LFMCW雷達運用于汽車防撞的研究

王 靜，劉艷萍

（河北工業大學 信息工程學院，天津 300401）

隨著國民經濟的發展，汽車的數量日益增多，汽車運輸愈加繁忙，但同時交通事故也屢見不鮮。因此發展汽車防撞技術，對提高汽車智能化水平有重要意義[1]。汽車要避撞就必須憑借一定的裝備測量前方障礙物的距離，并迅速反饋給汽車，以在危急的情況下，通過報警或自動進行某項預設定操作如緊急制動等，來避免由于駕駛員疲勞、疏忽、錯誤判斷所造成的交通事故。本文將防撞技術的關鍵點著眼于車輛測距技術。從測量距離和相對速度兩個角度出發，實現有效防撞的效果。

1 安全距離的相關研究與設定

1.1 參數確定

所謂安全行車距離就是指在同一條車道上，同向行駛前后兩車間的距離（后車車頭與前車車尾間的距離），保持既不發生追尾事故，又不降低道路通行能力的適當距離。由安全距離的計算公式：

可知要求得安全行車距離，需要確定的參數有本車速度v、反應時間t、輪胎與道路的附著系數φ、系統調整系數η。

1）本車速度v

利用汽車防撞系統的車速傳感器可測得實時值。

2）反應時間t

據有關專家測定，一般來說，大多數駕駛員的反應時間在0.30～1100 s之間，再加上剎車系統發生作用的時間等因素，總的反應時間在1.30～1.98 s之間，即取值為1.30～1.98 s。

3）輪胎與道路的附著系數φ

不同路面的附著系數如表1所示。

表1 不同路面的附著系數Tab.1 Different pavement adhesion

4）系統調整系數η

為了安全，駕駛員要根據自己對安全效果的不同要求來設置調整系數η。如果比較保守，要選擇η值大些。η取值范圍為 1.05～1.10，通常取 1.10。

5）安全間距d0

兩車制動停止時應保持一定的間距d0以保證安全。d0選擇得是否合理，對系統的虛警率有一定的影響。理想情況最小可以為0，但國內外的資料上一般為2～5 m，出于安全考慮取為5 m。

1.2 系統模型的實現過程

給定一個汽車防撞系統，根據各參數的影響因素和取值范圍，設定相應參數:t=1.8 s；η=1.10；d0=5 m。在行車過程中，根據路面類型的不同，參照表1的數據來設定輪胎與道路的附著系數φ。根據計算可得，在速度相同時，不同的路面情況得到的安全行車距離不同，且速度越大，得出的安全行車距離差值就越大。因此決定安裝一個路面情況選擇開關，采用點觸式開關實現，由駕駛員根據天氣狀況主觀選擇附著系數，再進行數據處理，求出該附著系數下的安全行車距離。開關選擇如圖1所示。

圖1 點觸式開關Fig.1 Point contact switch

2 多普勒頻移的測量

2.1 多普勒信息的提取

如果反射信號來自一個相對運動的目標，則反射信號中包括一個由目標的相對運動所引起的多普勒頻移fd[2]。

根據多普勒原理，目標的相對運動速度可用式（1）表示:

式中，f0為發射波中心頻率，λ為發射波波長。

要從接收信號中取出多卜勒頻率需要采用差拍的方法，即設法取出f0和fr的差值fd。

經典的差拍法是采用相干解調，將接受信號與發射信號通過乘法器相乘，經低通濾波器后，即可得到所需的差頻信號。

2.2 相干檢波原理

相干檢波也叫相干解調，目的是將調制信號從接收信號中提取出來[3]。假設發射信號和接收信號分別為

相干解調的一般模型如圖2所示。

圖2 相干解調的一般模型Fig.2 General model of coherent demodulation

在接收端與同頻率的信號c（t）相乘后得

經低通濾波器后得到

x（t）即為接收信號與發射信號的差拍信號，多卜勒頻移被提取出來。

3 LFMCW雷達信號的產生和接收

3.1 LFMCW雷達信號的產生

LFMCW雷達系統基本組成框圖如圖3所示。

圖3 LFMCW雷達系統組成框圖Fig.3 LFMCW radar system block diagram

LFMCW是被調制的射頻信號，由VCO（壓控振蕩器）在調制信號的作用下產生。VCO輸出信號的頻率隨調制信號的幅度作線性變化。VCO輸出信號的一部分經功率放大器放大后由無線發射出去，另一部分經定向耦合器加到混頻器作為混頻器的本振信號。發射信號在前進過程中如果遇到目標則部分被反射，反射信號被接收天線接收與本振信號進行混頻，并經帶通濾波器輸出中頻信號，后繼的信號處理電路即可從中頻信號中提取出目標的距離和速度等信息[4]。

運用MATLAB編程產生LFMCW信號的波形圖如圖4所示[5]。由圖可知，發射信號是一個頻率呈線性減小再增大的LFMCW波形，而回波信號與發射信號波形一致，只是存在一個時延。

圖4 LFMCW的波形圖Fig.4 LFMCW waveform graph

3.2 LFMCW雷達回波信號的雜波處理

將發射信號與回波信號耦合至混頻器進行混頻，輸出中頻信號，結合實際考慮到各種背景（如地物、云雨等）的干擾回波信號，雷達目標回波信號往往是混疊在干擾雜波背景中。大多數雜波都屬于分布雜波，且存在內部運動，頻譜較寬。此時就需要對回波信號進行動目標檢測（MTD）。雷達信號的動目標檢測是利用與相參回波脈沖串匹配的多普勒濾波器組來抑制各種雜波，改善功率信雜比，實現相參積累，以增強雷達在雜波背景中檢測運動目標能力的技術。其實質是相當于對不同通道進行相參積累處理。其實現方法就是將回波信號通過一組多普勒濾波器組，進行信號處理，將動目標回波與雜波分別開來。MTD處理的仿真結果如圖5所示。

3.3 中頻信號處理

對如圖4所產生的LFMCW信號，對比可只回波信號相對于發射信號有一定的時延，即使存在多普勒頻移，對于中頻信號的前向和后向頻差也必然存在相對于變化周期來說比較長的恒定差值階段，采用矩形窗截取恒定階段并對其進行頻譜分析，如圖6（a）（b）所示，通過處理便可得到前向頻差和后向頻差，進而求得距離和相對速度。

圖5 MTD仿真結果Fig.5 Result of MTD simulation

圖6 差頻信號處理Fig.6 Difference frequency signal processing

4 LFMCW雷達信號的測距原理

調頻連續波雷達的載頻在調制周期內線性變化。線性變化亦有多種方式，結合測試需求分析，本文采用三角波調制方式的LFMCW進行測量[6]。由相對運動的角度出發，重點研究反射信號來自一個相對運動的目標，則反射信號頻率中還會包括一個由目標的相對運動所引起的多普勒頻移[7-8]，如圖7所示。

發射信號可表示為：

式中，K為三角波斜率。

相應的回波信號可表示為：

從而可以得到差頻信號為：

圖7 發射信號與運動目標反射信號的頻率關系Fig.7 Relationship of the emission signal and the target reflection signal frequency

兩式相減得到多普勒頻移fd：

根據多普勒頻移原理得相對速度：

結合相對速度的求解公式和防撞系統的設計思想及工作原理可知，要判斷兩車是靠近還是遠離，只需判斷fb-與fb+的符號大小即可。通過以上分析可知：求得LFMCW上下掃頻段的頻率差并比較其數值的大小成為實現有效防撞處理的關鍵。

5 結 論

該設計系統著重從測量兩車間的相對運動出發，只要在判斷兩車間距是否滿足安全距離的條件的同時，利用多普勒效應測得兩車間的相對運動是靠近還是遠離，就可以有效的實現汽車防撞，沒必要實時的測得相對速度數值的大小。這樣減少了很多不必要的信號處理[9]與計算。

[1]張建輝，黃茂三.汽車防撞雷達概述[J].世界汽車，2000，10（6）：16-20

ZHANG Jian-hui，HUANG Mao-san.Automotive collision avoidance radar overview[J].The World Automotive，2000，10 （6）:16-20.

[2]姚淑娜.應用物理基礎[M].北京：機械工業出版社，2008.

[3]沈保鎖，侯春萍.現代通信原理[M].2版.北京：國防工業出版社，2005.

[4]劉寶，劉軍民.FMCw雷達快速高精度測距算法[J].2001，15（3）：41-45.

LIU Bao，LIU Jun-min.FMCw radar fast and accurate fault location algorithm[J].Journal of Electronic Measurement and Instrument，2001，15（3）:41-45.

[5]MATLAB 7.X數字信號處理[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[6]General DSP Technology Specification for FMCW Radar[M].Wireless Engineering，ESD，Lear，2004.

[7]薛敏彪，李勤芳，黨群.高動態突發擴頻通信中偽碼和多普勒頻移的快速捕獲[J].現代電子技術，2011（19）：1-3.

XUE Min-biao，LI Qin-fang，DANG Qun.Fast acquisition of PN code and doppler Shift in high dynamic burst spread spectrum communication[J].Modern Electronics Technique，2011（19）：1-3.

[8]代延村，李宇，常樹龍，等.高速移動條件下的多普勒頻移估計與校正[J].現代電子技術，2011（20）：120-124.

DAI Yan-cun，LI Yu，CHANG Shu-long，et al.Estimation and correction of doppler frequency offset in high-speed communication system[J].Modern Electronics Technique，2011（20）：120-124.

[9]孫艷芳，羅豐，尹冬敏.一種雷達通用信號處理系統的實現與應用[J].電子科技，2011（4）:81-84.

SUN Yan-fang，LUO Feng，YIN Dong-min.Design and implementation of a radar signal processing system[J].Electronic Science and Technology，2011（4）:81-84.