LFMCW雷達(dá)運(yùn)用于汽車防撞的研究

摘要：隨著現(xiàn)代社會(huì)汽車數(shù)量的日益增多，汽車防撞技術(shù)的研究已成為保障人民生命安全和提高運(yùn)輸業(yè)的關(guān)鍵。課題旨在研究一種汽車防撞系統(tǒng)，保證在該系統(tǒng)正常運(yùn)作的情況下既不發(fā)生碰撞事故又不降低道路的通行能力。該系統(tǒng)利用LFMCW的線性調(diào)頻特性及多普勒效應(yīng)的原理既可測(cè)量?jī)绍囬g距又可實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的判斷，結(jié)合兩者的測(cè)量值，實(shí)現(xiàn)有效防撞的功能。主要論述了LFMCW雷達(dá)運(yùn)用于汽車防撞系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)確定及具體實(shí)現(xiàn)方法，原理分析。
關(guān)鍵詞：汽車防撞；LFMCW；多普勒效應(yīng)；相對(duì)運(yùn)動(dòng)

    隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車的數(shù)量日益增多，汽車運(yùn)輸愈加繁忙，但同時(shí)交通事故也屢見不鮮。因此發(fā)展汽車防撞技術(shù)，對(duì)提高汽車智能化水平有重要意義。汽車要避撞就必須憑借一定的裝備測(cè)量前方障礙物的距離，并迅速反饋給汽車，以在危急的情況下，通過(guò)報(bào)警或自動(dòng)進(jìn)行某項(xiàng)預(yù)設(shè)定操作如緊急制動(dòng)等，來(lái)避免由于駕駛員疲勞、疏忽、錯(cuò)誤判斷所造成的交通事故。本文將防撞技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)著眼于車輛測(cè)距技術(shù)。從測(cè)量距離和相對(duì)速度兩個(gè)角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)有效防撞的效果。

1 安全距離的相關(guān)研究與設(shè)定
1．1 參數(shù)確定
    所謂安全行車距離就是指在同一條車道上，同向行駛前后兩車間的距離(后車車頭與前車車尾間的距離)，保持既不發(fā)生追尾事故，又不降低道路通行能力的適當(dāng)距離。由安全距離的計(jì)算公式：
    d*=η／(vt+v2／254φ)      (1)
    可知要求得安全行車距離，需要確定的參數(shù)有本車速度v、反應(yīng)時(shí)間t、輪胎與道路的附著系數(shù)φ、系統(tǒng)調(diào)整系數(shù)η。
    1)本車速度v
    利用汽車防撞系統(tǒng)的車速傳感器可測(cè)得實(shí)時(shí)值。
    2)反應(yīng)時(shí)間t
    據(jù)有關(guān)專家測(cè)定，一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)駕駛員的反應(yīng)時(shí)間在0．30～1100 s之間，再加上剎車系統(tǒng)發(fā)生作用的時(shí)間等因素，總的反應(yīng)時(shí)間在1．30～1．98 s之間，即取值為1．30～1．98 s。
    3)輪胎與道路的附著系數(shù)φ
    不同路面的附著系數(shù)如表1所示。

    4)系統(tǒng)調(diào)整系數(shù)η
    為了安全，駕駛員要根據(jù)自己對(duì)安全效果的不同要求來(lái)設(shè)置調(diào)整系數(shù)η。如果比較保守，要選擇η值大些。η取值范圍為1．05～1．10，通常取1．10。
    5)安全間距d0
    兩車制動(dòng)停止時(shí)應(yīng)保持一定的間距d0以保證安全。d0選擇得是否合理，對(duì)系統(tǒng)的虛警率有一定的影響。理想情況最小可以為0，但國(guó)內(nèi)外的資料上一般為2～5 m，出于安全考慮取為5 m。
1．2 系統(tǒng)模型的實(shí)現(xiàn)過(guò)程
    給定一個(gè)汽車防撞系統(tǒng)，根據(jù)各參數(shù)的影響因素和取值范圍，設(shè)定相應(yīng)參數(shù)：t=1．8 s；η=1．10；d0=5 m。在行車過(guò)程中，根據(jù)路面類型的不同，參照表1的數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)定輪胎與道路的附著系數(shù)φ。根據(jù)計(jì)算可得，在速度相同時(shí)，不同的路面情況得到的安全行車距離不同，且速度越大，得出的安全行車距離差值就越大。因此決定安裝一個(gè)路面情況選擇開關(guān)，采用點(diǎn)觸式開關(guān)實(shí)現(xiàn)，由駕駛員根據(jù)天氣狀況主觀選擇附著系數(shù)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，求出該附著系數(shù)下的安全行車距離。開關(guān)選擇如圖1所示。

2 多普勒頻移的測(cè)量
2．1 多普勒信息的提取
    如果反射信號(hào)來(lái)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)所引起的多普勒頻移fd。
    根據(jù)多普勒原理，目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度可用式(1)表示：
   
    式中，f0為發(fā)射波中心頻率，λ為發(fā)射波波長(zhǎng)。
    要從接收信號(hào)中取出多卜勒頻率需要采用差拍的方法，即設(shè)法取出f0和fr的差值fd。
    經(jīng)典的差拍法是采用相干解調(diào)，將接受信號(hào)與發(fā)射信號(hào)通過(guò)乘法器相乘，經(jīng)低通濾波器后，即可得到所需的差頻信號(hào)。
2．2 相干檢波原理
    相干檢波也叫相干解調(diào)，目的是將調(diào)制信號(hào)從接收信號(hào)中提取出來(lái)。假設(shè)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)分別為
    s(t)=Acosω0t           (3)
    r(t)=Bcos(ω0+ωd)t     (4)
    相干解調(diào)的一般模型如圖2所示。

    在接收端與同頻率的信號(hào)c(t)相乘后得
    rp(t)=r(t)cosω0t
    =[Bcos(ω0+ωd)t]*cosω0t
    =B[cos(2ω0+ωd)t+cosωdt]／2     (5)
    經(jīng)低通濾波器后得到
    x(t)=Bcosωdt／2                 (6)
    x(t)即為接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的差拍信號(hào)，多卜勒頻移被提取出來(lái)。

3 LFMCW雷達(dá)信號(hào)的產(chǎn)生和接收
3．1 LFMCW雷達(dá)信號(hào)的產(chǎn)生
    LFMCW雷達(dá)系統(tǒng)基本組成框圖如圖3所示。

    LFMCW是被調(diào)制的射頻信號(hào)，由VCO(壓控振蕩器)在調(diào)制信號(hào)的作用下產(chǎn)生。VCO輸出信號(hào)的頻率隨調(diào)制信號(hào)的幅度作線性變化。VCO輸出信號(hào)的一部分經(jīng)功率放大器放大后由無(wú)線發(fā)射出去，另一部分經(jīng)定向耦合器加到混頻器作為混頻器的本振信號(hào)。發(fā)射信號(hào)在前進(jìn)過(guò)程中如果遇到目標(biāo)則部分被反射，反射信號(hào)被接收天線接收與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，并經(jīng)帶通濾波器輸出中頻信號(hào)，后繼的信號(hào)處理電路即可從中頻信號(hào)中提取出目標(biāo)的距離和速度等信息。

    運(yùn)用MATIAB編程產(chǎn)生LFMCW信號(hào)的波形圖如圖4所示。由圖可知，發(fā)射信號(hào)是一個(gè)頻率呈線性減小再增大的LFMCW波形，而回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)波形一致，只是存在一個(gè)時(shí)延。
3．2 LFMCW雷達(dá)回波信號(hào)的雜波處理
    將發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)耦合至混頻器進(jìn)行混頻，輸出中頻信號(hào)，結(jié)合實(shí)際考慮到各種背景(如地物、云雨等)的干擾回波信號(hào)，雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)往往是混疊在干擾雜波背景中。大多數(shù)雜波都屬于分布雜波，且存在內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，頻譜較寬。此時(shí)就需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD)。雷達(dá)信號(hào)的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)是利用與相參回波脈沖串匹配的多普勒濾波器組來(lái)抑制各種雜波，改善功率信雜比，實(shí)現(xiàn)相參積累，以增強(qiáng)雷達(dá)在雜波背景中檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)能力的技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于對(duì)不同通道進(jìn)行相參積累處理。其實(shí)現(xiàn)方法就是將回波信號(hào)通過(guò)一組多普勒濾波器組，進(jìn)行信號(hào)處理，將動(dòng)目標(biāo)回波與雜波分別開來(lái)。MTD處理的仿真結(jié)果如圖5所示。

3．3 中頻信號(hào)處理
    對(duì)如圖4所產(chǎn)生的LFMCW信號(hào)，對(duì)比可只回波信號(hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)有一定的時(shí)延，即使存在多普勒頻移，對(duì)于中頻信號(hào)的前向和后向頻差也必然存在相對(duì)于變化周期來(lái)說(shuō)比較長(zhǎng)的恒定差值階段，采用矩形窗截取恒定階段并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，如圖6(a)(b)所示，通過(guò)處理便可得到前向頻差和后向頻差，進(jìn)而求得距離和相對(duì)速度。

4 LFMCW雷達(dá)信號(hào)的測(cè)距原理
    調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的載頻在調(diào)制周期內(nèi)線性變化。線性變化亦有多種方式，結(jié)合測(cè)試需求分析，本文采用三角波調(diào)制方式的LFMCW進(jìn)行測(cè)量。由相對(duì)運(yùn)動(dòng)的角度出發(fā)，重點(diǎn)研究反射信號(hào)來(lái)自一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，則反射信號(hào)頻率中還會(huì)包括一個(gè)由目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的多普勒頻移，如圖7所示。

    發(fā)射信號(hào)可表示為：
    fl(t+)=fl+Kt           (7)
    fl(t-)=fu-Kt           (8)
    式中，K為三角波斜率。
    相應(yīng)的回波信號(hào)可表示為：
    fr(t+)=fl+K(t-τ)+fd        (9)
    fr(t-)=fu-K(t-τ)+fd        (10)
    從而可以得到差頻信號(hào)為：
    fb+=|fr(t+)-fl(t+)|=Kτ-fd       (11)
    fb-=|fr(t-)-fl(t-)|=Kτ+fd       (12)
    兩式相減得到多普勒頻移fd：
   
    結(jié)合相對(duì)速度的求解公式和防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及工作原理可知，要判斷兩車是靠近還是遠(yuǎn)離，只需判斷fb-與fb+的符號(hào)大小即可。通過(guò)以上分析可知：求得LFMCW上下掃頻段的頻率差并比較其數(shù)值的大小成為實(shí)現(xiàn)有效防撞處理的關(guān)鍵。

5 結(jié)論
    該設(shè)計(jì)系統(tǒng)著重從測(cè)量?jī)绍囬g的相對(duì)運(yùn)動(dòng)出發(fā)，只要在判斷兩車間距是否滿足安全距離的條件的同時(shí)，利用多普勒效應(yīng)測(cè)得兩車間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是靠近還是遠(yuǎn)離，就可以有效的實(shí)現(xiàn)汽車防撞，沒必要實(shí)時(shí)的測(cè)得相對(duì)速度數(shù)值的大小。這樣減少了很多不必要的信號(hào)處理與計(jì)算。