FMCW雷達系統及其前端數據采集模塊設計

戚昊琛，解光軍，張 鑒

(合肥工業大學電子科學與應用物理學院，安徽 合肥 230009)

隨著我國汽車總量的迅速上升，交通安全問題也引起了政府和社會的廣泛關注。大量的研究表明，當意外發生時，車輛若能提前0.7 s制動，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的碰撞報警黃金時間可有效降低事故發生率。車載FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave)雷達防撞系統是降低事故率的重要主動安全手段。

車載防撞雷達系統的研究始于20世紀60年代［1］。90年代以后，奔馳、日產、豐田和福特等公司小批量安裝過連續波雷達。奔馳S系列、美洲虎XKR系列、奧迪A8等高檔車型上已有配備相關系統［2－3］，但價格昂貴。我國汽車防撞雷達的研制起步較晚，雖已引起業界重視，但至今未有便于裝車的微型化成品批量投入使用。FMCW雷達由于其本身在測距和測速方面的優勢，已成為目前汽車主動防撞系統的首選。文中所介紹的基于FMCW技術的汽車防撞雷達系統，可以自動偵測兩車之間的距離及相對速度，進行危險判斷，提醒駕駛員作出相應反應或與剎車系統關聯動作來避免兩車相撞。

1 防撞雷達系統方案的選擇及原理

1.1 汽車防撞探測技術的比較與選擇

目前汽車防撞探測主要是采用紅外、超聲波、雷達等一些測量方式［4］。其中紅外、激光、攝像頭等光學技術價格低廉且技術簡單，但全天候工作效果不好;超聲波受天氣狀態影響大，探測距離短，多用于倒車保護;而FMCW毫米波雷達則克服了上述幾種探測方式在汽車防撞探測中的缺點，具有穩定的探測性能和良好的環境適應性。它不僅可測量目標距離，還可測量目標物體的相對速度及方位角等參數，使汽車在惡劣氣候條件下實現盲行成為可能。此外，FMCW毫米波雷達結構簡單、發射功率低、分辨率和靈敏度高、天線部件尺寸小［4－5］，已成為主動防撞雷達的首選。

1.2 雷達頻率的選擇

雷達波的頻率原則上并無特別的限制。目前，按照歐盟委員會的決定［6］，從2005年下半年至2013年，在所有歐盟國家，汽車防撞雷達將使用K波段24 GHz的專門頻帶。雖K波段的24 GHz雷達的波長為12 mm，已經達到厘米波的范圍，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來考慮。

1.3 FMCW雷達工作原理

FMCW雷達的基本原理為，發射波為高頻連續波，其頻率隨時間按照三角波規律變化。雷達接收的回波頻率與發射的頻率變化規律相同，都是三角波規律，只是有一個時間差，利用這個微小的時間差就可以計算出目標距離。其發射頻率與接收頻率的相對關系不僅可測量目標距離，而且還可測量目標徑向速度v。圖1為FMCW雷達的基本結構圖。

圖1 FMCW雷達基本結構圖

FMCW雷達的基本工作原理如圖2所示。

圖2 FMCW雷達測距原理圖

其中，發射信號頻率ft按周期性三角形波的規律變化，它的調頻帶寬為Δf，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Tm。fr1為從靜止目標反射回來的回波頻率，它和發射頻率的變化規律相同，但在時間上滯后tr=2 R/c。發射和接收頻率之間的頻率差即混頻器輸出的中頻信號頻率IF，差頻的平均值用Fbav表示。

2 汽車防撞雷達系統的結構

系統的主要工作是測量車輛與前方目標的相對距離和相對速度。雷達對前方目標進行檢測，若發現目標，對目標距離、速度和方向進行測量，同時判斷目標與車輛是否在同一車道上，若是，則將目標的距離、速度與雷達設定的預警條件進行對比，達到預警條件時，雷達向駕駛員進行聲光預警或與剎車系統聯動。結構框圖如圖3所示。

FMCW雷達天線分為收發共用天線和分置天線，選用的雷達使用的收發分置天線，即發射信號和接收信號分別用兩個天線。微帶天線具有成本低、性能可靠、占據空間小、可重復性好等優點［7］，適合使用在汽車上，選用的雷達使用平面微帶天線。

圖3 汽車防撞雷達系統整體結構圖

收發前端是雷達系統的核心部分，主要包括壓控振蕩器VCO、混頻器、定向耦合器等;其中VCO是收發前端的核心，用于產生調頻波，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，混頻器的作用是完成回波和本振信號的差頻，從而輸出中頻信號，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即中頻信號進行放大、匹配濾波等處理，消除其中的干擾信號，實現幅值統一。中頻放大電路性能的好壞直接影響到對目標回波信號的檢測。

信號處理模塊對經中頻放大的信號進行處理，提取出信號的頻率，從而計算出目標的距離和速，一般由DSP完成數字信號處理任務?？墒褂肨I6000系列DSP完成A/D轉換后有關數值計算的一系列處理，包括濾除、數據預處理、FFT、譜峰平滑、目標搜索、目標跟蹤等任務。

3 數據采集系統設計

3.1 VCO調制電壓

壓控振蕩器VCO工作需要通過一個調制電壓來實現發射信號頻率的變化，在上文中已經提出，同時測距并測速，FMCW雷達的調制信號波形為三角波模式，就需要一個三角波調制電壓來使VCO工作，可是利用單片機采用PWM方式實現，也可以直接使用三角波發生電路。但無論采用哪種方式，在實際應用的過程中，線性總是不理想的。因此，適當擴大三角波電壓幅值，然后取其中線性較好的一段來控制VCO工作。三角波發生電路如圖4所示。

圖4 三角波發生電路

振蕩頻率為調節電路中R1，R2，R3的阻值和C的容量，可以改變振蕩頻率。而調節R1和R2的阻值，可以改變三角波的幅值。

3.2 濾波放大電路

雷達傳感器工作時輸出的中頻信號需經一系列濾波、放大和DSP處理后，才更易于從中分析得到所需的目標信息。尤其是當雷達工作于FMCW模式時，輸出信號要先經濾波處理濾掉調制信號后才能進行放大處理，否則會使得調制信號被過分放大導致信號飽和失真。在雷達工作于FMCW模式用于測距功能時，外接濾波放大電路的目的主要是為了去掉調制信號和進一步放大輸出信號;而當雷達工作于CW模式用于測速功能時，外接濾波放大電路的目的主要是為了濾除干擾和噪聲，同時也進一步放大輸出信號。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曲線。圖7為工作于FMCW模式下的高通濾波電路，增益為60 dB、頻率為1 kHz。圖8為其對應的頻率響應曲線。

3.3 模數轉換

傳感器輸出信號經高通濾波放大處理后，先經D/A采樣將其轉換成數字信號，然后交給DSP模塊處理。因為采樣的速率較高，若頻繁的中斷DSP則會造成處理器處理時間的大量浪費，所以A/D采樣的數據先送往先進先出存儲器(First In First Out，FIFO)，然后再集中交給DSP。而且，利用FIFO的讀使能和寫使能可以控制對ADC采樣數據的保存和讀取。經FFT及相應的Chirp－Z變換等數字處理運算，最終可分析得到所需信息。

4 結束語

汽車主動安全裝置的研發與推廣是近年來全球整車生產和汽配廠商研究和推廣的熱點。FMCW微帶毫米波雷達系統作為主要的車載主動安全裝備，正在引發主動防撞系統研究、技術改進和商業化的熱潮。文中對微型FMCW雷達系統的架構介紹和前端數據采集模塊關鍵電路的設計，為相關方向的工作者提供參考。

［1］皮文博.基于ARM的汽車防撞系統平臺的研究［D］.武漢:武漢理工大學，2009.

［2］王斌，劉昭度，何瑋，等.車用測距雷達的研究進展［J］.傳感器與微系統，2006，25(3):7 －9.

［3］BELL P.Impact imminentautomotive radar［J］.IEEE Review，2004，50(5):42 －45.

［4］鮑吉龍，應延治，趙洪霞，等.基于DSP技術的汽車防撞雷達［J］.汽車電子，2006，22(4z):188 －190.

［5］徐小平，劉建新，韓宇，等.FMCW測距雷達數字信號處理器設計仿真［J］.信息與電子工程，2004，2(2):133 －135.

［6］歐洲聯盟.歐盟委員會2004年交通報告［EB/OL］.(2004－06 －18)［2011 －10 －20］http://www.sdwto.gov.cn/TBT/Detail.asp?ID=432.

［7］向敬成，張明友.毫米波雷達及其應用［M］.北京:國防工業出版社，2005.