FM-CW 雷達接近傳感器在機電一體化產品中的應用研究

佟戩

摘要：本文主要確定并討論了對用于機電一體化產品的低成本中程接近傳感器的需求，并具體參考了汽車應用領域。滿足這一需求的一個候選解決方案是 27 GHz 頻率調制連續波雷達系統，用作測距儀。從返回信號中釋放距離信息的方法，并運用離線數據分析的結果，介紹在典型產品中實施的實時系統。

關鍵詞：傳感器;汽車應用;測距儀;實時系統

1.引言

機電一體化產品設計問題解決方案的基礎技術之一是使用傳感器通過基于計算機系統識別外部環境的狀態。雖然短距離 （<5 m） 的低成本傳感器在商業上可用，但這種低成本的中距離傳感器（1- 300 m）大概率在某些天氣條件下（例如霧、噴水）會退化。汽車在進行外部障礙物檢測時特別需要中距離的物體檢測，并且傳感系統的單位成本必須低，因為產量大，成本利潤率低。在許多其他情況下（例如安全系統），靜態物體的距離感測是避障的一個問題，而次聲和激光等技術可應用于在有限的情況下，能夠在所有天氣條件下運行的更強大的系統是必不可少的。拉夫堡大學的機電一體化研究小組一直在研究調頻連續波 （FM-CW） 雷達作為從靜態和移動物體獲取距離信息的一種手段，這些信息對汽車行業的導航系統或二級安全系統感興趣。近來，毫米波雷達作為汽車避障傳感器的研究顯著增加。

這種雷達波長在惡劣天氣中的高性能 [1] 使其特別適用于汽車應用，現代數字信號處理極大地擴展了處理毫米波數據的選擇雷達[2]。

受到英國交通研究實驗室 （TRL） 工作啟發的一個特殊設計問題是需要一種先進而低成本的傳感器，用于對摩托車的正面碰撞情況進行提前警告 [3]。該傳感器已明顯擴展到汽車市場。

2.傳感器需求的識別

TRL的工作建議是在摩托車上使用安全氣囊的情況下正面碰撞可以顯著減少死亡和傷害，特別是當撞擊對象是汽車的側面時，例如可能發生在汽車駕駛員從側面路口拉出時看不到迎面而來的摩托車的情況。 顯然，雖然汽車駕駛員（和摩托車手）意識需要提高影響以減少這些事件的發生，TRL 認為一項技術解決方案值得研究。

如果可以提供某種形式的沖擊傳感器，其成本低、運行穩健且長期耐用，則可用于在沖擊之前很好地觸發安全氣囊，提供額外的部署靈活性根據預測的撞擊速度，騎手擬人化特征和騎行姿勢[4]。顯然，這種方法對汽車乘員在正面、背面，尤其是側面碰撞中都有好處，因為那里的結構甚至比摩托車的前部還要少。

可以提供獨立于附加車速傳感器的范圍信息的雷達傳感器將是優選的。

3.FM-CW 雷達接近傳感器

在三角調頻連續波雷達中，傳輸的信號作為時間的三角函數改變。

雷達單元的原理工作基于上述理論。 單喇叭型天線用于集中發射雷達信號并接收來自反射雷達目標的回波。物理尺寸雷達槍的尺寸為 22 x 22 x 40 （L） mm，非常適合用于低成本商業雷達應用。

在實踐中，距離之間的關系由于影響雷達的各種因素，其拍頻很復雜，例如噪音和的小變化雷達調制頻率，尤其是當雷達回波與雷達系統噪聲相比較弱時。在這些條件下，很難直接提取拍頻。

3.1. 雷達試驗臺

為了了解雷達如何響應不同距離的目標，需要創造一個人造環境，不受附近其他物體的影響目標，使目標更容易被雷達探測到。

因此雷達可以更好地理解用于檢測目標的輸出信號。這是分析更復雜的雷達輸出信號的測試原理。使用的雷達目標是一個由 1 毫米厚黃銅板制成的三面角反射器邊緣尺寸為 75 毫米。雷達指向反射面的中心。 細節現在將概述雷達信號處理系統的設計。

3.2. 典型雷達輸出信號

為了找到簡單有效辦法至提取波從雷達輸出信號，然后從波中提取距離信息。有很多案件需要調查。

兩個極端是雷達未檢測到目標，已檢測到具有高效能的目標雷達區域，即一個簡單的目標。其他情況更復雜，例如不同距離的多個雷達目標;或者一個目標的效果非常低雷達區域，即來自目標的雷達回波信號很弱; 一個移動目標在這些情況下，雷達輸出紋波上的鋸齒波會更復雜。本研究僅涉及處理雷達當它用強雷達探測到單個靜止目標時輸出信號不同距離的標識。更復雜的案件將在下一階段的研究。

4.雷達信號處理系統

該系統的主要功能是建立一種方便的提取手段使用Matlab離線從雷達輸出信號得到拍頻信號，從而允許識別到雷達目標的距離。

4.1.系統配置

系統的概念是如果已知“無目標”情況的雷達響應，則該信號可以是當目標存在時從雷達輸出信號中減去。兩者的區別應該是雷達回波對雷達輸出信號的影響，加上噪音。對于這種情況，該信號應以拍頻為主存在明確定義的目標。快速傅立葉變換可用于從信號中提取拍頻分量。雷達信號預處理電路的作用是放大雷達信號的鋸齒紋波部分并去除直流分量。由于dc 分量不包含任何有用的信息并且具有更高的水平高于正在研究的紋波信號，它必須被刪除，以便放大紋波信號并避免運算放大器飽和。

4.2. 離線信號處理

整個信號分析過程是在 Matlab 中離線完成的，這種方法應該是可以使用商業系統的 DSP 方法實時實現。這兩個信號的幅度需要與相位一起歸一化參考以實現這一目標。

為了獲得雷達信號數據集來測試這些想法，放大的雷達信號是直接連接到數據采集軟件進行采樣。然后使用 Matlab 離線處理采樣信號。PC30-D Ato D板用于將放大的雷達信號數字化。

5.實時執行

實際系統的實際實現允許以 30 Hz 更新 1024 pt FFT。這原則上允許目標接近跟蹤和影響預測。這是一部分正在進行的研究計劃。

6.結論

在本文中，需要一個接近傳感器來提前預警對汽車使用的影響。建議的方法是使用三角調頻連續波單天線雷達，提供靈活、低成本和高性能范圍傳感器。一種直接而有效的技術描述了從雷達輸出信號中提取距離信息。雖然從信號中提取距離信息的過程由離線完成方法，它可以很容易地在實時系統中實現，例如，使用 DSP技術。現在更具挑戰性的任務是調查目標較弱的雷達剖面和快速移動的目標，例如存在于擁擠的道路上系統。

參考文獻

[1]低橋PL。用于智能車輛巡航控制的低成本毫米波雷達系統應用程序。微波雜志 1995;38（10）：20--33。

[2]爐灶股份公司。汽車雷達。應用微波 1993 年;春季：102--15。

[3]Bowdrey M. 摩托車安全氣囊系統，碩士論文，拉夫堡大學，1994 年。

[4]King PD、Jackson MR、Galer Flyte MD、Grafton AJ。智能座椅方法。傳感器評論1996年; 16（4）：25--30 ISSN 0260--2288。

[5]斯科爾尼克 ML。雷達系統簡介，McGraw-Hill Book Company，ISBN 0-0-7-057909-1，82.