FMCW雷達(dá)系統(tǒng)及其前端數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

摘要 (FMCW)調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)在汽車(chē)防撞系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。文中對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外汽車(chē)防撞系統(tǒng)的發(fā)展做了闡述和比較，以FMCW毫米波雷達(dá)作為系統(tǒng)前端，對(duì)防撞系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)、信號(hào)的前置放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行了介紹與設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞 FMCW；毫米波雷達(dá)；車(chē)輛防撞系統(tǒng)；前置放大

    隨著我國(guó)汽車(chē)總量的迅速上升，交通安全問(wèn)題也引起了政府和社會(huì)的廣泛關(guān)注。大量的研究表明，當(dāng)意外發(fā)生時(shí)，車(chē)輛若能提前0．7 s制動(dòng)，就可使碰撞死亡率下降75％；若能提前1．3s，則碰撞死亡率則將下降99%以上。因此，1．3 s的碰撞報(bào)警黃金時(shí)間可有效降低事故發(fā)生率。車(chē)載FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave)雷達(dá)防撞系統(tǒng)是降低事故率的重要主動(dòng)安全手段。
    車(chē)載防撞雷達(dá)系統(tǒng)的研究始于20世紀(jì)60年代。90年代以后，奔馳、日產(chǎn)、豐田和福特等公司小批量安裝過(guò)連續(xù)波雷達(dá)。奔馳S系列、美洲虎XKR系列、奧迪A8等高檔車(chē)型上已有配備相關(guān)系統(tǒng)，但價(jià)格昂貴。我國(guó)汽車(chē)防撞雷達(dá)的研制起步較晚，雖已引起業(yè)界重視，但至今未有便于裝車(chē)的微型化成品批量投入使用。FMCW雷達(dá)由于其本身在測(cè)距和測(cè)速方面的優(yōu)勢(shì)，已成為目前汽車(chē)主動(dòng)防撞系統(tǒng)的首選。文中所介紹的基于FMCW技術(shù)的汽車(chē)防撞雷達(dá)系統(tǒng)，可以自動(dòng)偵測(cè)兩車(chē)之間的距離及相對(duì)速度，進(jìn)行危險(xiǎn)判斷，提醒駕駛員作出相應(yīng)反應(yīng)或與剎車(chē)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)動(dòng)作來(lái)避免兩車(chē)相撞。

1 防撞雷達(dá)系統(tǒng)方案的選擇及原理
1．1 汽車(chē)防撞探測(cè)技術(shù)的比較與選擇
    目前汽車(chē)防撞探測(cè)主要是采用紅外、超聲波、雷達(dá)等一些測(cè)量方式。其中紅外、激光、攝像頭等光學(xué)技術(shù)價(jià)格低廉且技術(shù)簡(jiǎn)單，但全天候工作效果不好；超聲波受天氣狀態(tài)影響大，探測(cè)距離短，多用于倒車(chē)保護(hù)；而FMCW毫米波雷達(dá)則克服了上述幾種探測(cè)方式在汽車(chē)防撞探測(cè)中的缺點(diǎn)，具有穩(wěn)定的探測(cè)性能和良好的環(huán)境適應(yīng)性。它不僅可測(cè)量目標(biāo)距離，還可測(cè)量目標(biāo)物體的相對(duì)速度及方位角等參數(shù)，使汽車(chē)在惡劣氣候條件下實(shí)現(xiàn)盲行成為可能。此外，F(xiàn)MCW毫米波雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、發(fā)射功率低、分辨率和靈敏度高、天線(xiàn)部件尺寸小，已成為主動(dòng)防撞雷達(dá)的首選。
1．2 雷達(dá)頻率的選擇
    雷達(dá)波的頻率原則上并無(wú)特別的限制。目前，按照歐盟委員會(huì)的決定，從2005年下半年至2013年，在所有歐盟國(guó)家，汽車(chē)防撞雷達(dá)將使用K波段24 GHz的專(zhuān)門(mén)頻帶。雖K波段的24 GHz雷達(dá)的波長(zhǎng)為12 mm，已經(jīng)達(dá)到厘米波的范圍，但在特性方面還是接近于毫米波，因此，還將它作為毫米波雷達(dá)來(lái)考慮。
1．3 FMCW雷達(dá)工作原理
    FMCW雷達(dá)的基本原理為，發(fā)射波為高頻連續(xù)波，其頻率隨時(shí)間按照三角波規(guī)律變化。雷達(dá)接收的回波頻率與發(fā)射的頻率變化規(guī)律相同，都是三角波規(guī)律，只是有一個(gè)時(shí)間差，利用這個(gè)微小的時(shí)間差就可以計(jì)算出目標(biāo)距離。其發(fā)射頻率與接收頻率的相對(duì)關(guān)系不僅可測(cè)量目標(biāo)距離，而且還可測(cè)量目標(biāo)徑向速度v。圖1為FMCW雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)圖。

    FMCW雷達(dá)的基本工作原理如圖2所示。

    其中，發(fā)射信號(hào)頻率ft按周期性三角形波的規(guī)律變化，它的調(diào)頻帶寬為△f，ft的平均頻率為f0，通常f0變化范圍為幾百到幾千MHz，變化周期為T(mén)m。fr1為從靜止目標(biāo)反射回來(lái)的回波頻率，它和發(fā)射頻率的變化規(guī)律相同，但在時(shí)間上滯后tr=2R／c。發(fā)射和接收頻率之間的頻率差即混頻器輸出的中頻信號(hào)頻率IF，差頻的平均值用Fbav表示。

2 汽車(chē)防撞雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)的主要工作是測(cè)量車(chē)輛與前方目標(biāo)的相對(duì)距離和相對(duì)速度。雷達(dá)對(duì)前方目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，對(duì)目標(biāo)距離、速度和方向進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)判斷目標(biāo)與車(chē)輛是否在同一車(chē)道上，若是，則將目標(biāo)的距離、速度與雷達(dá)設(shè)定的預(yù)警條件進(jìn)行對(duì)比，達(dá)到預(yù)警條件時(shí)，雷達(dá)向駕駛員進(jìn)行聲光預(yù)警或與剎車(chē)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

    FMCW雷達(dá)天線(xiàn)分為收發(fā)共用天線(xiàn)和分置天線(xiàn)，選用的雷達(dá)使用的收發(fā)分置天線(xiàn)，即發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)分別用兩個(gè)天線(xiàn)。微帶天線(xiàn)具有成本低、性能可靠、占據(jù)空間小、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，適合使用在汽車(chē)上，選用的雷達(dá)使用平面微帶天線(xiàn)。
    收發(fā)前端是雷達(dá)系統(tǒng)的核心部分，主要包括壓控振蕩器VCO、混頻器、定向耦合器等；其中VCO是收發(fā)前端的核心，用于產(chǎn)生調(diào)頻波，定向耦合器是把VCO輸出功率的一部分耦合到混頻器的輸入端，作為混頻器的本征信號(hào)，混頻器的作用是完成回波和本振信號(hào)的差頻，從而輸出中頻信號(hào)，再用帶通濾波器濾除混頻器輸出中的一些雜波。
    中頻放大電路將混頻器輸出的差頻信號(hào)即中頻信號(hào)進(jìn)行放大、匹配濾波等處理，消除其中的干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)幅值統(tǒng)一。中頻放大電路性能的好壞直接影響到對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)的檢測(cè)。
    信號(hào)處理模塊對(duì)經(jīng)中頻放大的信號(hào)進(jìn)行處理，提取出信號(hào)的頻率，從而計(jì)算出目標(biāo)的距離和速，一般由DSP完成數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)。可使用T16000系列DSP完成A／D轉(zhuǎn)換后有關(guān)數(shù)值計(jì)算的一系列處理，包括濾除、數(shù)據(jù)預(yù)處理、FFT、譜峰平滑、目標(biāo)搜索、目標(biāo)跟蹤等任務(wù)。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 VCO調(diào)制電壓
    壓控振蕩器VCO工作需要通過(guò)一個(gè)調(diào)制電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)頻率的變化，在上文中已經(jīng)提出，同時(shí)測(cè)距并測(cè)速，F(xiàn)MCW雷達(dá)的調(diào)制信號(hào)波形為三角波模式，就需要一個(gè)三角波調(diào)制電壓來(lái)使VCO工作，可是利用單片機(jī)采用PWM方式實(shí)現(xiàn)，也可以直接使用三角波發(fā)生電路。但無(wú)論采用哪種方式，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，線(xiàn)性總是不理想的。因此，適當(dāng)擴(kuò)大三角波電壓幅值，然后取其中線(xiàn)性較好的一段來(lái)控制VCO工作。三
角波發(fā)生電路如圖4所示。

    振蕩頻率為
   
    調(diào)節(jié)電路中R1，R2，R3的阻值和C的容量，可以改變振蕩頻率。而調(diào)節(jié)R1和R2的阻值，可以改變?nèi)遣ǖ姆怠?br /> 3．2 濾波放大電路
    雷達(dá)傳感器工作時(shí)輸出的中頻信號(hào)需經(jīng)一系列濾波、放大和DSP處理后，才更易于從中分析得到所需的目標(biāo)信息。尤其是當(dāng)雷達(dá)工作于FMCW模式時(shí)，輸出信號(hào)要先經(jīng)濾波處理濾掉調(diào)制信號(hào)后才能進(jìn)行放大處理，否則會(huì)使得調(diào)制信號(hào)被過(guò)分放大導(dǎo)致信號(hào)飽和失真。在雷達(dá)工作于FMCW模式用于測(cè)距功能時(shí)，外接濾波放大電路的目的主要是為了去掉調(diào)制信號(hào)和進(jìn)一步放大輸出信號(hào)；而當(dāng)雷達(dá)工作于CW模式用于測(cè)速功能時(shí)，外接濾波放大電路的目的主要是為了濾除干擾和噪聲，同時(shí)也進(jìn)一步放大輸出信號(hào)。圖5為工作于CW模式的外置濾波放大電路，其增益為60 dB，帶寬為30 Hz～50 kHz。圖6為該濾波器的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)。圖7為工作于FMCW模式下的高通濾波電路，增益為60dB、頻率為1kHz。圖8為其對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)。

3．3 模數(shù)轉(zhuǎn)換
    傳感器輸出信號(hào)經(jīng)高通濾波放大處理后，先經(jīng)D／A采樣將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后交給DSP模塊處理。因?yàn)椴蓸拥乃俾瘦^高，若頻繁的中斷DSP則會(huì)造成處理器處理時(shí)間的大量浪費(fèi)，所以A／D采樣的數(shù)據(jù)先送往先進(jìn)先出存儲(chǔ)器(First In First Out，F(xiàn)IFO)，然后再集中交給DSP。而且，利用FIFO的讀使能和寫(xiě)使能可以控制對(duì)ADC采樣數(shù)據(jù)的保存和讀取。經(jīng)FFT及相應(yīng)的Chirp-Z變換等數(shù)字處理運(yùn)算，最終可分析得到所需信息。

4 結(jié)束語(yǔ)
    汽車(chē)主動(dòng)安全裝置的研發(fā)與推廣是近年來(lái)全球整車(chē)生產(chǎn)和汽配廠(chǎng)商研究和推廣的熱點(diǎn)。FMVCW微帶毫米波雷達(dá)系統(tǒng)作為主要的車(chē)載主動(dòng)安全裝備，正在引發(fā)主動(dòng)防撞系統(tǒng)研究、技術(shù)改進(jìn)和商業(yè)化的熱潮。文中對(duì)微型FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的架構(gòu)介紹和前端數(shù)據(jù)采集模塊關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)，為相關(guān)方向的工作者提供參考。