基于DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)FMCW防撞雷達(dá)的設(shè)計(jì)應(yīng)用方案

　　來源：微計(jì)算機(jī)信息，作者：鮑吉龍；應(yīng)延治；趙洪霞；沙濟(jì)彰

一．引言

隨著汽車工業(yè)和高速高架公路的飛速發(fā)展，汽車撞車事故也隨之日益嚴(yán)重，汽車防撞報(bào)警是迫切需要解決的問題。歐洲的一項(xiàng)研究表明：駕駛員只要在有碰撞危險(xiǎn)的0.5秒前得到預(yù)警，就可以避免至少60％的追尾撞車事故，30％的迎面撞車事故和50％的路面相關(guān)事故;若有1秒鐘的“預(yù)警”時(shí)間，則可避免90％的事故。若在夜、雨、雪、霧等的惡劣天氣的條件下，能見度低，司機(jī)視距小，汽車中、高速行駛時(shí)，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)前方障礙物并采取必要的措施。從經(jīng)濟(jì)方面來說，我國的橋梁、高速公路的運(yùn)行受天氣條件影響較大，為保證車輛運(yùn)行的安全，遇到惡劣天氣時(shí)以限制車速或關(guān)閉來達(dá)到安全的目的，這樣毫無疑問將影響道路的通過能力，除造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失外，使本來就擁擠的道路更加阻塞。近幾十年來，美、日、西歐等國家的多家汽車公司投入巨資，先后研究成功了24GHZ，60GHZ，76.5GHZ的單脈沖和調(diào)制連續(xù)波兩種體制的雷達(dá)系統(tǒng)。這兩種體制的雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)在國外的一些汽車公司的高檔轎車中應(yīng)用，但由于其成本高昂而未得到廣泛的應(yīng)用。近年來，價(jià)格低廉的高性能DSP芯片的出現(xiàn)極大的推動(dòng)了汽車防撞雷達(dá)技術(shù)研究，使汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)在普通汽車中的實(shí)現(xiàn)和普及成為可能。

由于受經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展水平等因素的影響，我國在汽車防撞技術(shù)上的研究起步較晚，因此，相對于國外的防撞研究水平，我國的車用防撞系統(tǒng)的研制水平仍然較低。但這方面的研究已得到業(yè)界的高度重視。本文簡要介紹和比較汽車防撞的幾種探測方式，重點(diǎn)介紹雷達(dá)的工作原理。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于DSP的FMCW防撞雷達(dá)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)FMCW雷達(dá)低成本，高精度的測距測速功能，具體介紹了DSP在系統(tǒng)中的作用。

二．汽車防撞的幾種探測方式

目前汽車防撞系統(tǒng)按目標(biāo)探測方式主要有激光、超聲波、紅外等一些測量方法，不同的目標(biāo)探測方式其工作過程和原理有不同之處，但它們的主要目的都是通過前方返回的探測信息判斷前方車輛和本車間的相對距離，并根據(jù)兩車間的危險(xiǎn)性程度做出相應(yīng)的預(yù)防措施。下面對不同的探測方法進(jìn)行介紹和比較。

1．激光方式

激光具有高單色性，高方向性和相干性好等特點(diǎn)，因此激光波束近似直線性，很少擴(kuò)散，波速能量集中，傳輸距離遠(yuǎn)。汽車防撞采用激光探測技術(shù)時(shí)，其工作原理為：首先利用本車裝備的激光雷達(dá)發(fā)射激光束照射到前車的反光鏡，然后檢測反射回來的激光速的到達(dá)時(shí)間，根據(jù)激光束從發(fā)射到返回的時(shí)間差來判斷兩車的距離。

激光測距的測量精度很高，技術(shù)上已經(jīng)有了很大的進(jìn)步。但是，在汽車防撞領(lǐng)域，激光測距的應(yīng)用具有局限性，主要是因?yàn)榧す鉁y距方式受天氣狀態(tài)、汽車的震動(dòng)及反射鏡表面磨損、污染等因素影響較大，測距精度難以保證。所以在汽車防撞領(lǐng)域激光測距方式?jīng)]有得到發(fā)展。

2．超聲波方式

超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦浴瓷洹⒄凵洹⒏缮娴鹊?，超聲波測距就是利用其反射特性，工作原理和聲納回聲定位的原理基本相同。超聲波發(fā)射器不斷發(fā)射出某一頻率的超聲波，遇到被測物體后反射，當(dāng)超聲波接收器接受到反射信號，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，測出發(fā)射波和反射波的時(shí)間差，根據(jù)聲速即可求得距離。但是超聲波測距的最大問題就是探測距離短，而且天氣狀態(tài)對它影響很大，所以超聲波測距主要運(yùn)用于倒車?yán)走_(dá)等近距離測距。

3．紅外線方式

紅外線測距和激光、超聲波測距在原理上基本相同，均是根據(jù)發(fā)射波和反射時(shí)間來判斷目標(biāo)的距離，紅外線測距在技術(shù)上難度不大，構(gòu)成的測距系統(tǒng)成本低廉，但是在惡劣的天氣和長距離探測方面仍然不能滿足汽車防撞的要求。

4．毫米波方式

毫米波是指波長介于1～10mm之間的電磁波，毫米波雷達(dá)測距在原理上和以上幾種測距方式類似，但它克服了其他幾種探測方式在汽車防撞運(yùn)用中的缺點(diǎn)。

毫米波雷達(dá)的主要特征有：

1） 穩(wěn)定的探測性能。不受被測物體表面形狀、顏色等的影響；對大氣紊流、氣渦等具

有適應(yīng)性。

2） 良好的環(huán)境適應(yīng)性。毫米波雷達(dá)的穿透能力很強(qiáng)，其測距精度受雨、雪、霧及陽光

等天氣因素和雜音、污染等環(huán)境的影響較小，可以保證車輛在任何天氣下的正常運(yùn)行。

從以上比較可以明顯看出毫米波雷達(dá)比其他方式有更大的優(yōu)越性，能夠適應(yīng)汽車防撞系統(tǒng)的要求。同時(shí)，更令人感興趣的是，毫米波雷達(dá)不僅可以測量目標(biāo)距離，而且還可以測量目標(biāo)物體的相對速度及方位角等參數(shù)，使汽車在惡劣氣候條件下實(shí)現(xiàn)盲行成為可能。此外，在相同的測量條件下毫米波雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、天線部件尺寸小。

三．雷達(dá)目標(biāo)探測的工作原理

根據(jù)測距原理的不同，毫米波雷達(dá)測距有脈沖雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)兩種。

1． 脈沖雷達(dá)

脈沖測距的原理（如圖1所示）是通過判斷發(fā)射脈沖信號與目標(biāo)反射脈沖信號之間的時(shí)間差τ，結(jié)合毫米波的傳播速度，計(jì)算兩車的間距R［3］。

脈沖測距方式原理雖然簡單，主要是判斷發(fā)射信號和反射信號之間的時(shí)間差，但是在具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上存在一定的難度。主要問題在于：對于脈沖雷達(dá)系統(tǒng)，當(dāng)目標(biāo)距離很近時(shí)，發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時(shí)間差非常小，這就要求系統(tǒng)采用高速信號處理技術(shù)，從而使近距離測距變得十分復(fù)雜，成本也大幅上升。因此該方式實(shí)用性不強(qiáng)。

2. 調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)

與脈沖雷達(dá)相比，F(xiàn)MCW具有所需發(fā)送功率低，信號處理復(fù)雜程度低及成本低廉的顯著優(yōu)點(diǎn)。目前在汽車防撞研究中得到廣泛的應(yīng)用和研究。因此，本文將重點(diǎn)介紹調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)。

1）測距原理

雷達(dá)系統(tǒng)通過天線向外發(fā)射一列連續(xù)調(diào)頻毫米波，并接收目標(biāo)的反射信號。發(fā)射波的頻率隨時(shí)間按調(diào)制電壓的規(guī)律變化。反射波與發(fā)射波的形狀相同，只是在時(shí)間上有一個(gè)延遲τ，τ與目標(biāo)距離R的關(guān)系同樣可用式（1）表示。

2）測速原理

如果反射信號來自一個(gè)相對運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，則反射信號中包括一個(gè)由目標(biāo)的相對運(yùn)動(dòng)所引起的多普勒頻移fd。

根據(jù)多普勒原理，目標(biāo)的相對運(yùn)動(dòng)速度可用式（2）表示：

四．基于DSP的汽車防撞探測技術(shù)

車載微波探測雷達(dá)設(shè)計(jì)的目的就是及早探測到路況復(fù)雜、能見度差的地段上有潛在的危險(xiǎn)目標(biāo)，將測得的信息轉(zhuǎn)換為指令，為駕駛員提供減速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、停車等警示信息。由于車輛行駛過程中雷達(dá)接收的信號十分復(fù)雜，包含多種雜波成分，需要進(jìn)行大量復(fù)雜的數(shù)字信號處理運(yùn)算，對雷達(dá)視域內(nèi)的多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行檢測、分類、識別、跟蹤，同時(shí)報(bào)警，所以考慮采用高性價(jià)比的DSP芯片來完成。該系統(tǒng)可分為兩個(gè)部分組成：FMCW前端和DSP單元。FMCW前端將安裝在車輛的外面，DSP單元?jiǎng)t安裝在駕駛員旁邊，兩者用隱蔽的電線相連，不影響車輛的性能和外觀，方便實(shí)用。

整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖2所示：

1．信號發(fā)射/接收單元

壓控振蕩器（VCO）在DSP編碼產(chǎn)生的三角波電壓控制下，產(chǎn)生調(diào)頻連續(xù)波信號經(jīng)天線向外輻射。由于本系統(tǒng)利用雷達(dá)回波信號來測量距離和速度，對發(fā)射信號的頻率穩(wěn)定性和線性度要求很高，因此采用集成微波組件作為發(fā)射/接收單元。回波信號與發(fā)射波信號進(jìn)行混頻，得到中頻差拍信號并輸出。

2．回波信號放大、濾波單元

由于發(fā)射/接收單元的發(fā)射功率較小，當(dāng)信號在空中傳播時(shí)，能量減弱的很快，到達(dá)目標(biāo)并反射的雷達(dá)回波信號功率非常小，需要進(jìn)行足夠的放大才能進(jìn)行后續(xù)處理。因此回波信號先經(jīng)過高增益對數(shù)放大器進(jìn)行放大，再經(jīng)過隔離、濾波、放大后送至A/D轉(zhuǎn)換器。

3．A/D轉(zhuǎn)換單元

DSP系統(tǒng)只能對數(shù)字信號進(jìn)行處理。因此，要對模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，即在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)把模擬信號在時(shí)刻t的幅度值轉(zhuǎn)為一個(gè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)送到DSP進(jìn)行處理。

4．DSP模塊

1）DSP產(chǎn)生調(diào)制信號使VCO工作，產(chǎn)生調(diào)頻連續(xù)波信號向外輻射。調(diào)制信號是一系列三角波。如圖3所示：

上圖表示的是理想的三角波，最大幅度是5V，周期為1000μS。但是實(shí)際直線性并不理想，可以采用一些平滑的方法來改善調(diào)制信號的直線性。

2）VCO經(jīng)調(diào)制向外發(fā)射的是一系列三角波，回波信號也是三角波，兩者關(guān)系如圖4所示：

3）確定信號的頻率及對信號進(jìn)行頻譜分析。信號的頻譜分析主要有FFT法和非FFT法，所謂FFT法，就是對被分析的信號進(jìn)行傅立葉變換，將其從時(shí)域變換到頻域，在頻域進(jìn)行分析，必要時(shí)再通過傅立葉逆變換，變回時(shí)域的分析方法。而非FFT變換方法則是通過其他的途徑，獲得信號的頻率參數(shù)，如最大熵法，各有特點(diǎn)。綜合考慮方法的實(shí)時(shí)性，復(fù)雜性，穩(wěn)定性，對于汽車?yán)走_(dá)而言，應(yīng)首選FFT法，而且對于DSP來說，F(xiàn)FT法比較成熟，更容易實(shí)現(xiàn)。

4）DSP通過控制步進(jìn)電機(jī)來控制天線的掃描，從而可以得到障礙物相對于雷達(dá)的方位信息。天線的掃描不是360度，而是根據(jù)給定的角度，不停的從左到右，再從右到左不斷循環(huán)。

DSP通過一個(gè)方波信號來控制掃描方向，方波信號是高電平的時(shí)候從左向右掃描，低電平的時(shí)候從右向左掃描。而DSP通過另一個(gè)有延遲的方波信號來確定天線掃描的位置，高電平表示在右邊區(qū)域，低電平表示在左邊區(qū)域。

5．顯示報(bào)警模塊

將數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示在LED上，給駕駛員提供信息，當(dāng)障礙物距離超過危險(xiǎn)距離時(shí)，通過發(fā)光二極管報(bào)警，使駕駛員能夠及時(shí)采取措施，防止事故的發(fā)生。

五．結(jié)束語

隨著智能交通系統(tǒng)研究的不斷發(fā)展，汽車巡航控制和防撞控制領(lǐng)域會(huì)需要越來越多的雷達(dá)傳感器，F(xiàn)MCW體制的毫米波雷達(dá)則是最具潛力的一種，特別是隨著DSP的發(fā)展，將DSP應(yīng)用在FMCW雷達(dá)中，將促進(jìn)它的發(fā)展。

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