FMCW毫米波防撞雷達(dá)系統(tǒng)

汽車防碰撞系統(tǒng)對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)均為被動防護(hù)，不能從根本上解決問題。毫米波是指波長介于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)，“主動汽車毫米波防碰撞雷達(dá)系統(tǒng)”成為近年來國際上研究與開發(fā)的熱點(diǎn)，并已有產(chǎn)品開始投入市場，前景十分看好。

    本文介紹了主動汽車防碰撞毫米波雷達(dá)的原理，報導(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

    主動汽車防碰撞是以雷達(dá)測距、測速為基礎(chǔ)的。防撞雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測車輛的前方，當(dāng)有危險目標(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)出報警，使司機(jī)及時作出反應(yīng)，同時雷達(dá)輸出信號到達(dá)汽車控制系統(tǒng)，根據(jù)情況進(jìn)行自動剎車或減速。

    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。對于脈沖雷達(dá)系統(tǒng)，當(dāng)目標(biāo)距離很近時，發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時間差非常小，這就要求系統(tǒng)采用高速信號處理技術(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)簡單、成本較低、適合做近距離探測的調(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、信號處理模塊和報警模塊或汽車制動裝置。
射頻收發(fā)前端是雷達(dá)系統(tǒng)的核心部件。國內(nèi)外已經(jīng)對前端進(jìn)行了大量深入研究，并取得了長足的進(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。國內(nèi)研制的射頻前端主要是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)前端。一個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經(jīng)過中頻放大送至后級數(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（如雜波）和干擾信號，并對經(jīng)過中頻放大的混頻信號進(jìn)行處理，從信號頻譜中提取目標(biāo)距離和速度等信息。

毫米波FMCW雷達(dá)測距、測速原理

    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。發(fā)射波的頻率隨時間按調(diào)制電壓的規(guī)律變化。一般調(diào)制信號為三角波信號，發(fā)射信號與接收信號的頻率變化如圖3a所示。反射波與發(fā)射波的形狀相同，只是在時間上有一個延遲(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)射信號與反射信號在某一時刻的頻率差即為混頻輸出的中頻信號頻率(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。

    如果反射信號來自一個相對運(yùn)動的目標(biāo)，則反射信號中包括一個由目標(biāo)的相對運(yùn)動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)相對靜止時的中頻頻率；fd：多譜勒頻移，其符號與目標(biāo)相對運(yùn)動的方向有關(guān)。

 根據(jù)多譜勒原理，目標(biāo)的相對運(yùn)動速度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。

    速度v的符號與目標(biāo)相對運(yùn)動的方向有關(guān)，目標(biāo)靠近時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頻率由DSP進(jìn)行FFT變換得到。

    由公式（2）和（5）就可以計算出目標(biāo)距離和目標(biāo)相對運(yùn)動速度。

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，測距范圍>100m，測速范圍>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，輸出信號為經(jīng)過放大了的中頻信號。下面部分為數(shù)據(jù)處理和顯示報警模塊，可以顯示目標(biāo)距離和相對運(yùn)動速度。當(dāng)目標(biāo)距離小于100m時，根據(jù)距離的不同可以用三種不同的音調(diào)進(jìn)行報警。