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摘要：介紹了主動(dòng)汽車防碰撞FMCW毫米波雷達(dá)系統(tǒng)原理,報(bào)導(dǎo)了我們研制的SAE-100型毫米波防碰撞雷達(dá)樣機(jī)。

關(guān)鍵詞：毫米波雷達(dá) 汽車防碰撞

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(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(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)測距、測速為基礎(chǔ)的。防撞雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛的前方,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(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(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(shí)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(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)射信號與反射信號在某一時(shí)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(gè)相對運(yùn)動(dòng)的目標(biāo),則反射信號中包括一個(gè)由目標(biāo)的相對運(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)相對靜止時(shí)的中頻頻率;fd：多譜勒頻移,其符號與目標(biāo)相對運(yùn)動(dòng)的方向有關(guān)。

根據(jù)多譜勒原理,目標(biāo)的相對運(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。

速度v的符號與目標(biāo)相對運(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(bào)警模塊,可以顯示目標(biāo)距離和相對運(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。