capon空間濾波器，如圖11所示，需要估計(jì)自相關(guān)矩陣并進(jìn)行矩陣求逆，角度分辨力較高，但計(jì)算量很大。

數(shù)字波束合成可以看做是檢測(cè)信號(hào)的空間頻率，對(duì)同一距離單元上的16個(gè)數(shù)據(jù)作FFT，獲得方位維成像結(jié)果，為了使方位精度達(dá)到1°，補(bǔ)零作32點(diǎn)FFT(方位精度為1.220°)。

Capon波束形成，其波束形成系數(shù)向量形式為式(26)，其中R是觀測(cè)的快拍向量Q(n)的自相關(guān)矩陣。自相關(guān)矩陣?yán)么龣z測(cè)距離單元左右鄰近4～5個(gè)距離單元的數(shù)據(jù)(目標(biāo)約覆蓋4～5個(gè)距離單元)進(jìn)行估計(jì)。

圖11 Capon空間濾波器

(26)

各天線接收數(shù)據(jù)分別經(jīng)過(guò)FFT進(jìn)行距離維成像后，對(duì)于不同的角度θ進(jìn)行波束形成系數(shù)加權(quán)并求和，得到該方位上的能量估計(jì)。

ω(θ)=[ω1(θ),ω2(θ),…,ωM(θ)]T

(27)

4.4 目標(biāo)檢測(cè)

在沒(méi)有干擾背景統(tǒng)計(jì)分布的先驗(yàn)知識(shí)時(shí)，可采用非參數(shù)CFAR檢測(cè)器：兩側(cè)單元平均選大電路即 GO-CFAR。在被檢測(cè)單元兩側(cè)各選取M個(gè)單元，分別求這M個(gè)單元的均值，兩者選大后輸出，乘以門(mén)限乘子K作為檢測(cè)門(mén)限。在工程應(yīng)用中，通常選擇兩側(cè)單元數(shù)為8或16個(gè)，被檢測(cè)單元的左右鄰近2～3個(gè)單元不參與本單元的恒虛警率門(mén)限產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)，以免目標(biāo)信號(hào)自身(一般目標(biāo)可能占到三個(gè)距離單元)對(duì)恒虛警率門(mén)限產(chǎn)生影響。

4.5 目標(biāo)凝聚

最后再對(duì)檢測(cè)出的目標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)跡凝聚，由于目標(biāo)可能會(huì)跨越相鄰的幾個(gè)距離單元，對(duì)于經(jīng)過(guò)CFAR處理后過(guò)門(mén)限的相鄰的距離單元按質(zhì)心法進(jìn)行凝聚處理，如圖12所示。

圖12 目標(biāo)凝聚

凝聚準(zhǔn)則：對(duì)相鄰單元的目標(biāo)按式(27)凝聚成一個(gè)目標(biāo)；對(duì)出現(xiàn)在不相鄰單元的目標(biāo)報(bào)告認(rèn)為是兩個(gè)不同的目標(biāo)。

5 仿真分析

仿真場(chǎng)景中分布了5輛汽車(chē)，每輛車(chē)設(shè)有5個(gè)散射點(diǎn)。其中第1輛車(chē)：距離70 m，距離中線4 m，車(chē)寬2.5 m，車(chē)長(zhǎng)10 m；第2輛車(chē)：距離30 m，距離中線2 m，車(chē)寬2 m，車(chē)長(zhǎng)6 m；第3輛車(chē)：距離40 m，距離中線-4 m，車(chē)寬2 m，車(chē)長(zhǎng)6 m；第4輛車(chē)：距離180 m，距離中線-4 m，車(chē)寬2 m，車(chē)長(zhǎng)6 m；第5輛車(chē)：距離180 m，距離中線4 m，車(chē)寬2 m，車(chē)長(zhǎng)6 m。車(chē)輛速度分別為20 m/s、25 m/s、-20 m/s、-15 m/s、10 m/s。

以第一輛為例，根據(jù)車(chē)輛起始位置，車(chē)輛寬度、長(zhǎng)度計(jì)算車(chē)輛的5個(gè)散射點(diǎn)相對(duì)于雷達(dá)的距離與方位：

car_start_x = 70; car_start_y = 4; car_width = 2.5; car_length = 10;

range = start_x+[0,0,car_length/2,car_length,car_length];

azimuth=atand(car_start_y+[0,car_width,car_width/2,0,car_width])./car_range。

接收信號(hào)的表達(dá)式為x(t)=x0(t-Δt)，此處Δt為車(chē)輛第K個(gè)散射點(diǎn)，相對(duì)于第M個(gè)天線陣元的回波時(shí)間，可通過(guò)該散射點(diǎn)距離方位(range，azimuth)與天線陣元相對(duì)關(guān)系獲得，延時(shí)為：tstart = 2×Range(Kidx)/c+(Midx-1)×d×sind(Azimuth(Kidx))/c，根據(jù)此延遲時(shí)間構(gòu)建接收信號(hào)。發(fā)射與回波信號(hào)的時(shí)域圖如圖13所示。

將回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行混頻，得到多個(gè)點(diǎn)頻信號(hào)，進(jìn)行FFT運(yùn)算得到距離成像?；祛l及FFT運(yùn)算結(jié)果如圖14所示。

其次，對(duì)所有通道的距離成像數(shù)據(jù)疊加，再進(jìn)行方位成像結(jié)果如圖15所示。

圖13 發(fā)射與回波信號(hào)

圖14 距離成像(此頻域代表距離)

圖15 全部通道-距離成像及方位成像結(jié)果

最后，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，再進(jìn)行凝聚，如選取道路護(hù)欄寬度為16 m，進(jìn)行繪制護(hù)欄與目標(biāo)，如圖16所示。

6 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)樣機(jī)裝配調(diào)試完成后，在試驗(yàn)場(chǎng)(見(jiàn)圖17)、郊區(qū)田野(見(jiàn)圖18)、國(guó)道(見(jiàn)圖19)、城市道路(見(jiàn)圖20)及某基地靶場(chǎng)(見(jiàn)圖21)進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，對(duì)雷達(dá)的工作模式，距離范圍、方位角范圍，平臺(tái)行駛速度，距離精度、方位精度，方位分辨率等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，均符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖16 目標(biāo)測(cè)試結(jié)果及道路繪制

圖17 角反射器探測(cè)試驗(yàn)

圖19 公路兩側(cè)護(hù)欄探測(cè)

圖20 城市環(huán)境跑車(chē)試驗(yàn)

圖21 單目標(biāo)運(yùn)動(dòng)車(chē)輛跟蹤試驗(yàn)

圖22 方位分辨率測(cè)試

7 結(jié)束語(yǔ)

文章闡述了一種車(chē)載前向防撞雷達(dá)方案，建立了一套時(shí)分復(fù)用陣列體制的系統(tǒng)模型，該模型具有多個(gè)接收天線，通過(guò)射頻開(kāi)關(guān)按照一定的時(shí)序共享一個(gè)接收通道，大大精簡(jiǎn)了系統(tǒng)的體積和成本，雷達(dá)進(jìn)行了跑車(chē)試驗(yàn)，開(kāi)展了性能驗(yàn)證，主要指標(biāo)達(dá)到預(yù)期效果，該方案對(duì)于小型化雷達(dá)設(shè)計(jì)提供了一種方法與思路，具有較強(qiáng)的可行性和工程使用價(jià)值。