《汽車防撞雷達實驗系統的研製》是關於防撞雷達系統研製的文章。
基本介紹
- 中文名：汽車防撞雷達實驗系統的研製
- 內容：防撞雷達系統
- 套用：汽車
1 引言
隨著經濟的快速發展，高速公路已經在交通運輸中占有重要地位，其正常運轉與否事關重大。據有關資料對公路交通事故的統計分析，發現在司機—汽車—道路三個環節中，司機是可靠性最差的一個環節，80%以上的事故是由於司機反映不及時或判斷失誤引起的；特別在汽車高速行駛情況下，前方目標的正確識別至關重要，而天氣或司機的疲勞駕駛等都將影響司機對前方目標識別，而且隨著汽車保有量的不斷增加，如何提高道路的流量，如何解決天氣對高速公路的影響等等，已逐漸引起人們的注意。
為了減少甚至避免交通事故的發生，國內外已經開始對毫米波雷達防撞系統進行了研究，這是因為毫米波的特性保證了它能夠適應惡劣的氣候條件，如在能見度比較低的雨霧等正需要防撞系統提供幫助的天氣條件下，雷射和超音波等方式不能正常工作，毫米波雷達則不會受到影響，而且毫米波雷達的天線也不會因為灰塵等污染而產生誤差，比較適合在高速公路中運用。另外目前為了解決天氣惡劣情況下的安全問題，一般採用儘量降低車速甚至關閉高速公路方法，顯而易見，該方式嚴重影響了國民經濟的快速發展。為此，解決交通安全，提高運輸能力，積極開發汽車防撞技術具有重要現實意義和廣闊市場前景，文中介紹了基於毫米波雷達的防撞實驗系統的研製，該系統的成功研製為高速公路中的安全防撞技術研究奠定了基礎。
2 防撞雷達系統的基本原理
隨著經濟的快速發展，高速公路已經在交通運輸中占有重要地位，其正常運轉與否事關重大。據有關資料對公路交通事故的統計分析，發現在司機—汽車—道路三個環節中，司機是可靠性最差的一個環節，80%以上的事故是由於司機反映不及時或判斷失誤引起的；特別在汽車高速行駛情況下，前方目標的正確識別至關重要，而天氣或司機的疲勞駕駛等都將影響司機對前方目標識別，而且隨著汽車保有量的不斷增加，如何提高道路的流量，如何解決天氣對高速公路的影響等等，已逐漸引起人們的注意。
為了減少甚至避免交通事故的發生，國內外已經開始對毫米波雷達防撞系統進行了研究，這是因為毫米波的特性保證了它能夠適應惡劣的氣候條件，如在能見度比較低的雨霧等正需要防撞系統提供幫助的天氣條件下，雷射和超音波等方式不能正常工作，毫米波雷達則不會受到影響，而且毫米波雷達的天線也不會因為灰塵等污染而產生誤差，比較適合在高速公路中運用。另外目前為了解決天氣惡劣情況下的安全問題，一般採用儘量降低車速甚至關閉高速公路方法，顯而易見，該方式嚴重影響了國民經濟的快速發展。為此，解決交通安全，提高運輸能力，積極開發汽車防撞技術具有重要現實意義和廣闊市場前景，文中介紹了基於毫米波雷達的防撞實驗系統的研製，該系統的成功研製為高速公路中的安全防撞技術研究奠定了基礎。
2 防撞雷達系統的基本原理
單目標回波時，發射信號和反射信號將進行混頻，混頻後得到的信號中含有目標的相對距離和相對速度的信息。
線性FMCW雷達結構簡單，比較適宜測量近距離目標，故作為目前車用防撞雷達的普遍選擇方式。其基本原理可以描述為信號的瞬時頻率隨時間線性變換，當前方有單目標回波時，發射信號和反射信號將進行混頻，混頻後得到的信號中含有目標的相對距離和相對速度的信息。
如圖2—1所示，圖2—1a為發射信號和點目標的回波信號，當和前方目標間有相對速度時，信號的回波中含有頻移，圖2—1b為中頻輸出的混頻信號，通過對中頻信號的處理即可獲得目標的相對速度和相對距離的信息。現記f0作為發射信號中心頻率，B為頻頻寬度，T為掃頻周期，調製信號為三角波，c為光速，R和V分別為目標的相對距離和相對速度。在發射信號的上升段和下降段，中頻輸出信號可以表示為：
根據（2—1）和（2—2）兩式，可以獲得前方目標的相對距離R和相對速度V為：
3 系統的硬體組成
實驗系統是以計算機為中心構成，通過高速多通道的數據採集卡對外部信息進行採集，隨後通過計算機相應的軟體處理，獲得目標的信息，根據相應的危險性情況向司機發出聲音、圖像等信息報警。為解決拐彎和轉向等情況下的目標方位信息，該例中套用陀螺作為探測的輔助手段。系統利用汽車的蓄電池供電，計算機電源則利用逆變器產生220V交流電供電。圖3—1所示為實驗系統的整體結構圖。 3．1 信號發生器
實驗系統是利用FMCW（FrequencyModulationContinuousWave）雷達作為探測手段，由於採用線性調頻方式達到測距的目的，所以雷達信號的線性度對測量距離的精度有較大影響。為了保證足夠的線性度，雷達的控制信號選擇在1．5～3V之間，這是因為在這段區間內該雷達的VCO（VoltageControlledOscillator）壓頻曲線線性度較好，在控制信號端不需要作很大的調整。考慮到波形方式的可變性，該例利用89C52做信號發生器，首先設計所需的雷達波形數據並存入單片機的數據存儲區中，後送D/A轉換，經過調整電路產生所需的控制電壓波形。該系統選用的D/A為IT公司的TLV5619，該晶片具有12位解析度，電壓輸出，最小轉換率為1MSPS。所產生的信號為400Hz的三角波。
3．2 微波部件
由於線性FMCW雷達結構簡單，比較適宜測量近距離目標，作為目前車用防撞雷達的普遍選擇方式，其結構如圖3—2所示。該例中雷達的VCO中心頻率為34．5GHz，頻頻寬度選擇為300MHz（距離解析度==0.5m)。考慮到低副瓣透鏡天線的優點，即軸向尺寸短（相對於普通喇叭型），旁瓣電平低，工作於線性極化，例中選用了該方式的雷達天線。雷達的功率為20mW，該參數的選擇和探測距離的長短有關，功率越大可以探測的距離越遠，但同時外界的樓房、樹木等造成的干擾也就增大。
線性FMCW雷達結構簡單，比較適宜測量近距離目標，故作為目前車用防撞雷達的普遍選擇方式。其基本原理可以描述為信號的瞬時頻率隨時間線性變換，當前方有單目標回波時，發射信號和反射信號將進行混頻，混頻後得到的信號中含有目標的相對距離和相對速度的信息。
如圖2—1所示，圖2—1a為發射信號和點目標的回波信號，當和前方目標間有相對速度時，信號的回波中含有頻移，圖2—1b為中頻輸出的混頻信號，通過對中頻信號的處理即可獲得目標的相對速度和相對距離的信息。現記f0作為發射信號中心頻率，B為頻頻寬度，T為掃頻周期，調製信號為三角波，c為光速，R和V分別為目標的相對距離和相對速度。在發射信號的上升段和下降段，中頻輸出信號可以表示為：
根據（2—1）和（2—2）兩式，可以獲得前方目標的相對距離R和相對速度V為：
3 系統的硬體組成
實驗系統是以計算機為中心構成，通過高速多通道的數據採集卡對外部信息進行採集，隨後通過計算機相應的軟體處理，獲得目標的信息，根據相應的危險性情況向司機發出聲音、圖像等信息報警。為解決拐彎和轉向等情況下的目標方位信息，該例中套用陀螺作為探測的輔助手段。系統利用汽車的蓄電池供電，計算機電源則利用逆變器產生220V交流電供電。圖3—1所示為實驗系統的整體結構圖。 3．1 信號發生器
實驗系統是利用FMCW（FrequencyModulationContinuousWave）雷達作為探測手段，由於採用線性調頻方式達到測距的目的，所以雷達信號的線性度對測量距離的精度有較大影響。為了保證足夠的線性度，雷達的控制信號選擇在1．5～3V之間，這是因為在這段區間內該雷達的VCO（VoltageControlledOscillator）壓頻曲線線性度較好，在控制信號端不需要作很大的調整。考慮到波形方式的可變性，該例利用89C52做信號發生器，首先設計所需的雷達波形數據並存入單片機的數據存儲區中，後送D/A轉換，經過調整電路產生所需的控制電壓波形。該系統選用的D/A為IT公司的TLV5619，該晶片具有12位解析度，電壓輸出，最小轉換率為1MSPS。所產生的信號為400Hz的三角波。
3．2 微波部件
由於線性FMCW雷達結構簡單，比較適宜測量近距離目標，作為目前車用防撞雷達的普遍選擇方式，其結構如圖3—2所示。該例中雷達的VCO中心頻率為34．5GHz，頻頻寬度選擇為300MHz（距離解析度==0.5m)。考慮到低副瓣透鏡天線的優點，即軸向尺寸短（相對於普通喇叭型），旁瓣電平低，工作於線性極化，例中選用了該方式的雷達天線。雷達的功率為20mW，該參數的選擇和探測距離的長短有關，功率越大可以探測的距離越遠，但同時外界的樓房、樹木等造成的干擾也就增大。
