張 兢 張莉楠 李小紅 李 岳

(重慶理工大學(xué) 重慶 400054)

0 引言

近幾年，我國汽車總保有量增加，導(dǎo)致道路交通緊張，交通事故頻繁發(fā)生，給社會和家庭帶來人身、精神傷害和財產(chǎn)損失[1-4]。奔馳汽車公司對各類交通事故研究表明：如果駕駛?cè)藛T的大腦可以提前1s意識到事故將要發(fā)生并且準(zhǔn)確無誤地做出相應(yīng)措施，那么絕大多數(shù)的交通事故都可以避免[5]。因此，高級駕駛輔助系統(tǒng)(Advanced Driver Assistance Systems，ADAS)的研制與開發(fā)對于提高道路交通運(yùn)輸和保障汽車行駛安全具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景[6]。目前車載雷達(dá)系統(tǒng)研究主要集中在美國、日本和歐洲等發(fā)達(dá)國家，起步早，并且技術(shù)相對成熟和全面，已經(jīng)研制出可供裝車使用的產(chǎn)品。國內(nèi)在汽車防撞雷達(dá)方面，主要是幾所高校在做實(shí)驗(yàn)研究，尚未有正式的產(chǎn)品出現(xiàn)[7]。盲區(qū)監(jiān)測作為ADAS主流技術(shù)之一，其主要是探測行駛車輛的后方盲區(qū)區(qū)域，如果有其他車輛進(jìn)入盲區(qū)，車后視鏡的指示燈將會亮，從而提醒駕駛者不要有突然制停等動作。毫米波雷達(dá)探測性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，穿透能力強(qiáng)，可以做到全天候工作，不受光線、霧霾、沙塵暴等環(huán)境影響，優(yōu)于激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)和紅外線。24GHz車載雷達(dá)主要用于近程汽車?yán)走_(dá)，具有成本低、波束寬、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，本文實(shí)現(xiàn)基于24GHz毫米波雷達(dá)傳感器的汽車盲區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。

目前雷達(dá)信號表現(xiàn)形式主要包括單頻連續(xù)波(CW)、線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)、頻移鍵控(FSK)、多頻移鍵控(MFSK)[8]。CW雷達(dá)的工作原理實(shí)質(zhì)是根據(jù)多普勒效應(yīng)，利用多普勒頻率求得目標(biāo)的速度，但是無法分辨多目標(biāo)同速靠近或者遠(yuǎn)離。LFMCW雷達(dá)計算簡單，分辨率好，但在多目標(biāo)環(huán)境下，會出現(xiàn)虛假目標(biāo)。由此學(xué)者提出FMCW-CW、變周期LFMCW、變斜率LFMCW、多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制(MFSK)，解決距離和速度匹配問題。MFSK根據(jù)相鄰波形相位差與頻率直接計算得速度與距離，其實(shí)時性好，同時解決LFMCW虛假目標(biāo)問題，本文系統(tǒng)采用該調(diào)制方式。

1 MFSK雷達(dá)工作原理

MFSK調(diào)制雷達(dá)實(shí)現(xiàn)原理是交替發(fā)射兩種具有固定頻差波形，并且兩種頻率均是線性階梯步進(jìn)，其實(shí)質(zhì)是FSK與LFMCW的結(jié)合[9]，如圖1所示，A、B表示兩種不同頻率發(fā)射波形，其固定頻率為fshift，每種波形步進(jìn)頻率間隔為fstep，頻率帶寬為fsweep。

圖1 MFSK調(diào)制波形

設(shè)發(fā)射N個頻率步進(jìn)信號，第i個信號為：

st(i)=A1e-j2π(f0+ifstep)ti=0,1,…,N-1

(1)

其回波信號為：

sr(i)=A2e-j2π(f0+ifstep)t-τ(i)i=0,1,…,N-1

(2)

混頻之后N個采樣差頻信號進(jìn)行FFT變換和理論推導(dǎo)，可得距離R和速度V存在以下關(guān)系：

(3)

(4)

其中f為差頻頻率，Δφ為A、B相位差，根據(jù)公式(3)、公式(4)可知，如果知道f、Δφ即可求得目標(biāo)的距離和速度信息，而且f、Δφ與距離R和速度V一一對應(yīng)，由此可知MFSK解決了LFMCW多目標(biāo)下的虛假目標(biāo)問題，同時能夠直接計算出目標(biāo)速度、距離相關(guān)信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體框圖

雷達(dá)信號處理系統(tǒng)主要分為四大部分：雷達(dá)射頻前端模塊、中頻信號處理模塊、系統(tǒng)電源模塊、預(yù)報警模塊[10-11]，雷達(dá)射頻前端模塊負(fù)責(zé)高頻信號收發(fā)，并且將回波信號與本振信號經(jīng)過混頻輸出中頻信號；中頻信號處理模塊對I、Q兩路信號進(jìn)行放大濾波，信號采集和分析，完成目標(biāo)距離、速度計算；預(yù)報警模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)置的“門限”判斷，如果被判斷為 “目標(biāo)”，則實(shí)時地控制報警系統(tǒng)，提醒駕駛者下一步動作，避免不必要的交通事故；電源模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓值。系統(tǒng)框圖如圖2所示，系統(tǒng)主要指標(biāo)技術(shù)參數(shù)如表1所示，MFSK調(diào)制具體參數(shù)如表2所示。本文將對雷達(dá)射頻前端模塊以及中頻信號處理進(jìn)行深入研究。

圖2 雷達(dá)系統(tǒng)總框圖

表1 系統(tǒng)指標(biāo)技術(shù)參數(shù)

主要指標(biāo)參數(shù)雷達(dá)調(diào)制波形MFSK水平波束寬度±4.5°探測速度范圍0-120km/h探測距離范圍2-35m距離分辨率不大于1m速度分辨率不大于5km/h

表2 MFSK調(diào)制波形參數(shù)

參數(shù)數(shù)值單位fstep204.91kHzTstep4.88μsfshift89.54kHzfsweep200MHzN1024無ΔV2.2km/hΔR0.75m

2.2 射頻前端模塊

如圖3所示，根據(jù)壓控振蕩器(VCO)頻率和電壓的輸出關(guān)系實(shí)現(xiàn)波形調(diào)制。其中一路經(jīng)過功放電路處理后，將信號通過天線發(fā)射出去，另一路又分流成兩路分別進(jìn)入I、Q通道混頻器中，其中Q通道的信號在混頻之前還需先經(jīng)90°的移相；接收天線接收回波信號，先經(jīng)低噪聲放大處理，再分別經(jīng)混頻器與實(shí)時分流的兩路信號進(jìn)行混頻；混頻后得到的信號再經(jīng)中頻濾波放大處理，得到I、Q通道兩路中頻信號[12-14]，最終進(jìn)入中頻信號處理模塊。對應(yīng)其前端芯片選擇德國Infineon公司的BGT24MTR11 24GHz雷達(dá)前端傳感器，以及ADI公司的ADF4158實(shí)現(xiàn)MFSK調(diào)制。

圖3 射頻前端模塊

2.3 中頻信號處理模塊

射頻前端輸出中頻信號較弱，一般只達(dá)到mv級，所以中頻信號處理模塊一般包括高通濾波、可變增益控制、低通濾波、A/D采樣、STMF303綜合處理，如圖4所示。放大電路設(shè)計為三級級聯(lián)的形式，第一級、第二級由美國ADI公司的AD8231放大器的差分放大器和運(yùn)放電路組成，第三級由STM32F303內(nèi)部的運(yùn)放組成，第二級、第三級均為同相放大，第二級放大倍數(shù)固定為10倍，第一級、第三級放大增益均由程序控制，最高可以實(shí)現(xiàn)約87dB的放大增益，在此最大增益下，放大電路帶寬約為100kHz，滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求，具體電路如圖5所示。

圖4 中頻信號處理模塊

圖5 AD8231電路連接圖

3 系統(tǒng)功能測試

上位機(jī)是人機(jī)界面，能夠簡明直觀觀察遠(yuǎn)端現(xiàn)場的變化，通過發(fā)出測試操作指令對下位機(jī)(雷達(dá)系統(tǒng))進(jìn)行控制，圖6為雷達(dá)系統(tǒng)與與上位機(jī)連接示意圖，圖7為上位機(jī)CAN通信配置參數(shù)。

圖6 雷達(dá)系統(tǒng)與上位機(jī)連接示意圖

圖7 上位機(jī)CAN通信配置參數(shù)

3.1 室內(nèi)功能測試

由于測試條件的局限性，本文對雷達(dá)與目標(biāo)(測試人員)相對低速進(jìn)行測試，分別測出目標(biāo)在雷達(dá)正前方2m、10m、15m處的情況，通過A、B波形對應(yīng)的頻率值、相位值，求出目標(biāo)的距離，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計算法的可行性。

表3 2m處目標(biāo)頻率值和相位值

對應(yīng)波形相位值(rad)頻率值(Hz)A-0.6182204.6B-0.6449204.6

表4 10m處目標(biāo)頻率值和相位值

對應(yīng)波形相位值(rad)頻率值(Hz)A-0.79181258B-0.81331258

表5 15m處目標(biāo)頻率值和相位值

對應(yīng)波形相位值(rad)頻率值(Hz)A-0.92171670B-0.99321670

由表3-表5可知，目標(biāo)的相位差Δφ分別為0.0267rad、0.0215rad、0.0072rad，對應(yīng)頻率f分別為204.6Hz、1258Hz、1670Hz。由公式(3)和公式(4)可分別求得三個目標(biāo)的距離、速度信息，R1=1.9892m，V1=0．9920m/s；R2=9.8892m，V2=0.3238m/s；R3=15.0892m，V3=0.2485m/s。從測試結(jié)果可以看出，三次的測試結(jié)果與實(shí)際目標(biāo)距離接近，目標(biāo)測量距離誤差為0.743%，而且距離越遠(yuǎn)，距離誤差百分率越小，實(shí)際汽車防撞雷達(dá)的測試距離為0～60m，所以其實(shí)際測試距離誤差小于0.743%。

3.2 室外功能測試

雷達(dá)防撞系統(tǒng)安裝在小型汽車上的實(shí)際的路測情況如圖8、圖9、圖10所示。由圖8路測情況顯示結(jié)果圖可知當(dāng)正后方30m之內(nèi)有車靠近，判斷為存在目標(biāo)，雷達(dá)防撞系統(tǒng)正確捕捉到目標(biāo)，并且實(shí)時正確測出目標(biāo)的距離以及此時對應(yīng)的目標(biāo)速度，此時在上位機(jī)的視頻窗口將顯示出來，如圖8所示，目標(biāo)為黑色小轎車，當(dāng)前距測試小轎車22.14m，以相對測試車速度51km/h靠近。從圖9路測情況顯示結(jié)果圖可知，如果車側(cè)右后方有車行駛，不在正后方的探測范圍，則不會視為目標(biāo)障礙物，即使距離可能在探測距離范圍，所以上位機(jī)視頻框沒有顯示出該車輛。同樣如果測試車左后方有車靠近，不會被判斷為移動目標(biāo)，上位機(jī)視頻窗口同樣沒有顯示該車輛。

圖8 正后方有目標(biāo)的路測情況

圖10 側(cè)左后方有目標(biāo)時的路測情況

在道路上的實(shí)時測試共測五組數(shù)據(jù)，且規(guī)定每組總的顯示車輛數(shù)為100，然后記錄每組的漏報車輛數(shù)和誤報車輛數(shù)，記錄路測試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 路測試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計表

試驗(yàn)次數(shù)漏報車輛數(shù)誤報車輛數(shù)正確預(yù)警次數(shù)總車輛數(shù)誤差概率1141001054.76%2451001098.2%3311001043.8%4221001043.8%5331001065.66%

從表6的路測統(tǒng)計可知，汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)，其漏報率為2.45%，誤報率為2.82%，系統(tǒng)誤差最大概率為8.2%，最小誤差概率為3.8%，本次測試的平均誤差為5.244%。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計一款24GHz MFSK調(diào)制雷達(dá)盲區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)。利用上位機(jī)搭建采集數(shù)據(jù)平臺，保存數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，對目標(biāo)的相對距離，相對速度等指標(biāo)進(jìn)行分析，驗(yàn)證本系統(tǒng)采取的算法和方案的可行性。由于在室內(nèi)測試條件的局限，只針對靜態(tài)目標(biāo)進(jìn)行了測試，分別對于雷達(dá)距離為2m、10m、15m的有一定速度的行人進(jìn)行了測試，從三組測試結(jié)果驗(yàn)證系統(tǒng)能精確地測試出目標(biāo)的相對速度和相對距離，驗(yàn)證了整個系統(tǒng)能夠滿足汽車?yán)走_(dá)盲區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)的要求。最終將該系統(tǒng)安裝在汽車上進(jìn)行實(shí)時路測，從上位機(jī)視頻窗口的測試結(jié)果顯示，能夠正確測得在測試范圍內(nèi)(汽車正后方，盲區(qū))的所有目標(biāo)車輛，驗(yàn)證了整個系統(tǒng)設(shè)計的可行性。根據(jù)路測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)，其漏報率為2.45%，誤報率為2.82%，系統(tǒng)誤差最大概率為8.2%，最小誤差概率為3.8%，本次測試的平均誤差為5.244%。