FMCW毫米波防撞雷达系统

    摘要：介绍了主动汽车防碰撞FMCW毫米波雷达系统原理，报导了我们研制的SAE-100型毫米波防碰撞雷达样机。
    关键词：毫米波雷达  汽车防碰撞

    汽车防碰撞系统对提高汽车行驶安全性十分重要，该系统的研究一直倍受重视。从1971年开始，相继出现过超声波、激光、红外、微波等多种方式的主动汽车防碰撞系统，但是以上系统均存在一些不足，未能在汽车上大量推广应用。随着各国高速公路网的快速发展，恶性交通事故不断增加，为减少事故，先后采用行驶安全带、安全气囊等保护措施，但这些技术均为被动防护，不能从根本上解决问题。毫米波是指波长介于1~10mm之间的电磁波，其RF带宽大，分辨率高，天线部件尺寸小，能适应恶劣环境，所以毫米波雷达系统具有重量轻、体积小和全天候等特点，“主动汽车毫米波防碰撞雷达系统”成为近年来国际上研究与开发的热点，并已有产品开始投入市场，前景十分看好。

    本文介绍了主动汽车防碰撞毫米波雷达的原理，报导了我们研制出的SAE-100型毫米波防碰撞雷达样机。

汽车防撞毫米波雷达系统原理

    主动汽车防碰撞是以雷达测距、测速为基础的。防撞雷达系统实时监测车辆的前方，当有危险目标（如行驶前方停止或慢行的车辆）出现，雷达系统提前向司机发出报警，使司机及时作出反应，同时雷达输出信号到达汽车控制系统，根据情况进行自动刹车或减速。

    毫米波防撞雷达系统有调频连续波（FMCW）雷达和脉冲雷达两种。对于脉冲雷达系统，当目标距离很近时，发射脉冲和接收脉冲之间的时间差非常小，这就要求系统采用高速信号处理技术，近距离脉冲雷达系统就变的十分复杂，成本也大幅上升。因而汽车毫米波雷达防撞系统常采用结构简单、成本较低、适合做近距离探测的调频连续波雷达体制。

毫米波FMCW雷达系统结构

    FMCW汽车雷达系统如图1所示，包括天线、收发模块、信号处理模块和报警模块或汽车制动装置。

    射频收发前端是雷达系统的核心部件。国内外已经对前端进行了大量深入研究，并取得了长足的进展。已经研制出各种结构的前端，主要包括波导结构前端，微带结构前端以及前端的单片集成。国内研制的射频前端主要是波导结构前端。一个典型的射频前端主要包括线性VCO、环行器和平衡混频器三部分，如图2所示。前端混频输出的中频信号经过中频放大送至后级数据处理部分。数据处理部分的基本目标是消除不必要信号（如杂波）和干扰信号，并对经过中频放大的混频信号进行处理，从信号频谱中提取目标距离和速度等信息。

毫米波FMCW雷达测距、测速原理

    雷达系统通过天线向外发射一列连续调频毫米波，并接收目标的反射信号。发射波的频率随时间按调制电压的规律变化。一般调制信号为三角波信号，发射信号与接收信号的频率变化如图3a所示。反射波与发射波的形状相同，只是在时间上有一个延迟(t，(t与目标距离R的关系可表示为

    △t=2R/c    （1）

    式中c：光速

    发射信号与反射信号在某一时刻的频率差即为混频输出的中频信号频率(f（如图3b）。根据三角关系，由图3a可以得出目标距离R为

    R=(cT/4△F)△f    （2）

    也就是说，目标距离与前端输出的中频频率成正比。

    如果反射信号来自一个相对运动的目标，则反射信号中包括一个由目标的相对运动所引起的多谱勒频移fd（如图4）。在三角波的上升沿和下降沿输出中频频率可分别表示为

    fb+=△f-fd    （3）

    fb-=△f+fd    （4）

    式中——(f：目标相对静止时的中频频率；fd：多谱勒频移，其符号与目标相对运动的方向有关。

    根据多谱勒原理，目标的相对运动速度v为

    v=c/4f0(fb--fb+)

    =λ(fb--fb+)    （5）

    式中——f0：发射波中心频率；：发射波波长。

    速度v的符号与目标相对运动的方向有关，目标靠近时v为正值，反之v为负。三角波上升沿和下降沿的中频信号频率由DSP进行FFT变换得到。

    由公式（2）和（5）就可以计算出目标距离和目标相对运动速度。

SAE-100型毫米波防碰撞雷达系统的研制

    上海汽车电子工程中心经过近一年的研究，已经研制出SAE-100型毫米波防碰撞雷达系统样机。该样机采用零差FMCW体制，系统结构如图1所示，工作频率35GHz，测距范围>100m，测速范围>100km/h。系统采用了增益为26dB的小型喇叭天线，发射功率40mW的波导结构前端，以及先进的DSP数据处理技术。上面部分包括天线、前端和中频放大模块，尺寸为19cm(15cm(16cm，输出信号为经过放大了的中频信号。下面部分为数据处理和显示报警模块，可以显示目标距离和相对运动速度。当目标距离小于100m时，根据距离的不同可以用三种不同的音调进行报警。