FMCW毫米波防撞雷達(dá)系統(tǒng)

汽車防碰撞系統(tǒng)對(duì)提高汽車行駛安全性十分重要，該系統(tǒng)的研究一直倍受重視。從1971年開始，相繼出現(xiàn)過超聲波、激光、紅外、微波等多種方式的主動(dòng)汽車防碰撞系統(tǒng)，但是以上系統(tǒng)均存在一些不足，未能在汽車上大量推廣應(yīng)用。隨著各國(guó)高速公路網(wǎng)的快速發(fā)展，惡性交通事故不斷增加，為減少事故，先后采用行駛安全帶、安全氣囊等保護(hù)措施，但這些技術(shù)均為被動(dòng)防護(hù)，不能從根本上解決問題。毫米波是指波長(zhǎng)介于1~10mm之間的電磁波，其RF帶寬大，分辨率高，天線部件尺寸小，能適應(yīng)惡劣環(huán)境，所以毫米波雷達(dá)系統(tǒng)具有重量輕、體積小和全天候等特點(diǎn)，“主動(dòng)汽車毫米波防碰撞雷達(dá)系統(tǒng)”成為近年來國(guó)際上研究與開發(fā)的熱點(diǎn)，并已有產(chǎn)品開始投入市場(chǎng)，前景十分看好。

    本文介紹了主動(dòng)汽車防碰撞毫米波雷達(dá)的原理，報(bào)導(dǎo)了我們研制出的SAE-100型毫米波防碰撞雷達(dá)樣機(jī)。

汽車防撞毫米波雷達(dá)系統(tǒng)原理

    主動(dòng)汽車防碰撞是以雷達(dá)測(cè)距、測(cè)速為基礎(chǔ)的。防撞雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛的前方，當(dāng)有危險(xiǎn)目標(biāo)（如行駛前方停止或慢行的車輛）出現(xiàn)，雷達(dá)系統(tǒng)提前向司機(jī)發(fā)出報(bào)警，使司機(jī)及時(shí)作出反應(yīng)，同時(shí)雷達(dá)輸出信號(hào)到達(dá)汽車控制系統(tǒng)，根據(jù)情況進(jìn)行自動(dòng)剎車或減速。

    毫米波防撞雷達(dá)系統(tǒng)有調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)和脈沖雷達(dá)兩種。對(duì)于脈沖雷達(dá)系統(tǒng)，當(dāng)目標(biāo)距離很近時(shí)，發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時(shí)間差非常小，這就要求系統(tǒng)采用高速信號(hào)處理技術(shù)，近距離脈沖雷達(dá)系統(tǒng)就變的十分復(fù)雜，成本也大幅上升。因而汽車毫米波雷達(dá)防撞系統(tǒng)常采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、適合做近距離探測(cè)的調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)體制。

毫米波FMCW雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    FMCW汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)如圖1所示，包括天線、收發(fā)模塊、信號(hào)處理模塊和報(bào)警模塊或汽車制動(dòng)裝置。
射頻收發(fā)前端是雷達(dá)系統(tǒng)的核心部件。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)前端進(jìn)行了大量深入研究，并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。已經(jīng)研制出各種結(jié)構(gòu)的前端，主要包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)前端，微帶結(jié)構(gòu)前端以及前端的單片集成。國(guó)內(nèi)研制的射頻前端主要是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)前端。一個(gè)典型的射頻前端主要包括線性VCO、環(huán)行器和平衡混頻器三部分，如圖2所示。前端混頻輸出的中頻信號(hào)經(jīng)過中頻放大送至后級(jí)數(shù)據(jù)處理部分。數(shù)據(jù)處理部分的基本目標(biāo)是消除不必要信號(hào)（如雜波）和干擾信號(hào)，并對(duì)經(jīng)過中頻放大的混頻信號(hào)進(jìn)行處理，從信號(hào)頻譜中提取目標(biāo)距離和速度等信息。

毫米波FMCW雷達(dá)測(cè)距、測(cè)速原理

    雷達(dá)系統(tǒng)通過天線向外發(fā)射一列連續(xù)調(diào)頻毫米波，并接收目標(biāo)的反射信號(hào)。發(fā)射波的頻率隨時(shí)間按調(diào)制電壓的規(guī)律變化。一般調(diào)制信號(hào)為三角波信號(hào)，發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的頻率變化如圖3a所示。反射波與發(fā)射波的形狀相同，只是在時(shí)間上有一個(gè)延遲(t，(t與目標(biāo)距離R的關(guān)系可表示為

    △t=2R/c    （1）

    式中c：光速發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)在某一時(shí)刻的頻率差即為混頻輸出的中頻信號(hào)頻率(f（如圖3b）。根據(jù)三角關(guān)系，由圖3a可以得出目標(biāo)距離R為

    R=(cT/4△F)△f    （2）

    也就是說，目標(biāo)距離與前端輸出的中頻頻率成正比。

    如果反射信號(hào)來自一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，則反射信號(hào)中包括一個(gè)由目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的多譜勒頻移fd（如圖4）。在三角波的上升沿和下降沿輸出中頻頻率可分別表示為

    fb+=△f-fd    （3）

    fb-=△f+fd    （4）

    式中——(f：目標(biāo)相對(duì)靜止時(shí)的中頻頻率；fd：多譜勒頻移，其符號(hào)與目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向有關(guān)。

 根據(jù)多譜勒原理，目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v為

v=c/4f0(fb--fb+)
=λ(fb--fb+)    （5）

    式中——f0：發(fā)射波中心頻率；：發(fā)射波波長(zhǎng)。

    速度v的符號(hào)與目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向有關(guān)，目標(biāo)靠近時(shí)v為正值，反之v為負(fù)。三角波上升沿和下降沿的中頻信號(hào)頻率由DSP進(jìn)行FFT變換得到。

    由公式（2）和（5）就可以計(jì)算出目標(biāo)距離和目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

SAE-100型毫米波防碰撞雷達(dá)系統(tǒng)的研制

    上海汽車電子工程中心經(jīng)過近一年的研究，已經(jīng)研制出SAE-100型毫米波防碰撞雷達(dá)系統(tǒng)樣機(jī)。該樣機(jī)采用零差FMCW體制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，工作頻率35GHz，測(cè)距范圍>100m，測(cè)速范圍>100km/h。系統(tǒng)采用了增益為26dB的小型喇叭天線，發(fā)射功率40mW的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)前端，以及先進(jìn)的DSP數(shù)據(jù)處理技術(shù)。上面部分包括天線、前端和中頻放大模塊，尺寸為19cm(15cm(16cm，輸出信號(hào)為經(jīng)過放大了的中頻信號(hào)。下面部分為數(shù)據(jù)處理和顯示報(bào)警模塊，可以顯示目標(biāo)距離和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)目標(biāo)距離小于100m時(shí)，根據(jù)距離的不同可以用三種不同的音調(diào)進(jìn)行報(bào)警。