小型高精度防撞雷达信号处理系统实现

车　俐，白云浩，蒋留兵

(广西无线宽带通信与信号处理重点实验室(桂林电子科技大学)),　桂林 541004)



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小型高精度防撞雷达信号处理系统实现

车俐，白云浩，蒋留兵

(广西无线宽带通信与信号处理重点实验室(桂林电子科技大学)),桂林 541004)

针对国内汽车防撞雷达领域存在问题，研究小型化高精度防撞雷达信号处理系统实现方案，详细分析信号处理流程，确定合适的雷达信号处理方法。结合系统结构和处理方案计算出适合驾车环境的系统参数，通过系统仿真验证其有效性。并在小型化和低成本的条件下，提出基于Super-SVA方法实现目标距离分辨率的提高。确保雷达系统不会因为成本问题限制其检测性能。最后，对实例化样机进行外场功能测试，测试数据分析结果验证了系统方案的可行性。

小型化；高精度；防撞雷达；Super-SVA

0　引　言

随着经济的发展，公路交通运输量日益增大，汽车保有量也不断增加，在它给人类社会带来便利的同时，随之而来的问题是:随着汽车数量的快速增加，交通事故频繁发生，由此导致的生命财产损失数目惊人。对公路交通事故的研究表明，80%以上的车祸是由于驾驶员反应不及所引起。奔驰汽车公司对各类交通事故的研究表明，若驾驶员能够提早1 s意识到事故危险并采取相应的正确措施，则绝大多数的交通事故都可以避免。因此，大力研究汽车防撞主动辅助安全装置是非常必要的。

雷达能够在雨天、雾天、黑夜等恶劣环境中探测目标，不受天气状况的影响全天候地工作，并且能够完成高精度的目标距离和相对速度信息的检测任务。汽车上采用雷达作为防撞的系统可以大大降低交通事故发生率[1-2]，同时也为汽车自动驾驶技术的实现做铺垫。目前，汽车防撞雷达主要由美国、欧洲以及日本为首的发达国家占据领导地位，市面上已有数款产品应用在汽车上。自从2000年以来博世推出第一代汽车防撞雷达，至今已经研制到第三代，其尺寸相对于第一代减小了三分之二，并且成本也降低了，这使得防撞雷达走进小型轿车成为可能。在24 GHz的防撞雷达产品中，德国的HELLA公司极具代表性，该公司雷达采用FMCW信号体制[3-5]，信号最小带宽为200 MHz，重复周期小于50 ms，测距范围为0.75 m～70 m，距离分辨率为1 m。

在汽车防撞雷达领域，国内与国外技术相比有较大差距，并且没有比较成熟的市场产品。主要问题在于：

(1) 目前国内的研究主要参照国外现有的雷达体

制进行仿制，并没有从雷达系统角度进行完整的理论设计及研究。

(2) 性能方面与国外相比分辨率低。

(3) 在小型化方面受工艺影响实际体积远大于国外成熟产品。

随着微波器件和集成技术的发展，24 GHz频段的微波集成芯片技术已经相当完善，集成的商用24 GHz前端收发芯片已出现，成本更低，体积更小，国内测试设备也比较完善，因而24 GHz是我国汽车雷达应用频段的较好选择。并且工业和信息化部于2012年正式发布《工业和信息化部关于发布24GHz频段短距离车载雷达设备使用频率的通知》，将24.25 GHz～26.65 GHz频段规划用于24 GHz短距离车载雷达设备使用。为了实现小型化和低成本的集成应用，本文选用24 GHz频段作为汽车防撞雷达频段。

本文围绕24 GHz FMCW汽车防撞雷达信号处理系统展开，从提高雷达的检测能力，实现低成本、小型化产品两个方面着手开展研究并予以实现。

1　汽车防撞雷达信号处理方案

汽车防撞雷达必须达到以下要求：系统稳定性能好；有较高的测距、测速精度；成本较低；体积小和功耗低。因此，信号处理方案设计应遵循以下三点：

(1) 在保证良好的目标检测概率的条件下应选用简单易行的算法，降低系统复杂度，提高系统稳定性。

(2) 在传统雷达测距方法的基础上，适当对算法进行优化以实现同条件下有较高的测距精度。

(3) 信号处理方案选择时应适当考虑到实现过程中的硬件设计复杂程度，应尽量提高功能的集成化程度，减少芯片的使用数目，以达到降低成本、减小体积和功耗的目的。

雷达系统的信号处理流程，如图1所示。由三角波调制产生器生成数字的三角波调制电压信号，经过数模转换芯片得到模拟信号控制压控振荡器(VCO)输出中心频率为24.5 GHz带宽为150 MHz的两路三角波调频信号，一路送至射频放大器后，接入天线发射，另一路引入接收之路作为下混频本振。接收部分，天线接收到的目标回波经过射频放大后进行正交下混频得到I、Q两路零中频信号，经中频放大后进入带通滤波器滤除带外干扰并进行自动增益控制后对其进行采样量化，进入数字处理器进行信号处理。信号处理部分首先对信号进行复数FFT运算得到快时间维的目标信息；经过N个周期的脉冲积累后对慢时间维进行动目标检测(MTD)处理实现回波信号的杂波抵消；最后经过求模和数据重排后通过阈值检测实现目标判决得到目标信息。

图1　雷达系统信号处理流程图

2　系统参数设计

24 GHz汽车防撞雷达主要应用于中短距离的目标探测任务，主要指标要求如表1所示，要求雷达作用距离大于5 m小于150 m。主要探测目标为汽车，因此相对运动速度最高为120 km/h，即33.3 m/s，分辨率要求小于5 km/h，即1.4 m/s。

表1　汽车前向防撞雷达主要指标

因为三角调频连续波信号实现复杂度低，系统可靠性好，所以本系统采用三角调频连续波信号作为发射信号。三角调频连续波信号其本质可以看作两个LFMCW信号的拼接，其中上扫频信号与下扫频信号的距离速度耦合方式相反。因此，通过和差进而实现距离速度去耦合。根据式(1)可知，要达到1 m的分辨率信号带宽B需要150 MHz。综合考虑接收机中频输出频带宽度对系统参数设计和系统实现复杂度的影响，本文最大中频带宽Fmax取500 kHz，根据式(2)得到三角调频连续波信号重复周期最小不得小于0.2 ms。其中，B取150 MHz，Rmax取100 m，c为光速。

(1)

(2)

为保证信噪比的提高，取相干积累时间(CPI)为16个周期。参考文献[6]得到式(3)粗略计算出16个脉冲近似的信噪比(S/N)n约为4.05 dB。

lg(A+0.12AB+1.7B)

(3)

其中

式中：n为相干积累周期数；Pfa为虚警概率；Pd为检测概率。雷达的距离分辨率与采样率有关系，如式(4)

(4)

实际快速傅里叶变换(FFT)的运算点数通常取512。根据上式计算得到所需要的采样频率fs为512 kHz。采样频率的确定为CPU的容量以及AD芯片采样速率的选择奠定基础。

3　小型化信号处理模块的设计与实现

数字信号处理模块主要包括AD、DA以及CPU器件，其主要功能是完成模拟信号和数字信号之间的转换和数据处理计算等任务。

在小型化设计时，由于各元件间距较小所产生电磁干扰问题增大，同时该模块是数模混合电路。因此，在印制电路板(PCB)设计时对各个模块加以电磁屏蔽，以保证各模块间的干扰最小。PCB布线时对重点模块AD、DA、时钟、现场可编程门阵列(FPGA)假装屏蔽罩，对整个数字板加入屏蔽环路以提高电路的抗电磁干扰能力。图2为PCB布局图和信号处理模块实物图。信号处理模块长宽尺寸为80 mm × 80 mm。

图2　PCB布局及实物图

4　高分辨率多目标检测算法

针对多目标检测问题，从发射波形改进和雷达信号处理两方面着手解决。设计易于产生、抗干扰性能强、具有良好多目标检测性能的雷达发射波形，配以相应的多目标判决算法，以达到准确进行多目标检测的目的。本系统采用改进型变周期LFMCW雷达进行目标识别。先采用MTD抑制杂波，简化目标环境，并进行恒虚警处理。根据同一目标在上、下扫频段的频谱以实际位置为对称轴的偏离，按多普勒通道是否相同对目标进行分组，这样可以减少后续目标配对的复杂度。

雷达系统的距离分辨率本质上受波形自身带宽的限制。若信号带宽越宽则雷达距离分辨率越高。但是发射信号带宽受多方面制约，在低成本和小型化车载防撞雷达设计中发射机带宽相对较小，使得雷达系统的距离分辨率不理想。为实现有限带宽下的超分辨率检测，本文将Super-SVA[7-9]应用到防撞雷达系统。

5　Super-SVA算法在防撞雷达中的应用

Super-SVA是在SVA的基础上发展起来的超分辨率方法，其通过基带回波信号脉压后，进行SVA处理抑制旁瓣。由于只保留了主瓣信息，等同于时域截断，因此频谱被扩展。再通过频谱幅度反加权函数对频谱幅度进行修正。最后经过逆快速傅里叶变换(IFFT)后，就得到超分辨率的目标。其信号处理流程如图3所示。

图3　Super-SVA的算法流程图

其步骤为：

(1)发送一个LFM信号或单频信号。

(2)若发送LFM信号，则②为回波经过脉冲压缩后的结果。若发送为单频信号，则②为回波经过FFT后的结果。

(3)此时，通过SVA等算法，将旁瓣去掉。

(4)由于③中信号在时域被截断，导致信号在频域被展宽。此时，对其进行反向加权和截断。(目的在于将其频谱幅度再次转化为矩形包络)。

(5)此时，这里表示已经进行了频域幅度修正后的结果，可以看到频谱两边都拓宽了40%。

(6)将频谱拓展后的信号转换到时域，脉冲宽度就被缩小了。(因为脉冲宽度为带宽的倒数，此时脉冲宽度为原来的0.71倍)。

结合在汽车防撞雷达的应用，场景中有两个目标，分别与雷达相距50 m、50.8 m目标相对静止，根据第4节所设计得到的雷达系统带宽为150 MHz，差频输出采样频率选择512 kHz，重复周期为1 ms。如果采用该设计参数无法识别出距离差小于1 m的两个目标。现将Super-SVA算法应用于系统内，采集到I、Q两路输出如图4所示，图中含有较高的噪声并不能有效分辨出目标，根据信号处理方案经过FFT后得到的结果，如图5所示，近距离的位置为近地杂波，同时发现真实目标出现谱峰分裂情况，出现该情况是由于两个目标十分接近两谱峰没有完全分辨导致。根据Super-SVA算法产生标准的反加权函数，实现原有信号频域外推。再经过第二次FFT结果如图6所示。与图5对比可以看出该算法有效地提高了目标分辨能力。

图4　时域回波信号

图5　差频信号FFT结果

图6　经过Super-SVA的输出结果

6　外场测试及结果分析

图7所示为防撞雷达样机的实物照片，主要分为五个部分：天线、射频模块、中频模块、数字模块以及外壳。

图7　系统实物图

为了全面有效地评估设备实际性能，分别进行了以下两种场景的实验：

(1)在开阔环境下，用汽车作为被测量对象检验系统作用距离以及距离测量精度，并分析误差来源。

(2)较为复杂的环境下，周围环境有大量绿化带、楼宇等，用汽车作为被测量对象检验雷达在该环境下的性能衰减程度。

对开阔环境和复杂环境下的测量数据(表2)进行详细分析得到在开阔环境下的均方误差为0.7 m，强杂波环境下均方误差为1.26 m。可以看出开阔环境下的均方误差较小，说明在该环境下有良好的检测精度，达到并优于系统设计要求。而在复杂环境下均方误差较大，出现该现象的主要原因是在环境中的绿化带、楼宇等导致回波杂波增强，回波的信杂比下降所致，在强杂波环境下最远可探测距离以及分辨率有所下降。图8为开阔环境下的的测试图，图9为强杂波环境下的的测试图。

表2测量结果m

实际值开阔环境测量值强杂波环境测量值2019.919.53030.531.24039.939.45049.549.36062.361.67069.467.98079.181.79089.388.910099.498.1110109.5-120118.6-130127.2-

图8　开阔环境测试图

图9　强杂波环境测试

测试结果表明：系统达到设计要求，具有小型、高精度的特点，适应产品化的需求。今后，进一步对杂波消除算法做改进，以保证雷达系统对强杂波应用环境的适应能力。

7　结束语

本文紧密结合产品化需求，研究小型化、低成本的汽车防撞雷达信号处理系统。根据信号处理流程对系统主要参数进行设计，并对信号处理系统的硬件实例化进行研究和实现。在宽带限制的条件下，结合频谱外推的方法扩展虚拟带宽实现超分辨率测量的方案。最后，基于外场实际采集数据对该信号处理系统进行功能验证和性能测试，测试数据分析结果验证了本文的系统实现方案的可行性。

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车俐女，1977年生，高级实验师。研究方向为雷达信号处理。

白云浩男，1990年生，硕士研究生。研究方向为雷达信号处理。

蒋留兵男，1973年生，研究员。研究方向为雷达信号处理。

Implementation of Small High Precision Signal Processing System of Collision Avoidance Radar

CHE Li，BAI Yunhao，JIANG Liubing

(Guangxi Wireless Broadband Communication and Signal Processing Key Laboratory,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004, China)

The implementation approach of small high precision signal processing system of collision avoidance radar is studied directing against the existing problems in domestic automotive anti-collision radar field, and signal processing flow is analyzed in detail and appropriate signal processing methods of radar is determined. System parameters suitable for driving environment are computed combining with the system structure and processing scheme and their effectiveness is verified through system simulation. Under the condition of miniaturization and low cost it is proposed to improve the targets range resolution based on Super-SVA method. It is assured that the detection performance of radar system will not be limited by costs problem. Finally the outfield functional testing with the prototype has been achieved and the feasibility of system scheme is verfied by the analysis results of the test data.

miniaturization; high precision; collision avoidance; Super-SVA

国家自然科学基金项目(61561010)；广西自然科学基金项目(2013GXNSFAA019323)；广西科学研究与技术开发计划项目(桂科攻14122006-6)；广西教育厅科研立项项目(KY2015LX096)

车俐Email：jlrql@163.com

2016-03-24

2016-05-30

TN959.71

A

1004-7859(2016)07-0032-04

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.07.008