汽车防撞雷达实验系统的研制

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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（FrequencyModulationContinuousWave）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（VoltageControlledOscillator）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。