佟戩

摘要：本文主要確定并討論了對(duì)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品的低成本中程接近傳感器的需求，并具體參考了汽車應(yīng)用領(lǐng)域。滿足這一需求的一個(gè)候選解決方案是 27 GHz 頻率調(diào)制連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)，用作測(cè)距儀。從返回信號(hào)中釋放距離信息的方法，并運(yùn)用離線數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，介紹在典型產(chǎn)品中實(shí)施的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：傳感器;汽車應(yīng)用;測(cè)距儀;實(shí)時(shí)系統(tǒng)

1.引言

機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題解決方案的基礎(chǔ)技術(shù)之一是使用傳感器通過基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)識(shí)別外部環(huán)境的狀態(tài)。雖然短距離 （<5 m） 的低成本傳感器在商業(yè)上可用，但這種低成本的中距離傳感器（1- 300 m）大概率在某些天氣條件下（例如霧、噴水）會(huì)退化。汽車在進(jìn)行外部障礙物檢測(cè)時(shí)特別需要中距離的物體檢測(cè)，并且傳感系統(tǒng)的單位成本必須低，因?yàn)楫a(chǎn)量大，成本利潤率低。在許多其他情況下（例如安全系統(tǒng)），靜態(tài)物體的距離感測(cè)是避障的一個(gè)問題，而次聲和激光等技術(shù)可應(yīng)用于在有限的情況下，能夠在所有天氣條件下運(yùn)行的更強(qiáng)大的系統(tǒng)是必不可少的。拉夫堡大學(xué)的機(jī)電一體化研究小組一直在研究調(diào)頻連續(xù)波 （FM-CW） 雷達(dá)作為從靜態(tài)和移動(dòng)物體獲取距離信息的一種手段，這些信息對(duì)汽車行業(yè)的導(dǎo)航系統(tǒng)或二級(jí)安全系統(tǒng)感興趣。近來，毫米波雷達(dá)作為汽車避障傳感器的研究顯著增加。

這種雷達(dá)波長在惡劣天氣中的高性能 [1] 使其特別適用于汽車應(yīng)用，現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理極大地?cái)U(kuò)展了處理毫米波數(shù)據(jù)的選擇雷達(dá)[2]。

受到英國交通研究實(shí)驗(yàn)室 （TRL） 工作啟發(fā)的一個(gè)特殊設(shè)計(jì)問題是需要一種先進(jìn)而低成本的傳感器，用于對(duì)摩托車的正面碰撞情況進(jìn)行提前警告 [3]。該傳感器已明顯擴(kuò)展到汽車市場(chǎng)。

2.傳感器需求的識(shí)別

TRL的工作建議是在摩托車上使用安全氣囊的情況下正面碰撞可以顯著減少死亡和傷害，特別是當(dāng)撞擊對(duì)象是汽車的側(cè)面時(shí)，例如可能發(fā)生在汽車駕駛員從側(cè)面路口拉出時(shí)看不到迎面而來的摩托車的情況。 顯然，雖然汽車駕駛員（和摩托車手）意識(shí)需要提高影響以減少這些事件的發(fā)生，TRL 認(rèn)為一項(xiàng)技術(shù)解決方案值得研究。

如果可以提供某種形式的沖擊傳感器，其成本低、運(yùn)行穩(wěn)健且長期耐用，則可用于在沖擊之前很好地觸發(fā)安全氣囊，提供額外的部署靈活性根據(jù)預(yù)測(cè)的撞擊速度，騎手?jǐn)M人化特征和騎行姿勢(shì)[4]。顯然，這種方法對(duì)汽車乘員在正面、背面，尤其是側(cè)面碰撞中都有好處，因?yàn)槟抢锏慕Y(jié)構(gòu)甚至比摩托車的前部還要少。

可以提供獨(dú)立于附加車速傳感器的范圍信息的雷達(dá)傳感器將是優(yōu)選的。

3.FM-CW 雷達(dá)接近傳感器

在三角調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)中，傳輸?shù)男盘?hào)作為時(shí)間的三角函數(shù)改變。

雷達(dá)單元的原理工作基于上述理論。 單喇叭型天線用于集中發(fā)射雷達(dá)信號(hào)并接收來自反射雷達(dá)目標(biāo)的回波。物理尺寸雷達(dá)槍的尺寸為 22 x 22 x 40 （L） mm，非常適合用于低成本商業(yè)雷達(dá)應(yīng)用。

在實(shí)踐中，距離之間的關(guān)系由于影響雷達(dá)的各種因素，其拍頻很復(fù)雜，例如噪音和的小變化雷達(dá)調(diào)制頻率，尤其是當(dāng)雷達(dá)回波與雷達(dá)系統(tǒng)噪聲相比較弱時(shí)。在這些條件下，很難直接提取拍頻。

3.1. 雷達(dá)試驗(yàn)臺(tái)

為了了解雷達(dá)如何響應(yīng)不同距離的目標(biāo)，需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)人造環(huán)境，不受附近其他物體的影響目標(biāo)，使目標(biāo)更容易被雷達(dá)探測(cè)到。

因此雷達(dá)可以更好地理解用于檢測(cè)目標(biāo)的輸出信號(hào)。這是分析更復(fù)雜的雷達(dá)輸出信號(hào)的測(cè)試原理。使用的雷達(dá)目標(biāo)是一個(gè)由 1 毫米厚黃銅板制成的三面角反射器邊緣尺寸為 75 毫米。雷達(dá)指向反射面的中心。 細(xì)節(jié)現(xiàn)在將概述雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3.2. 典型雷達(dá)輸出信號(hào)

為了找到簡(jiǎn)單有效辦法至提取波從雷達(dá)輸出信號(hào)，然后從波中提取距離信息。有很多案件需要調(diào)查。

兩個(gè)極端是雷達(dá)未檢測(cè)到目標(biāo)，已檢測(cè)到具有高效能的目標(biāo)雷達(dá)區(qū)域，即一個(gè)簡(jiǎn)單的目標(biāo)。其他情況更復(fù)雜，例如不同距離的多個(gè)雷達(dá)目標(biāo);或者一個(gè)目標(biāo)的效果非常低雷達(dá)區(qū)域，即來自目標(biāo)的雷達(dá)回波信號(hào)很弱; 一個(gè)移動(dòng)目標(biāo)在這些情況下，雷達(dá)輸出紋波上的鋸齒波會(huì)更復(fù)雜。本研究僅涉及處理雷達(dá)當(dāng)它用強(qiáng)雷達(dá)探測(cè)到單個(gè)靜止目標(biāo)時(shí)輸出信號(hào)不同距離的標(biāo)識(shí)。更復(fù)雜的案件將在下一階段的研究。

4.雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)

該系統(tǒng)的主要功能是建立一種方便的提取手段使用Matlab離線從雷達(dá)輸出信號(hào)得到拍頻信號(hào)，從而允許識(shí)別到雷達(dá)目標(biāo)的距離。

4.1.系統(tǒng)配置

系統(tǒng)的概念是如果已知“無目標(biāo)”情況的雷達(dá)響應(yīng)，則該信號(hào)可以是當(dāng)目標(biāo)存在時(shí)從雷達(dá)輸出信號(hào)中減去。兩者的區(qū)別應(yīng)該是雷達(dá)回波對(duì)雷達(dá)輸出信號(hào)的影響，加上噪音。對(duì)于這種情況，該信號(hào)應(yīng)以拍頻為主存在明確定義的目標(biāo)?？焖俑盗⑷~變換可用于從信號(hào)中提取拍頻分量。雷達(dá)信號(hào)預(yù)處理電路的作用是放大雷達(dá)信號(hào)的鋸齒紋波部分并去除直流分量。由于dc 分量不包含任何有用的信息并且具有更高的水平高于正在研究的紋波信號(hào)，它必須被刪除，以便放大紋波信號(hào)并避免運(yùn)算放大器飽和。

4.2. 離線信號(hào)處理

整個(gè)信號(hào)分析過程是在 Matlab 中離線完成的，這種方法應(yīng)該是可以使用商業(yè)系統(tǒng)的 DSP 方法實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。這兩個(gè)信號(hào)的幅度需要與相位一起歸一化參考以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

為了獲得雷達(dá)信號(hào)數(shù)據(jù)集來測(cè)試這些想法，放大的雷達(dá)信號(hào)是直接連接到數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行采樣。然后使用 Matlab 離線處理采樣信號(hào)。PC30-D Ato D板用于將放大的雷達(dá)信號(hào)數(shù)字化。

5.實(shí)時(shí)執(zhí)行

實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)際實(shí)現(xiàn)允許以 30 Hz 更新 1024 pt FFT。這原則上允許目標(biāo)接近跟蹤和影響預(yù)測(cè)。這是一部分正在進(jìn)行的研究計(jì)劃。

6.結(jié)論

在本文中，需要一個(gè)接近傳感器來提前預(yù)警對(duì)汽車使用的影響。建議的方法是使用三角調(diào)頻連續(xù)波單天線雷達(dá)，提供靈活、低成本和高性能范圍傳感器。一種直接而有效的技術(shù)描述了從雷達(dá)輸出信號(hào)中提取距離信息。雖然從信號(hào)中提取距離信息的過程由離線完成方法，它可以很容易地在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，例如，使用 DSP技術(shù)?，F(xiàn)在更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)是調(diào)查目標(biāo)較弱的雷達(dá)剖面和快速移動(dòng)的目標(biāo)，例如存在于擁擠的道路上系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]低橋PL。用于智能車輛巡航控制的低成本毫米波雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用程序。微波雜志 1995;38（10）：20--33。

[2]爐灶股份公司。汽車?yán)走_(dá)。應(yīng)用微波 1993 年;春季：102--15。

[3]Bowdrey M. 摩托車安全氣囊系統(tǒng)，碩士論文，拉夫堡大學(xué)，1994 年。

[4]King PD、Jackson MR、Galer Flyte MD、Grafton AJ。智能座椅方法。傳感器評(píng)論1996年; 16（4）：25--30 ISSN 0260--2288。

[5]斯科爾尼克 ML。雷達(dá)系統(tǒng)簡(jiǎn)介，McGraw-Hill Book Company，ISBN 0-0-7-057909-1，82.