汽車防撞雷達系統的設計分析

劉月園 董國宇

摘要：隨著社會經濟的發展和人們生活水平的提高，汽車總量呈現不斷上升的趨勢，這也對有限的空間資源提出了更高的要求，如何保證汽車駕駛的安全性成為社會關注的熱門話題。本文主要對防撞雷達系統的設計進行分析。

關鍵詞：汽車；單片機；防撞雷達；設計

1.雷達技術在汽車防撞安全系統中的意義

在汽車防撞安全系統中，雷達技術包含了雷達、超聲波、紅外線、信號接收器等，能夠接收雷達裝置發射的安全預警信號并向汽車駕駛員發出安全預警信號。

雷達技術在汽車防撞安全系統應用中，以其安全性、準確性、全天性發揮著越來越重要的作用。雷達技術能夠在大雨、暴雪、強光、濃霧等不良天氣下依然作出準確及時的安全預警，并且在電磁波、各種無線信號和噪音環境下能夠穩定地工作，具有良好的抗干擾性。雷達發出的輻射能夠保證在相對合理的范圍內，不會對汽車駕駛員產生不良的生理損害。同時，兼具有快速的感應敏感性，在對汽車行駛中的距離、速度、方向等方面的探測中具有高度的準確性，特別是雷達安裝裝置采用天線陣列和高頻器件的體積不大，占有的空間有限，非常適合于應用在汽車系統中。

2.汽車主動防撞預警系統構成

汽車主動防撞預警系統所采集的信息包括自車信息和前方目標信息。自車信息包括：自車車速、方向盤角度、制動踏板位置、節氣門開度和路面附著狀況等信息；目標信息包括：利用毫米波雷達傳感器對前方目標進行精確定位和分類信息。將自車信息和目標信息發送到CAN總線上，傳遞到車輛電子控制單元（ECU）的防撞系統控制模塊，防撞系控制模塊根據所采集的信息，作為輸入信號輸入到模塊的規避控制模塊，對所檢測目標進行危險等級分類。根據危險等級的不同，ECU發出三類不同危險程度的指令，控制執行機構的動作。臨界危險目標發出報警信號，報警系統工作；危險目標發出減速信號，減速系統工作；極限危險目標發出制動信號，制動系統工作。最終達到提醒或協助駕駛員做出合理的駕駛行為，對車輛的控制還是由駕駛員自己決定。

在汽車主動防撞預警系統中，毫米波雷達測量前方車輛、護欄、人員的距離和速度，分辨出不同的目標，哪些是危險目標、哪些是安全距離目標等是防撞預警系統的關鍵技術，目標識別的正確與否可大幅降低虛警的數量，避免影響汽車的正常行駛，因此，車用測距雷達是各大整車企業、研發機構正在努力突破的關鍵技術。

3.防撞雷達測距測速的原理

隨著電子技術的快速發展，先后出現的車用雷達有紅外線雷達、激光雷達、超聲波雷達、機器視覺雷達和毫米波雷達。紅外線雷達、激光雷達、超聲波雷達容易受外部環境影響產生偏差；機器視覺雷達價格高昂、較慢的成像速度及對軟、硬件的高要求阻礙了其發展。毫米波雷達測量距離的理論基礎是電磁波反射原理，毫米波是一種電磁波，其波長較短一般小于10mm，頻率很高介于30GHz到300GHz之間。根據電磁波形式的不同，毫米波雷達分為脈沖式和調頻連續波（FMCW）式兩種。一般情況下，車輛防撞預警系統采用的是30GHz以上的調頻連續波式毫米波雷達。它具有波長短，穿透能力強的特點。即當所發射的斜率一定的連續調頻波信號遇到前方測量目標時會反射包含目標信息回波，系統通過將往返信號進行混頻處理得到差頻信號，從而計算得到目標的速度和相對距離。

3.雷達波形設計

雷達的波形選擇要充分考慮抗干擾性和可實現性、多目標識別以及回波處理中算法的快速簡單性。FMCW方式具有適于探測近距離目標，具有峰值功率低、射頻結構簡單、測量時間短等優點。因此，它一直是汽車防撞雷達的首選。但其缺點也很明顯，如：線性調頻度不易獲得，導致距離分辨率變壞：多目標場景下，三角波調制調頻連續波會產生虛假目標，從而影響防撞雷達的工作性能。

FMCW雷達系統在信號發射過程中能夠進行三種不同方式的調制，矩形波調制、三角波調制和正弦調制，由于FMCW雷達系統對于信號的調制不同，能夠進一步豐富雷達系統應用的多樣性，但是由于系統在結構模型上具有一致性，因而在信號的處理過程中，三者區別性明顯。FMCW雷達系統模型中能夠在天線接收中，對發射信號進行處理，在濾波器中對接收信號進行處理，然后實現混合信號的處理，通過發射天線將接收信號和發射信號實施混頻導出后，處理濾波信號，然后通過調制解調器進行信號調制，以加窗和補零的形式使頻譜的不連續性降低，最后執行額外的信號后處理。

在FMCW雷達系統頻率源設計中，需要注意DDS信號輸出變頻速度較快、信號分辨率較高，同時具有體積小、線性度高和功耗小等優勢，在設計過程中，方案的重點是對超低相位噪聲進行波段混頻處理，這主要是因為后級混頻器的本振信號，能夠同時作為DDS的參考時鐘，系統參數在經過精確計算后，對于系統中的主要器件進行合理選擇，設計x波段的頻率源。

4.FMGW雷達系統頻率源主要設計方面

4.1仿真設計

FMCW雷達系統頻率源在設計過程中，需要設置仿真基礎，在此過程中，主要是使用三角波調制為基礎，運用FMCW系統和Matlab系統進行仿真，分析三角波調制類似于對鋸齒波調制的分析，這主要是因為調制三角波信號的前半周期t值在0～T/2之間，因而只能將其看作是僅有1/2周期的鋸齒波信號，由于后半周期t值在2/T～T之間，因而信號屬于2/T～T范圍內的反向信號。設計FMCW雷達系統頻率源時進行信號混頻，在回波信號的頻譜中會出現高頻信號和低頻信號，對于這些信號內容進行目標求解，包括距離和速度的測量計算等。設置FMCW雷達系統頻率源設計的仿真基礎，需要對系統的基礎參數進行設置，然后對法神信號頻率進行處理，在回波信號頻率以及混合信號頻率混頻處理中，調制解調器，使信號輸出更加合理。

4.2信號處理系統設計

設計FMCW雷達系統頻率源，需要在相對理想的狀態下進行信號處理系統的仿真，系統理想狀態下，將信號當作FFT之后產生的高頻率和低頻率兩個頻率，應用這兩個頻率對多普勒數據和信號距離等進行測算。基帶信號中的兩個高低頻率在實際應用中是用作FFT的一維傅里葉變換，三角波調制后的FMCW雷達系統在雷達探測中的應用，兩個頻率峰值一般出現在24.51KHZ和64.66KHZ中，對這兩個頻率進行數據分析也能夠計算出速度和距離。由于在FMCW雷達系統頻率源的信號處理系統設計中，受到相位誤差和噪聲的影響，因而需要根據時域中的混頻信號，加入相位噪聲和白噪聲，進一步塑造隨機性的相位誤差。在一維FFT中，相位誤差和白噪聲能夠提高旁瓣電平，因而多普勒信息和距離不會有明顯的扭曲產生，這對于FMCW雷達系統頻率源設計中保持較為平坦的功率譜密度具有重要的影響作用。

FMCW雷達系統頻率源在設計過程中，通過仿真分析能夠對FMCW在三角波調制下的系統性能以及基本的應用效用進行研究與分析，仿真設計中通過Matlab作為FFT獲得信號差頻的頻譜圖像，在連續性頻譜的分析中，增加補零、加窗和抽樣等處理，能夠直接影響到FFT后頻譜中所顯示的信號分辨率，這與雷達系統中實際信號分辨率不同。在FMCW雷達系統頻率源設計中通過三角波調制的辦法，能夠實現多普勒信息調制以及距離提取等，從而進一步實現對較為理想的仿真狀態下的FMCW雷達系統頻率源設計。需要注意的是，FMCW雷達系統頻率源設計對于系統中輸入的數據需要核對準確，保證速度信號和信號距離恢復，減小頻率峰值與實際計算之間的誤差。