LFMCW雷达运用于汽车防撞的研究

摘要：随着现代社会汽车数量的日益增多，汽车防撞技术的研究已成为保障人民生命安全和提高运输业的关键。课题旨在研究一种汽车防撞系统，保证在该系统正常运作的情况下既不发生碰撞事故又不降低道路的通行能力。该系统利用LFMCW的线性调频特性及多普勒效应的原理既可测量两车间距又可实现相对运动的判断，结合两者的测量值，实现有效防撞的功能。主要论述了LFMCW雷达运用于汽车防撞系统中的相关参数确定及具体实现方法，原理分析。

    随着国民经济的发展，汽车的数量日益增多，汽车运输愈加繁忙，但同时交通事故也屡见不鲜。因此发展汽车防撞技术，对提高汽车智能化水平有重要意义。汽车要避撞就必须凭借一定的装备测量前方障碍物的距离，并迅速反馈给汽车，以在危急的情况下，通过报警或自动进行某项预设定操作如紧急制动等，来避免由于驾驶员疲劳、疏忽、错误判断所造成的交通事故。本文将防撞技术的关键点着眼于车辆测距技术。从测量距离和相对速度两个角度出发，实现有效防撞的效果。

1 安全距离的相关研究与设定

    1．1 参数确定

    所谓安全行车距离就是指在同一条车道上，同向行驶前后两车间的距离(后车车头与前车车尾间的距离)，保持既不发生追尾事故，又不降低道路通行能力的适当距离。由安全距离的计算公式：
    d*=η／(vt+v2／254φ)      (1)
    可知要求得安全行车距离，需要确定的参数有本车速度v、反应时间t、轮胎与道路的附着系数φ、系统调整系数η。
    1)本车速度v
    利用汽车防撞系统的车速传感器可测得实时值。
    2)反应时间t
    据有关专家测定，一般来说，大多数驾驶员的反应时间在0．30～1100 s之间，再加上刹车系统发生作用的时间等因素，总的反应时间在1．30～1．98 s之间，即取值为1．30～1．98 s。
    3)轮胎与道路的附着系数φ
    不同路面的附着系数如表1所示。

    4)系统调整系数η
    为了安全，驾驶员要根据自己对安全效果的不同要求来设置调整系数η。如果比较保守，要选择η值大些。η取值范围为1．05～1．10，通常取1．10。
    5)安全间距d0
    两车制动停止时应保持一定的间距d0以保证安全。d0选择得是否合理，对系统的虚警率有一定的影响。理想情况最小可以为0，但国内外的资料上一般为2～5 m，出于安全考虑取为5 m。

    1．2 系统模型的实现过程

    给定一个汽车防撞系统，根据各参数的影响因素和取值范围，设定相应参数：t=1．8 s；η=1．10；d0=5 m。在行车过程中，根据路面类型的不同，参照表1的数据来设定轮胎与道路的附着系数φ。根据计算可得，在速度相同时，不同的路面情况得到的安全行车距离不同，且速度越大，得出的安全行车距离差值就越大。因此决定安装一个路面情况选择开关，采用点触式开关实现，由驾驶员根据天气状况主观选择附着系数，再进行数据处理，求出该附着系数下的安全行车距离。开关选择如图1所示。

2 多普勒频移的测量

    2．1 多普勒信息的提取

    如果反射信号来自一个相对运动的目标，则反射信号中包括一个由目标的相对运动所引起的多普勒频移fd。
    根据多普勒原理，目标的相对运动速度可用式(1)表示：
   
    式中，f0为发射波中心频率，λ为发射波波长。
    要从接收信号中取出多卜勒频率需要采用差拍的方法，即设法取出f0和fr的差值fd。
    经典的差拍法是采用相干解调，将接受信号与发射信号通过乘法器相乘，经低通滤波器后，即可得到所需的差频信号。

    2．2 相干检波原理

    相干检波也叫相干解调，目的是将调制信号从接收信号中提取出来。假设发射信号和接收信号分别为
    s(t)=Acosω0t           (3)
    r(t)=Bcos(ω0+ωd)t     (4)
    相干解调的一般模型如图2所示。

    在接收端与同频率的信号c(t)相乘后得
    rp(t)=r(t)cosω0t
    =[Bcos(ω0+ωd)t]*cosω0t
    =B[cos(2ω0+ωd)t+cosωdt]／2     (5)
    经低通滤波器后得到
    x(t)=Bcosωdt／2                 (6)
    x(t)即为接收信号与发射信号的差拍信号，多卜勒频移被提取出来。

3 LFMCW雷达信号的产生和接收

    3．1 LFMCW雷达信号的产生

    LFMCW雷达系统基本组成框图如图3所示。

    LFMCW是被调制的射频信号，由VCO(压控振荡器)在调制信号的作用下产生。VCO输出信号的频率随调制信号的幅度作线性变化。VCO输出信号的一部分经功率放大器放大后由无线发射出去，另一部分经定向耦合器加到混频器作为混频器的本振信号。发射信号在前进过程中如果遇到目标则部分被反射，反射信号被接收天线接收与本振信号进行混频，并经带通滤波器输出中频信号，后继的信号处理电路即可从中频信号中提取出目标的距离和速度等信息。

    运用MATIAB编程产生LFMCW信号的波形图如图4所示。由图可知，发射信号是一个频率呈线性减小再增大的LFMCW波形，而回波信号与发射信号波形一致，只是存在一个时延。

    3．2 LFMCW雷达回波信号的杂波处理

    将发射信号与回波信号耦合至混频器进行混频，输出中频信号，结合实际考虑到各种背景(如地物、云雨等)的干扰回波信号，雷达目标回波信号往往是混叠在干扰杂波背景中。大多数杂波都属于分布杂波，且存在内部运动，频谱较宽。此时就需要对回波信号进行动目标检测(MTD)。雷达信号的动目标检测是利用与相参回波脉冲串匹配的多普勒滤波器组来抑制各种杂波，改善功率信杂比，实现相参积累，以增强雷达在杂波背景中检测运动目标能力的技术。其实质是相当于对不同通道进行相参积累处理。其实现方法就是将回波信号通过一组多普勒滤波器组，进行信号处理，将动目标回波与杂波分别开来。MTD处理的仿真结果如图5所示。

    3．3 中频信号处理

    对如图4所产生的LFMCW信号，对比可只回波信号相对于发射信号有一定的时延，即使存在多普勒频移，对于中频信号的前向和后向频差也必然存在相对于变化周期来说比较长的恒定差值阶段，采用矩形窗截取恒定阶段并对其进行频谱分析，如图6(a)(b)所示，通过处理便可得到前向频差和后向频差，进而求得距离和相对速度。

4 LFMCW雷达信号的测距原理

    调频连续波雷达的载频在调制周期内线性变化。线性变化亦有多种方式，结合测试需求分析，本文采用三角波调制方式的LFMCW进行测量。由相对运动的角度出发，重点研究反射信号来自一个相对运动的目标，则反射信号频率中还会包括一个由目标的相对运动所引起的多普勒频移，如图7所示。

    发射信号可表示为：
    fl(t+)=fl+Kt           (7)
    fl(t-)=fu-Kt           (8)
    式中，K为三角波斜率。
    相应的回波信号可表示为：
    fr(t+)=fl+K(t-τ)+fd        (9)
    fr(t-)=fu-K(t-τ)+fd        (10)
    从而可以得到差频信号为：
    fb+=|fr(t+)-fl(t+)|=Kτ-fd       (11)
    fb-=|fr(t-)-fl(t-)|=Kτ+fd       (12)
    两式相减得到多普勒频移fd：
   
    结合相对速度的求解公式和防撞系统的设计思想及工作原理可知，要判断两车是靠近还是远离，只需判断fb-与fb+的符号大小即可。通过以上分析可知：求得LFMCW上下扫频段的频率差并比较其数值的大小成为实现有效防撞处理的关键。

5 结论