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汽车防撞雷达实验系统的研制

互联网 2013-12-03 08:57:47

[导读] 据有关资料对公路交通事故的统计分析,发现在司机—汽车—道路三个环节中,司机是可靠性最差的一个环节,80%以上的事故是由于司机反映不及时或判断失误引起的;特别在汽车高速行驶情况下,前方目标的正确识别至关重要,而天气或司机的疲劳驾驶等都将影响司机对前方目标识别,而且随着汽车保有量的不断增加,如何提高道路的流量,如何解决天气对高速公路的影响等等,已逐渐引起人们的注意。

1 引言

随着经济的快速发展,高速公路已经在交通运输中占有重要地位,其正常运转与否事关重大。据有关资料对公路交通事故的统计分析,发现在司机—汽车—道路三个环节中,司机是可靠性最差的一个环节,80%以上的事故是由于司机反映不及时或判断失误引起的;特别在汽车高速行驶情况下,前方目标的正确识别至关重要,而天气或司机的疲劳驾驶等都将影响司机对前方目标识别,而且随着汽车保有量的不断增加,如何提高道路的流量,如何解决天气对高速公路的影响等等,已逐渐引起人们的注意。

为了减少甚至避免交通事故的发生,国内外已经开始对毫米波雷达防撞系统进行了研究,这是因为毫米波的特性保证了它能够适应恶劣的气候条件,如在能见度比较低的雨雾等正需要防撞系统提供帮助的天气条件下,激光和超声波等方式不能正常工作,毫米波雷达则不会受到影响,而且毫米波雷达的天线也不会因为灰尘等污染而产生误差,比较适合在高速公路中运用。另外目前为了解决天气恶劣情况下的安全问题,一般采用尽量降低车速甚至关闭高速公路方法,显而易见,该方式严重影响了国民经济的快速发展。为此,解决交通安全,提高运输能力,积极开发汽车防撞技术具有重要现实意义和广阔市场前景,文中介绍了基于毫米波雷达的防撞实验系统的研制,该系统的成功研制为高速公路中的安全防撞技术研究奠定了基础。

2 防撞雷达系统的基本原理

线性FMCW雷达结构简单,比较适宜测量近距离目标,故作为目前车用防撞雷达的普遍选择方式。其基本原理可以描述为信号的瞬时频率随时间线性变换,当前方有单目标回波时,发射信号和反射信号将进行混频,混频后得到的信号中含有目标的相对距离和相对速度的信息。

如图2—1所示,图2—1a为发射信号和点目标的回波信号,当和前方目标间有相对速度时,信号的回波中含有频移,图2—1b为中频输出的混频信号,通过对中频信号的处理即可获得目标的相对速度和相对距离的信息。现记f0作为发射信号中心频率,B为频带宽度,T为扫频周期,调制信号为三角波,c为光速,R 和V分别为目标的相对距离和相对速度。在发射信号的上升段和下降段,中频输出信号可以表示为:

 


 


根据(2—1)和(2—2)两式,可以获得前方目标的相对距离R和相对速度V为:

 

3 系统的硬件组成

实验系统是以计算机为中心构成,通过高速多通道的数据采集卡对外部信息进行采集,随后通过计算机相应的软件处理,获得目标的信息,根据相应的危险性情况向司机发出声音、图像等信息报警。为解决拐弯和转向等情况下的目标方位信息,该例中应用陀螺作为探测的辅助手段。系统利用汽车的蓄电池供电,计算机电源则利用逆变器产生220V交流电供电。图3—1所示为实验系统的整体结构图。

 


3.1 信号发生器

实验系统是利用FMCW(Frequency ModulationContinuous Wave)雷达作为探测手段,由于采用线性调频方式达到测距的目的,所以雷达信号的线性度对测量距离的精度有较大影响。为了保证足够的线性度,雷达的控制信号选择在1.5~3V之间,这是因为在这段区间内该雷达的VCO(Voltage ControlledOscillator)压频曲线线性度较好,在控制信号端不需要作很大的调整。考虑到波形方式的可变性,该例利用89C52做信号发生器,首先设计所需的雷达波形数据并存入单片机的数据存储区中,后送D/A转换,经过调整电路产生所需的控制电压波形。该系统选用的D/A为IT公司的 TLV5619,该芯片具有12位分辨率,电压输出,最小转换率为1MSPS。所产生的信号为400Hz的三角波。

3.2 微波部件

由于线性FMCW雷达结构简单,比较适宜测量近距离目标,作为目前车用防撞雷达的普遍选择方式,其结构如图3—2所示。该例中雷达的VCO中心频率为34.5GHz,频带宽度选择为300MHz(距离分辨率=

 

=0.5m)。考虑到低副瓣透镜天线的优点,即轴向尺寸短(相对于普通喇叭型),旁瓣电平低,工作于线性极化,例中选用了该方式的雷达天线。雷达的功率为20mW,该参数的选择和探测距离的长短有关,功率越大可以探测的距离越远,但同时外界的楼房、树木等造成的干扰也就增大。

 


3.3 中频放大器与数据采集

由于混频器输出的中频信号较小,利用中频放大器对信号进行处理,考虑到中频输出信号中含有直流分量,在中频放大器部分首先将其滤除,只放大对系统有用的交流信号。另外中频放大器的频率宽度和探测的距离有关,该例中探测距离为3~150m,选择的频率宽度为100Hz~250kHz(该范围通过式(2— 1)和式(2—2)获得),为此确定了数据采集卡的采集速率为1M,其它参数如存储深度为2M,分辨率10bit,共有2个采集通道。由于采集卡的主要任务是采集雷达的中频信号,剩余的一个通道采用定时方式采集车速信号和陀螺信息。

4 软件的编制

通过以上分析可以看出,为获得前方目标的相  对距离和相对速度信息,首先应获得中频信号输出的f-和f+。但考虑到中频信号的杂波等影响,在数字信号处理阶段,对信号进行了滤波处理,随后进行快速傅里叶变换,求得f-和f+。通过式(2—1)和式(2—2)得出目标的相对距离和相对速度信息。主程序流程如图4—1所示。

 


5 结束语

汽车防撞雷达装置国内外已经进行了一些实验研究,根据有关资料分析,目前限制防撞技术发展的除了价格因素的影响外,主要是雷达的虚警率偏高,不能适应实际运用的要求。为了降低虚警率,国内外研究人员已经逐渐达成共识[4],即①要求防撞雷达必须具备测角能力,目标的方位角信息对于去除虚警是必不可少的;② 设计出易于产生、抗干扰性能强的雷达发射信号,配合以实时高效的信号处理和目标检测算法。为此,通过该实验系统的建立,可以很方便的对雷达信号的波形进行设定,同时,通过采集卡对中频信号的采集,有助于实验并找出良好的信号处理算法,从而促进防撞技术的发展。

[整理编辑:中国测控网]
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