24GHz MFSK車載雷達盲區監測系統設計

張 兢 張莉楠 李小紅 李 岳

(重慶理工大學 重慶 400054)

0 引言

近幾年，我國汽車總保有量增加，導致道路交通緊張，交通事故頻繁發生，給社會和家庭帶來人身、精神傷害和財產損失[1-4]。奔馳汽車公司對各類交通事故研究表明：如果駕駛人員的大腦可以提前1s意識到事故將要發生并且準確無誤地做出相應措施，那么絕大多數的交通事故都可以避免[5]。因此，高級駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance Systems，ADAS)的研制與開發對于提高道路交通運輸和保障汽車行駛安全具有非常重要的現實意義和應用前景[6]。目前車載雷達系統研究主要集中在美國、日本和歐洲等發達國家，起步早，并且技術相對成熟和全面，已經研制出可供裝車使用的產品。國內在汽車防撞雷達方面，主要是幾所高校在做實驗研究，尚未有正式的產品出現[7]。盲區監測作為ADAS主流技術之一，其主要是探測行駛車輛的后方盲區區域，如果有其他車輛進入盲區，車后視鏡的指示燈將會亮，從而提醒駕駛者不要有突然制停等動作。毫米波雷達探測性能穩定，抗干擾能力強，穿透能力強，可以做到全天候工作，不受光線、霧霾、沙塵暴等環境影響，優于激光雷達、超聲波雷達和紅外線。24GHz車載雷達主要用于近程汽車雷達，具有成本低、波束寬、覆蓋范圍廣的特點，本文實現基于24GHz毫米波雷達傳感器的汽車盲區監測系統設計。

目前雷達信號表現形式主要包括單頻連續波(CW)、線性調頻連續波(LFMCW)、頻移鍵控(FSK)、多頻移鍵控(MFSK)[8]。CW雷達的工作原理實質是根據多普勒效應，利用多普勒頻率求得目標的速度，但是無法分辨多目標同速靠近或者遠離。LFMCW雷達計算簡單，分辨率好，但在多目標環境下，會出現虛假目標。由此學者提出FMCW-CW、變周期LFMCW、變斜率LFMCW、多進制數字頻率調制(MFSK)，解決距離和速度匹配問題。MFSK根據相鄰波形相位差與頻率直接計算得速度與距離，其實時性好，同時解決LFMCW虛假目標問題，本文系統采用該調制方式。

1 MFSK雷達工作原理

MFSK調制雷達實現原理是交替發射兩種具有固定頻差波形，并且兩種頻率均是線性階梯步進，其實質是FSK與LFMCW的結合[9]，如圖1所示，A、B表示兩種不同頻率發射波形，其固定頻率為fshift，每種波形步進頻率間隔為fstep，頻率帶寬為fsweep。

圖1 MFSK調制波形

設發射N個頻率步進信號，第i個信號為：

st(i)=A1e-j2π(f0+ifstep)ti=0,1,…,N-1

(1)

其回波信號為：

sr(i)=A2e-j2π(f0+ifstep)t-τ(i)i=0,1,…,N-1

(2)

混頻之后N個采樣差頻信號進行FFT變換和理論推導，可得距離R和速度V存在以下關系：

(3)

(4)

其中f為差頻頻率，Δφ為A、B相位差，根據公式(3)、公式(4)可知，如果知道f、Δφ即可求得目標的距離和速度信息，而且f、Δφ與距離R和速度V一一對應，由此可知MFSK解決了LFMCW多目標下的虛假目標問題，同時能夠直接計算出目標速度、距離相關信息。

2 系統設計

2.1 系統總體框圖

雷達信號處理系統主要分為四大部分：雷達射頻前端模塊、中頻信號處理模塊、系統電源模塊、預報警模塊[10-11]，雷達射頻前端模塊負責高頻信號收發，并且將回波信號與本振信號經過混頻輸出中頻信號；中頻信號處理模塊對I、Q兩路信號進行放大濾波，信號采集和分析，完成目標距離、速度計算；預報警模塊根據預先設置的“門限”判斷，如果被判斷為 “目標”，則實時地控制報警系統，提醒駕駛者下一步動作，避免不必要的交通事故；電源模塊為系統提供穩定的電壓值。系統框圖如圖2所示，系統主要指標技術參數如表1所示，MFSK調制具體參數如表2所示。本文將對雷達射頻前端模塊以及中頻信號處理進行深入研究。

圖2 雷達系統總框圖

表1 系統指標技術參數

主要指標參數雷達調制波形MFSK水平波束寬度±4.5°探測速度范圍0-120km/h探測距離范圍2-35m距離分辨率不大于1m速度分辨率不大于5km/h

表2 MFSK調制波形參數

參數數值單位fstep204.91kHzTstep4.88μsfshift89.54kHzfsweep200MHzN1024無ΔV2.2km/hΔR0.75m

2.2 射頻前端模塊

如圖3所示，根據壓控振蕩器(VCO)頻率和電壓的輸出關系實現波形調制。其中一路經過功放電路處理后，將信號通過天線發射出去，另一路又分流成兩路分別進入I、Q通道混頻器中，其中Q通道的信號在混頻之前還需先經90°的移相；接收天線接收回波信號，先經低噪聲放大處理，再分別經混頻器與實時分流的兩路信號進行混頻；混頻后得到的信號再經中頻濾波放大處理，得到I、Q通道兩路中頻信號[12-14]，最終進入中頻信號處理模塊。對應其前端芯片選擇德國Infineon公司的BGT24MTR11 24GHz雷達前端傳感器，以及ADI公司的ADF4158實現MFSK調制。

圖3 射頻前端模塊

2.3 中頻信號處理模塊

射頻前端輸出中頻信號較弱，一般只達到mv級，所以中頻信號處理模塊一般包括高通濾波、可變增益控制、低通濾波、A/D采樣、STMF303綜合處理，如圖4所示。放大電路設計為三級級聯的形式，第一級、第二級由美國ADI公司的AD8231放大器的差分放大器和運放電路組成，第三級由STM32F303內部的運放組成，第二級、第三級均為同相放大，第二級放大倍數固定為10倍，第一級、第三級放大增益均由程序控制，最高可以實現約87dB的放大增益，在此最大增益下，放大電路帶寬約為100kHz，滿足本系統的設計要求，具體電路如圖5所示。

圖4 中頻信號處理模塊

圖5 AD8231電路連接圖

3 系統功能測試

上位機是人機界面，能夠簡明直觀觀察遠端現場的變化，通過發出測試操作指令對下位機(雷達系統)進行控制，圖6為雷達系統與與上位機連接示意圖，圖7為上位機CAN通信配置參數。

圖6 雷達系統與上位機連接示意圖

圖7 上位機CAN通信配置參數

3.1 室內功能測試

由于測試條件的局限性，本文對雷達與目標(測試人員)相對低速進行測試，分別測出目標在雷達正前方2m、10m、15m處的情況，通過A、B波形對應的頻率值、相位值，求出目標的距離，驗證系統設計算法的可行性。

表3 2m處目標頻率值和相位值

對應波形相位值(rad)頻率值(Hz)A-0.6182204.6B-0.6449204.6

表4 10m處目標頻率值和相位值

對應波形相位值(rad)頻率值(Hz)A-0.79181258B-0.81331258

表5 15m處目標頻率值和相位值

對應波形相位值(rad)頻率值(Hz)A-0.92171670B-0.99321670

由表3-表5可知，目標的相位差Δφ分別為0.0267rad、0.0215rad、0.0072rad，對應頻率f分別為204.6Hz、1258Hz、1670Hz。由公式(3)和公式(4)可分別求得三個目標的距離、速度信息，R1=1.9892m，V1=0．9920m/s；R2=9.8892m，V2=0.3238m/s；R3=15.0892m，V3=0.2485m/s。從測試結果可以看出，三次的測試結果與實際目標距離接近，目標測量距離誤差為0.743%，而且距離越遠，距離誤差百分率越小，實際汽車防撞雷達的測試距離為0～60m，所以其實際測試距離誤差小于0.743%。

3.2 室外功能測試

雷達防撞系統安裝在小型汽車上的實際的路測情況如圖8、圖9、圖10所示。由圖8路測情況顯示結果圖可知當正后方30m之內有車靠近，判斷為存在目標，雷達防撞系統正確捕捉到目標，并且實時正確測出目標的距離以及此時對應的目標速度，此時在上位機的視頻窗口將顯示出來，如圖8所示，目標為黑色小轎車，當前距測試小轎車22.14m，以相對測試車速度51km/h靠近。從圖9路測情況顯示結果圖可知，如果車側右后方有車行駛，不在正后方的探測范圍，則不會視為目標障礙物，即使距離可能在探測距離范圍，所以上位機視頻框沒有顯示出該車輛。同樣如果測試車左后方有車靠近，不會被判斷為移動目標，上位機視頻窗口同樣沒有顯示該車輛。

圖8 正后方有目標的路測情況

圖10 側左后方有目標時的路測情況

在道路上的實時測試共測五組數據，且規定每組總的顯示車輛數為100，然后記錄每組的漏報車輛數和誤報車輛數，記錄路測試驗結果如表6所示。

表6 路測試驗結果統計表

試驗次數漏報車輛數誤報車輛數正確預警次數總車輛數誤差概率1141001054.76%2451001098.2%3311001043.8%4221001043.8%5331001065.66%

從表6的路測統計可知，汽車防撞雷達系統，其漏報率為2.45%，誤報率為2.82%，系統誤差最大概率為8.2%，最小誤差概率為3.8%，本次測試的平均誤差為5.244%。

4 結束語

本文設計一款24GHz MFSK調制雷達盲區監測系統。利用上位機搭建采集數據平臺，保存數據，分析數據，對目標的相對距離，相對速度等指標進行分析，驗證本系統采取的算法和方案的可行性。由于在室內測試條件的局限，只針對靜態目標進行了測試，分別對于雷達距離為2m、10m、15m的有一定速度的行人進行了測試，從三組測試結果驗證系統能精確地測試出目標的相對速度和相對距離，驗證了整個系統能夠滿足汽車雷達盲區監測系統的要求。最終將該系統安裝在汽車上進行實時路測，從上位機視頻窗口的測試結果顯示，能夠正確測得在測試范圍內(汽車正后方，盲區)的所有目標車輛，驗證了整個系統設計的可行性。根據路測數據統計，汽車防撞雷達系統，其漏報率為2.45%，誤報率為2.82%，系統誤差最大概率為8.2%，最小誤差概率為3.8%，本次測試的平均誤差為5.244%。