一種應用于汽車安全系統的LFMCW雷達

李 洋 李 浩 王占平 郭 婧

(電子科技大學 成都 610054)

0 引言

據統計，絕大多數的汽車安全是事故是因人的反應時間慢來不及采取相應措施導致的，汽車安全事故在各種交通事故中高居首位，這給人的生命安全帶來了極大的威脅。汽車防撞雷達探測近距離的目標車輛，并預警存在相撞可能的車輛，提前提示駕駛員做出應對措施，或著自動控制駕駛進行緊急剎車或避讓，這樣就可以大大減少交通事故發生的機率，保護人的生命財產安全。

由于上述原因國內外一直在致力于汽車的研究。通常雷達的頻段設計24GHz 或77GHz 兩個頻段，前者適宜近距離的探測，后者適用于遠距離的探測，實際國外多將76-77GHz 作為首選。汽車雷達的應用有多個方面，像自動巡航控制、駕駛員盲點監測、緊急剎車、前視防撞警告等等。

一些半導體公司也不斷推出適宜用于汽車雷達的器件或著給出解決方案。Freescale 半導體公司基于SiGe 工藝設計了77GHz 的VCO 和發射機，Infineon 科技在現有200GHz 技術的基礎上，也推出了適用于汽車雷達的76-77GHz 的器件，TriQuint 半導體推出了多種77GHz 頻段的采用MMIC 技術的產品，像基于0.13 微米假同晶高電子遷移率晶體管工藝的GaAs 低噪聲放大器和異質結雙極晶體管技術的GaAs 正交混頻器［1］。

關于汽車雷達除了射頻器件的問題，更多的研究重點在算法上。德國Benz 公司研制的雷達系統作用距離150m，可同時跟蹤30 個目標;德國漢堡技術學院對體制進行了創新，結合了頻移鍵控(FSK)和線性調頻連續波(LFMCW)，歐美、日本的一些汽車公司對這種雷達進行了深入研究，并取得了一定應用效果。國內也有高校、研究所和公司對汽車防撞雷達進行了研究。江蘇賽博電子有限公司與高校合作研制雷達工作頻率38GHz，可以同時監測20 個目標，最小檢測距離為1m;中科院上海微系統所研制出的雷達系統測量距離＞100m，測速范圍＞100km/h;電子科技大學對LFMCW 雷達進行了研究，提出了多種距離-速度去耦合的算法。

本文設計的LFMCW 雷達，設計在24GHz 頻段，大寬帶、體積小、功耗小，實現了對目標車輛進行距離、速度的測量。

1 LFMCW 雷達工作原理

連續波雷達測速的原理是多普勒頻移，確無法同時對距離進行測量。本文采用對稱三角波調制LFMCW 信號作為射頻前端的發射信號，可以同時對距離和速度進行測量。三角波掃頻工作帶寬為B，時寬Tm，中心頻率為fc，回波信號與發射信號混頻并濾除高頻分量后得到中頻信號，差頻的上邊頻為fbd，下邊頻為fbd。發射信號頻率、接收信號頻率與中頻信號頻率的關系見圖1。

圖1 線性調頻鋸齒波及差頻

發射的信號為:

其中發射信號的瞬時相位可以寫成

發射的瞬時頻率:

在上升段時發射信號可以寫成

假設發射信號遇到一個目標，延時為τ，回波信號為:

發射信號和回波信號混頻，使用積化和差公式得

經過低通濾波器后，第一個和項為高頻分量被濾掉，第二項分解為:

對于靜止目標，v=0 時有

當v≠0 時，回波時延與速度有關，設初始距離仍為R，當目標是接近時

當目標是遠離時

代入中頻信號中可以得到

其中最后一項稱為距離-速度耦合。忽略這一項，可以得到三角波上升段和下降段的中頻信號［2］。

從上式可以得到上下差頻信號［3］。

兩式中的第一項為目標靜止時的回波信號頻率，第二項是因為目標運動產生的多普勒頻率，這就可以使用差頻可以計算得到距離和速度:

2 系統結構

設計的LFMCW 雷達系統組成包括射頻前端、天線、數據采集和信號處理四個部分。射頻前端產生一個對稱三角波調制線性調頻信號，經過天線輻射出去，發射信號經目標反射后由兩個接收天線接收，與發射信號混頻后得到中頻信號;數據采集部分完成地中頻信號的放大、抗混疊濾波和模數轉換，并把數字化的信號通過USB 發送到PC 機;把接收的數據在Matlab 中進行信號處理，進行目標參數的計算。

射頻前端的結構如圖2所示。射頻前端使用VCO 產生調頻信號，產生一個三角波調諧電壓來控制VCO 的輸出頻率，一部分經天線發射出去，并耦合一部分作為混頻器的本振，接收天線的回波經過低噪聲放大后與其混頻，經過低通濾波、放大后得到中頻信號。由于VCO 的輸出頻率會隨溫度等因素有所漂移，所以在射頻前端工作前需對其進行校正。校正是使用PLL 產生一個已知頻率的固定點頻，通過開關切換到混頻器的回波輸入，改變VCO 的調諧電壓，當PLL 的輸出頻率和VCO 的頻率相同時在中頻處得到最大幅度的輸出時的電壓對應VCO 在此環境下的輸出頻率，進行多個點的測量后擬合可得到一個校正曲線，使用DAC 輸出此電壓可得到所需的頻率輸出。

圖2 射頻前端結構圖

前端測試結果，圖3 是頻率為24.3GHz 的點頻測試結果，圖4 是掃頻從24.0GHz 到24.6GHz 的測試結果。

圖3 點頻測試結果

圖4 線性調頻測試結果

天線采用微帶陣列，發射天線設計為一個8 ×6元線陣，頻段為24.0 ～24.6GHz，增益大于20dB，副瓣為-20dB，E 面、H 面半功率波瓣寬度分別為15.7°和10.8°，有較好的方向性。

數據采集、處理部分電路框圖如圖7所示。中頻信號首先經過放大、抗混疊濾波，調理后的信號由高精度的ADC 進行模數轉換，數字化的信號由FPGA 進行預處理，進行數字濾波、增益控制、量程控制、累積、存儲等功能，經過預處理的數據再由DSP進行復雜的算法的處理。同時FPGA 控制DAC 產生調諧VCO 調諧電壓產生所需頻率輸出。

圖5 發射天線陣列模型

圖6 接收天線陣列模型

圖7 中頻處理卡結構

3 測試及結論

在Matlab 中對算法進行仿真，信號處理的流程見圖8。數字濾波是為了將噪聲去除，同時抵制直流附近成分，只保留測量范圍內的回波信號頻率。發射機掃頻周期較短時，在一次掃頻周期內測得的多普勒頻偏很小，所以在FFT 計算后得到的是距離信息。再對第一次FFT 計算后同一個距離門的結果進行第二次FFT 就可以得到了多普勒頻率［4-5］。

處理后的距離計算結果見圖9。

圖9 距離計算仿真結果

圖10 速度計算仿真結果

經過初步測試可知距離測量范圍＞120m，精度＜1m，速度測量精度＜2m/s。為了進一步提高測量精度可以采用發射變掃頻周期信號，有一種結合FMCW 和FSK 得到的MFSK 信號可以消除多普勒模糊進一步提高性能。為了得到目標的方位、加速度等信息，中頻信號處理的算法仍是需要研究的重點。

［1］Rohling，Hermann.Milestones in radar and the success story of automotive radar systems［C］.Radar Symposium(IRS)，2010 11th International.IEEE，2010.

［2］Yi，Joon Hyung.24 GHz FMCW radar sensor algorithms for car pplications［C］.Radar Symposium(IRS)，2011 Proceedings International.IEEE，2011.

［3］Kronauge，Matthias，Christoph Schroeder，and Hermann Rohling.Radar target detection and Doppler ambiguity resolution［C］.Radar Symposium(IRS)，2010 11th International.IEEE，2010.

［4］杜雨洺.近程小扇區LFMCW 雷達信號處理研究［D］.成都:電子科技大學，2006.

［5］張容權.雙基地LFMCW 雷達信號處理技術研究［D］.成都:電子科技大學，2005.