车用毫米波防撞雷达测距系统的研究

高敬轩 庄秋慧 张进科 向友洪 姜文强 刘李龙

（重庆理工大学 电子信息与自动化学院，重庆404100）

1 引言

随着现代社会工业化程度的迅速发展，汽车变得越来越普及，但交通事故也变得更加频繁，对人们造成了巨大的生命和经济损失。而且人们对汽车驾驶过程当中安全性、舒适性要求的不断提高，汽车雷达被广泛地应用在汽车的自适应巡航系统，防碰撞系统以及驾驶支援系统中。其中，毫米波雷达因探测精度高、硬件体积小和不受恶劣天气影响等优点而被广泛采用。

对大部分交通事故进行分析，事故都是因为司机反应不及所引起的，没有及时意识到危险的存在。如果司机能提前知道自己处于危险行驶中，并尽快做出相应措施，就能大大减少此类交通事故的发生。在这种背景下，汽车雷达就以不同的方式应运而生[2]。

2 防撞雷达的方案选择

当今社会有着各种不同的雷达方案，在各种领域都有着广泛地应用。例如超声波技术，视频摄像图形识别技术，激光定位技术，红外成像技术，毫米波技术等[3]，每一种技术有着自己的特点，适用于不同的需求。就汽车雷达应用方面，毫米波技术具有着很大的优势。通过对在不同自然环境下，各种测距方式的效果进行比较可得表1。

表1 不同雷达技术在各种环境下的功能测试

由表1分析可得，在探测能力和抗干扰能力方面，毫米波技术都优于其他方案，且能很好地防止虚警的发生，这些优点让毫米波成为汽车雷达方面的热门技术。此次设计笔者选择毫米波技术[4]作为汽车前后精确测量的方案。

3 线性调频连续波（LFMCW）雷达测距系统

LFMCW雷达测距系统的工作原理:首先LFMCW毫米波雷达在系统控制下由天线发射信号，该信号遇目标后返回雷达进入混频器与本振信号混频，产生系统需要的目标中频信号，然后中频信号进入中频放大滤波模块进行放大滤波处理，最后由目标探测LFMCW雷达测距系统对此信号进行采集、显示、存储和后续的数字信号处理[5]。

发射频率曲线（实线）接受频率曲线（虚线）均成锯齿状，两者存在一定时间延迟。发射和接收信号的频率变化[6]如图2所示。

图1 LFMCW雷达测距系统的基本组成

图2 LFMCW雷达发射和接收信号频率-时间曲线

设发送信号和接收信号之间的时间延迟为Δt，车与障碍物（假设两者相对静止）之间距离为R，c为光速，则：

发射信号与接收信号的频率差为混频输出的中频信号频率Δf，如图3所示。

图3 混和中频信号

根据相似关系可得：

例 10 要防止和克服地方和部门保护主义、本位主义，决不允许“上有政策，下有对策”，决不允许有令不行、有禁不止，决不允许在贯彻执行中央决策部署上打折扣、做选择、搞变通。[1]386

其中T为调制三角波的周期，B为调频带宽。由（1）、（2）可得：，即待测距离R与雷达前段输出的中频频率成正比[7]。

多数情况下，两者不会保持静止。当两者相对运动时，根据多普勒效应，发射和接收信号将发生频移fd。发射信号与接收信号进行混频后，产生了差拍信号：

其中，fb+和fb-分别代表前半周期正向调频和后半周期负向调频所得的差频，v为汽车和障碍物的径向速度，f0为发射波的中心频率。由（3）、（4）可得：

根据式a和式b所得的值，通过显示模块进行显示，并判断R和v是否超出安全范围，若超出，则通过对应模块进行声光报警。

4 处理器的选择与CAN总线

4.1 处理器的选择

当下FPGA和DSP在雷达方面都有着不俗的发展。根据需求的不同，方案选择也存在着差别。

FPGA：时序控制能力强（时序能力强，没有指令周期，速度快），控制能力较强，数字信号处理及算法弱。

DSP和FPGA开发的区别：

DSP，专用电路通过对RAM内部的指令和数据工作。所以开发遵循嵌入式软件的设计原则。调试应更注重于算法的实现。而FPGA，ASIC一种,经典FPGA的内部结构是寄存器+组合逻辑，最后是按照逻辑电路进行设计。所以属于硬件设计原则。调试除了需要关心功能以外，还需要关心电路方面的特性。比如说延迟，整体功率等等。

本测距系统主要注重于通过算法处理所接收的数据信号，通过DSP处理来达到雷达测距的目的。

4.2 CAN总线

为防止汽车在使用寿命期内由于数据交换错误而对司机造成危险，汽车的安全系统要求数据传输具有较高的安全性。从总线系统数据的角度看，可靠性可以理解为，对传输过程产生的数据错误的识别能力。

而CAN总线具有以下优点：

4.2.1 废除传统的站地址编码，代之以对通信数据块进行编码，可以多主方式工作。

4.2.2 采用非破坏性仲裁技术，当2个节点同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响继续传输数据，有效避免了总线冲突。

4.2.3 采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短。

4.2.4 每帧数据都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境下使用。

4.2.5 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其他操作不受影响。

4.2.6 可以点对点，一对多及广播集中方式传送和接收数据。具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点。

4.2.7 采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作。

5 结语

通过汽车雷达网络的开发，可以带动车载网络技术、车载计算技术的发展，以便在即将形成的巨大的汽车雷达网络系统行业争得一席之地。随着智能系统研究的不断发展与创新，防撞控制领域需要越来越多的雷达传感器[8]，LFMCW毫米波雷达作为其中最具潜力的一种，前景一片光明。特别是随着DSP的发展及其在这方面的优越性，将使DSP在汽车雷达这方面得到更大的发展空间。

［1］丁鹭飞，耿富录.雷达原理［M］.西安：西安电子科技大学，2002.

［2］任亚欣.汽车防撞雷达概述［J］.北京：科技情报开发与经济，2007，17（17）：153-154.

［3］赵树杰.雷达信号处理技术［M］.北京：清华大学出版社，2010.

［4］郑兴林.毫米波汽车防撞雷达信号处理关键技术研究［D］.成都电子科技大学，2007.

［5］杨建宇.线性调频连续波雷达理论与实现［D］.成都电子科技大学，1991.

［6］张立志，汪学刚，向敬成.调频线性度与LFMCW雷达距离分辨力的关系［J］.信号处理，1999（15）:93-97.

［7］姜行果.基于DDS的线性调频雷达波形发生器的设计与实现［D］.北京：中国科学院研究生院，2007.

［8］任开春，涂亚庆.LFMCW雷达线性度的检测新方法［J］.现代雷达，2006，28（8）：13-17.