來(lái)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(wèn)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(jiàn)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(lái)說(shuō)，我國(guó)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(lái)達(dá)到安全的目的，這樣毫無(wú)疑問(wèn)將影響道路的通過(guò)能力，除造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失外，使本來(lái)就擁擠的道路更加阻塞。近幾十年來(lái)，美、日、西歐等國(guó)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(guó)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(lái)，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(guó)在汽車防撞技術(shù)上的研究起步較晚，因此，相對(duì)于國(guó)外的防撞研究水平，我國(guó)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(jiǎn)要介紹和比較汽車防撞的幾種探測(cè)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(cè)距測(cè)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(cè)方式

目前汽車防撞系統(tǒng)按目標(biāo)探測(cè)方式主要有激光、超聲波、紅外等一些測(cè)量方法，不同的目標(biāo)探測(cè)方式其工作過(guò)程和原理有不同之處，但它們的主要目的都是通過(guò)前方返回的探測(cè)信息判斷前方車輛和本車間的相對(duì)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(duì)不同的探測(cè)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(cè)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(cè)反射回來(lái)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(lái)判斷兩車的距離。

激光測(cè)距的測(cè)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(cè)距的應(yīng)用具有局限性，主要是因?yàn)榧す鉁y(cè)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(cè)距精度難以保證。所以在汽車防撞領(lǐng)域激光測(cè)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?、折射、干涉等等，超聲波測(cè)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(cè)物體后反射，當(dāng)超聲波接收器接受到反射信號(hào)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，測(cè)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(cè)距的最大問(wèn)題就是探測(cè)距離短，而且天氣狀態(tài)對(duì)它影響很大，所以超聲波測(cè)距主要運(yùn)用于倒車?yán)走_(dá)等近距離測(cè)距。

3．紅外線方式

紅外線測(cè)距和激光、超聲波測(cè)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(lái)判斷目標(biāo)的距離，紅外線測(cè)距在技術(shù)上難度不大，構(gòu)成的測(cè)距系統(tǒng)成本低廉，但是在惡劣的天氣和長(zhǎng)距離探測(cè)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(zhǎng)介于1～10mm之間的電磁波，毫米波雷達(dá)測(cè)距在原理上和以上幾種測(cè)距方式類似，但它克服了其他幾種探測(cè)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(cè)性能。不受被測(cè)物體表面形狀、顏色等的影響；對(duì)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(cè)距精度受雨、雪、霧及陽(yáng)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(cè)量目標(biāo)距離，而且還可以測(cè)量目標(biāo)物體的相對(duì)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(cè)量條件下毫米波雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率高、天線部件尺寸小。

三．雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)的工作原理

根據(jù)測(cè)距原理的不同，毫米波雷達(dá)測(cè)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(cè)距的原理（如圖1所示）是通過(guò)判斷發(fā)射脈沖信號(hào)與目標(biāo)反射脈沖信號(hào)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(cè)距方式原理雖然簡(jiǎn)單，主要是判斷發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)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(wèn)題在于：對(duì)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(hào)處理技術(shù)，從而使近距離測(cè)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(hào)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(cè)距原理

雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)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(hào)。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(cè)速原理

如果反射信號(hào)來(lái)自一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，則反射信號(hào)中包括一個(gè)由目標(biāo)的相對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)速度可用式（2）表示：

四．基于DSP的汽車防撞探測(cè)技術(shù)

車載微波探測(cè)雷達(dá)設(shè)計(jì)的目的就是及早探測(cè)到路況復(fù)雜、能見(jiàn)度差的地段上有潛在的危險(xiǎn)目標(biāo)，將測(cè)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(guò)程中雷達(dá)接收的信號(hào)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(hào)處理運(yùn)算，對(duì)雷達(dá)視域內(nèi)的多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、分類、識(shí)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(lái)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(hào)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(hào)經(jīng)天線向外輻射。由于本系統(tǒng)利用雷達(dá)回波信號(hào)來(lái)測(cè)量距離和速度，對(duì)發(fā)射信號(hào)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?；夭ㄐ盘?hào)與發(fā)射波信號(hào)進(jìn)行混頻，得到中頻差拍信號(hào)并輸出。

2．回波信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)先經(jīng)過(guò)高增益對(duì)數(shù)放大器進(jìn)行放大，再經(jīng)過(guò)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(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。因此，要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，即在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)把模擬信號(hào)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(hào)使VCO工作，產(chǎn)生調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)向外輻射。調(diào)制信號(hào)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(lái)改善調(diào)制信號(hào)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(hào)也是三角波，兩者關(guān)系如圖4所示：

3）確定信號(hào)的頻率及對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。信號(hào)的頻譜分析主要有FFT法和非FFT法，所謂FFT法，就是對(duì)被分析的信號(hào)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(guò)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(guò)其他的途徑，獲得信號(hào)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(duì)于汽車?yán)走_(dá)而言，應(yīng)首選FFT法，而且對(duì)于DSP來(lái)說(shuō)，F(xiàn)FT法比較成熟，更容易實(shí)現(xiàn)。

4）DSP通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制天線的掃描，從而可以得到障礙物相對(duì)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?gòu)挠业阶蟛粩嘌h(huán)。

DSP通過(guò)一個(gè)方波信號(hào)來(lái)控制掃描方向，方波信號(hào)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(guò)另一個(gè)有延遲的方波信號(hào)來(lái)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(guò)危險(xiǎn)距離時(shí)，通過(guò)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(yǔ)

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(lái)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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