FMCW雷达系统及其前端数据采集模块设计

摘要 (FMCW)调频连续波雷达在汽车防撞系统中得到了广泛的应用。文中对近年来国内外汽车防撞系统的发展做了阐述和比较，以FMCW毫米波雷达作为系统前端，对防撞系统的原理、结构、信号的前置放大和模数转换等关键数据采集模块进行了介绍与设计。
关键词 FMCW；毫米波雷达；车辆防撞系统；前置放大

    随着我国汽车总量的迅速上升，交通安全问题也引起了政府和社会的广泛关注。大量的研究表明，当意外发生时，车辆若能提前0．7 s制动，就可使碰撞死亡率下降75％；若能提前1．3s，则碰撞死亡率则将下降99%以上。因此，1．3 s的碰撞报警黄金时间可有效降低事故发生率。车载FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave)雷达防撞系统是降低事故率的重要主动安全手段。
    车载防撞雷达系统的研究始于20世纪60年代。90年代以后，奔驰、日产、丰田和福特等公司小批量安装过连续波雷达。奔驰S系列、美洲虎XKR系列、奥迪A8等高档车型上已有配备相关系统，但价格昂贵。我国汽车防撞雷达的研制起步较晚，虽已引起业界重视，但至今未有便于装车的微型化成品批量投入使用。FMCW雷达由于其本身在测距和测速方面的优势，已成为目前汽车主动防撞系统的首选。文中所介绍的基于FMCW技术的汽车防撞雷达系统，可以自动侦测两车之间的距离及相对速度，进行危险判断，提醒驾驶员作出相应反应或与刹车系统关联动作来避免两车相撞。

1 防撞雷达系统方案的选择及原理
1．1 汽车防撞探测技术的比较与选择
    目前汽车防撞探测主要是采用红外、超声波、雷达等一些测量方式。其中红外、激光、摄像头等光学技术价格低廉且技术简单，但全天候工作效果不好；超声波受天气状态影响大，探测距离短，多用于倒车保护；而FMCW毫米波雷达则克服了上述几种探测方式在汽车防撞探测中的缺点，具有稳定的探测性能和良好的环境适应性。它不仅可测量目标距离，还可测量目标物体的相对速度及方位角等参数，使汽车在恶劣气候条件下实现盲行成为可能。此外，FMCW毫米波雷达结构简单、发射功率低、分辨率和灵敏度高、天线部件尺寸小，已成为主动防撞雷达的首选。
1．2 雷达频率的选择
    雷达波的频率原则上并无特别的限制。目前，按照欧盟委员会的决定，从2005年下半年至2013年，在所有欧盟国家，汽车防撞雷达将使用K波段24 GHz的专门频带。虽K波段的24 GHz雷达的波长为12 mm，已经达到厘米波的范围，但在特性方面还是接近于毫米波，因此，还将它作为毫米波雷达来考虑。
1．3 FMCW雷达工作原理
    FMCW雷达的基本原理为，发射波为高频连续波，其频率随时间按照三角波规律变化。雷达接收的回波频率与发射的频率变化规律相同，都是三角波规律，只是有一个时间差，利用这个微小的时间差就可以计算出目标距离。其发射频率与接收频率的相对关系不仅可测量目标距离，而且还可测量目标径向速度v。图1为FMCW雷达的基本结构图。

    FMCW雷达的基本工作原理如图2所示。

    其中，发射信号频率ft按周期性三角形波的规律变化，它的调频带宽为△f，ft的平均频率为f0，通常f0变化范围为几百到几千MHz，变化周期为Tm。fr1为从静止目标反射回来的回波频率，它和发射频率的变化规律相同，但在时间上滞后tr=2R／c。发射和接收频率之间的频率差即混频器输出的中频信号频率IF，差频的平均值用Fbav表示。

2 汽车防撞雷达系统的结构
    系统的主要工作是测量车辆与前方目标的相对距离和相对速度。雷达对前方目标进行检测，若发现目标，对目标距离、速度和方向进行测量，同时判断目标与车辆是否在同一车道上，若是，则将目标的距离、速度与雷达设定的预警条件进行对比，达到预警条件时，雷达向驾驶员进行声光预警或与刹车系统联动。结构框图如图3所示。

    FMCW雷达天线分为收发共用天线和分置天线，选用的雷达使用的收发分置天线，即发射信号和接收信号分别用两个天线。微带天线具有成本低、性能可靠、占据空间小、可重复性好等优点，适合使用在汽车上，选用的雷达使用平面微带天线。
    收发前端是雷达系统的核心部分，主要包括压控振荡器VCO、混频器、定向耦合器等；其中VCO是收发前端的核心，用于产生调频波，定向耦合器是把VCO输出功率的一部分耦合到混频器的输入端，作为混频器的本征信号，混频器的作用是完成回波和本振信号的差频，从而输出中频信号，再用带通滤波器滤除混频器输出中的一些杂波。
    中频放大电路将混频器输出的差频信号即中频信号进行放大、匹配滤波等处理，消除其中的干扰信号，实现幅值统一。中频放大电路性能的好坏直接影响到对目标回波信号的检测。
    信号处理模块对经中频放大的信号进行处理，提取出信号的频率，从而计算出目标的距离和速，一般由DSP完成数字信号处理任务。可使用T16000系列DSP完成A／D转换后有关数值计算的一系列处理，包括滤除、数据预处理、FFT、谱峰平滑、目标搜索、目标跟踪等任务。

3 数据采集系统设计
3．1 VCO调制电压
    压控振荡器VCO工作需要通过一个调制电压来实现发射信号频率的变化，在上文中已经提出，同时测距并测速，FMCW雷达的调制信号波形为三角波模式，就需要一个三角波调制电压来使VCO工作，可是利用单片机采用PWM方式实现，也可以直接使用三角波发生电路。但无论采用哪种方式，在实际应用的过程中，线性总是不理想的。因此，适当扩大三角波电压幅值，然后取其中线性较好的一段来控制VCO工作。三
角波发生电路如图4所示。

    振荡频率为
   

    调节电路中R1，R2，R3的阻值和C的容量，可以改变振荡频率。而调节R1和R2的阻值，可以改变三角波的幅值。
3．2 滤波放大电路
    雷达传感器工作时输出的中频信号需经一系列滤波、放大和DSP处理后，才更易于从中分析得到所需的目标信息。尤其是当雷达工作于FMCW模式时，输出信号要先经滤波处理滤掉调制信号后才能进行放大处理，否则会使得调制信号被过分放大导致信号饱和失真。在雷达工作于FMCW模式用于测距功能时，外接滤波放大电路的目的主要是为了去掉调制信号和进一步放大输出信号；而当雷达工作于CW模式用于测速功能时，外接滤波放大电路的目的主要是为了滤除干扰和噪声，同时也进一步放大输出信号。图5为工作于CW模式的外置滤波放大电路，其增益为60 dB，带宽为30 Hz～50 kHz。图6为该滤波器的频率响应曲线。图7为工作于FMCW模式下的高通滤波电路，增益为60dB、频率为1kHz。图8为其对应的频率响应曲线。

3．3 模数转换
    传感器输出信号经高通滤波放大处理后，先经D／A采样将其转换成数字信号，然后交给DSP模块处理。因为采样的速率较高，若频繁的中断DSP则会造成处理器处理时间的大量浪费，所以A／D采样的数据先送往先进先出存储器(First In First Out，FIFO)，然后再集中交给DSP。而且，利用FIFO的读使能和写使能可以控制对ADC采样数据的保存和读取。经FFT及相应的Chirp-Z变换等数字处理运算，最终可分析得到所需信息。

4 结束语
    汽车主动安全装置的研发与推广是近年来全球整车生产和汽配厂商研究和推广的热点。FMVCW微带毫米波雷达系统作为主要的车载主动安全装备，正在引发主动防撞系统研究、技术改进和商业化的热潮。文中对微型FMCW雷达系统的架构介绍和前端数据采集模块关键电路的设计，为相关方向的工作者提供参考。