（精密仪器及机械专业论文）红外激光扫描汽车防撞信号的处理系统设计(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 汽车行驶安全性越来越受到重视，汽车防撞系统作为一种主动安全技术将具有广 阔的空间。本文提出了一种在汽车防撞系统上使用双回旋红外脉冲激光扫描来检测四 周障碍物的方法。此方法具有指向性好、方位准确、障碍物扫描范围、断障碍物判断 准确等优点。 本文首先通过对目前各种汽车防撞技术和激光测距方法的分析确定出本设计采用 双回旋红外脉冲激光扫描检测汽车防撞信号，并在此基础上详细分析了此汽车防撞信 号处理所需要的详细技术参数；提出了红外激光扫描汽车防撞信号处理系统的总体设 计方案；并完成激光器双回旋控制电路、激光调制发射及接收电路、a d 转换电路、 f p g a 部分算法处理、a t 9 1 s a m 9 2 6 1 中心控制电路等系统硬件设计。系统所涉及的软 件设计分为a t 9 1 s a m 9 2 6 1 中心控制电路b o o t l o a d e r 启动、r t l i n u x 实时操作系统移 植及其驱动程序开发、激光器双回旋控制软件程序和大尺寸物体扫描监测算法。为了 验证设计的正确性，列出本设计部分电路调试情况和调试结果，并在附录中附上本设 计电路。经调试本设计完全能够满足系统设计要求。 关键词：汽车防撞红外激光扫描r t l in u x 实时操作系统 a b s t r a c t c a ro w n e r s h i pi sg r o w i n ga tar a p i dr a t e m o r ea n dm o r ep e o p l ea t t a c hi m p o r t a n c et o s a f ew h i c ha b o u td r i v i n gv e h i c l e a u t o m o t i v ea n t i - c o l l i s i o ns y s t e ma sak i n do fp o s i t i v es a f e p r o t e c t i o nt e c h n o l o g yw i l lh a v ea b r o a ds p a c e t h i sp a p e rp r o p o s e sam e t h o dw h i c hu s e di n a u t o m o t i v ea n t i - c o l l i s i o ns y s t e m i tc a ne x a m i n eo b s t a c l eb yd o u b l ec y c l o t r o ni n f r a r e dp u l s e l a s e rp a s s i n g t h i sm e t h o dh a v eg o o dd i r e c t i o n a l i t y 、b e a r i n ga c c u r a c y f i r s to fa l l ，p a p e r sa n a l y s i sa l lk i n d so fm e t h o da b o u tv e h i c l e sa n t i - c o l l i s i o nt e c h n o l o g y a n dr a n g i n gl a s e ra tt h ep r e s e n tt i m e o nt h a tb a s i s ，t h i sd e s i g ni ss u r et ou s e “d o u b l e m o d e i n f r a r e dp u l s el a s e rs c a n ”t od e t e c tv e h i c l ea n t i - c o l l i s i o ns i g n a l i ta l s od e t a i l e da n a l y s i s t e c h n i c a lp a r a m e t e rw h i c hf r o m “v e h i c l e sa n t i - c o l l i s i o ns i g n a lp r o c e s s i n g ”t h e np u tt h e s c h e m ef o rs y s t e md e s i g na b o u t “s c a n n e dl a s e ri n f r a r e dv e h i c l e sa n t i c o l l i s i o n s i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m ”t h eh a r d w a r ed e s i g nd i v i d e di n t os o m ep a r t st od e s c r i p t i o n ： d o u b l e m o d el a s e rs t e e r i n gc i r c u i t 、l a s e rm o d u l a t e dt r a n s m i t t e ra n da c c e p t o rc i r c u i t 、a d c i r c u i t 、f p g aa l g o r i t h mt r e a t m e n t 、a t 9 1 s a m 9 2 6 1c e n t r a l i z e sc o n t r o lc i r c u i te t c s o f t w a r e a l g o r i t h ma n a l y s i sf r o ma t 9 1 s a m 9 2 6 1c e n t r a l i z e sc o n t r o lc i r c u i tb o o t l o a d e i n i t i a l i z a t i o n r o u t i n e 、r t l i n u xr e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e ma n dd r i v e r se x p l o i t 、d o u b l e - m o d el a s e rc o n t r o l s o f t w a r ep r o g r a m 、t h ea r i t h m e t i co fj u m b os i z eo b j e c tl a s e rs u r v e ym e t e r i no r d e rt ov a l i d a t e d e s i g ni sc o r r e c t ，p a p e rl i s tt h ec i r c u i t “d e b u g g i n ga n dt e s t c i r c u m s t a n c ea n da t t a c ha l l c i r c u i tl a y o u ta b o u tt h i sd e s i g n i ti su pt os c r a t c ht h es y s t e md e s i g nr e q u i r e m e n t st h r o u g h d e b u g k e yw o r d s ：v e h i c l e sa n t i - c o l l i s i o n i n f r a r e dl a s e rs c a n n e dr t l i n u x n 长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文，红外激光扫描汽车防撞信号 的处理系统设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：乏塑坦垒塑年立月卫日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文 全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名：垒尘堕垒竺年立月塑 指导导师签名：年与月 o 日 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 汽车是重要的运输工具，是科学技术发展水平的标志。汽车工业是资金密集、技 术密集、人才密集、综合性强、经济效益高的产业。世界各个工业发达国家几乎无一 例外地把汽车工业作为国民经济的支柱产业。汽车的研制、生产、销售、营运，与国 民经济许多部门都息息相关，对社会经济建设和科学技术发展起重要推动作用。汽车 也是社会物质生活发展水平的标志。汽车的保有量随着国民人均收入水平的提高而增 加。在许多发达国家中，汽车的数量很多，并已普及到千家万户，促使人的社会生活 方式发生显著的变化。但是，汽车数量过多也造成事故较多的社会问题，能用有效的 方式解决各类事故是非常必要的。 中国经济快速发展，汽车数量持续增长，交通事故也急剧增加，交通事故与死亡 人数稳居世界第一。中国交通事故死亡人数占全世界的1 6 左右。世界卫生组织公布的 资料显示，世界每年有1 百2 0 万人死于交通事故。英国卫报报导，世界平均每半分钟 就发生一起交通事故，事故的死亡人数主要都发生在发展中国家，估计中国和印度每 年各自都至少有1 0 万人在道路交通事故中死亡。 中国每年交通事故5 0 万起，因交通事故死亡人数均超过1 0 万人，稳居世界第一。 统计数据表明，每5 分钟就有一人丧身车轮，每1 分钟都会有一人因为交通事故而伤 残。每年因交通事故所造成的经济损失达数百亿元。 根据国家公路交通安全管理局( n h t s a ) 和弗吉尼亚州科技运输协会( v t t i ) 2 0 0 6 年4 月发布的报告，驾驶员注意力不集中是大部分事故主要因素。该报告表明，8 0 的 交通事故都与驾驶员注意力不集中有关，可能是由于疲劳驾驶、使用手机以及其它分 散注意力的因素导致的。 汽车防撞技术是智能交通系统和智能车辆技术研究领域中的重要组成部分，而前 方车辆的探测是其中必不可少的内容。目前，美国、法国、日本、德国以及意大利等 世界发达国家的一些研究机构，相继在该研究方向作了一定程度的研究，并取得了许 多有价值的研究成果。这些将为解决常规车辆因驾驶员主观因素产生的交通事故提供 了有力的技术支撑。 在我国，由于基础设施水平和经济实力等因素限制，在智能车辆尤其是行驶安全 保障技术方面与世界发达国家存在一定差距。目前，只有清华大学、西安交通大学、 吉林大学和重庆大学等几家研究机构在该领域做出了一些的成果。但无论怎样，只要 我们勇于创新，不断进行深入、细致的研究，必会在该领域跟踪并赶超世界先进水平， 为我国在智能交通领域提供理论指导和技术支持，其意义是深远的。 1 2 国内外研究现状 半个世纪以来，人们一直期盼著一种使人类免于灾难的理想的防碰撞系统，致力 于寻找各种解决方法，但限于当时的科学工程技术的发展水平( 如高速计算机、高频 模拟器件、及半导体激光器件) 和深入程度( 如对各种探测波的全面认识) ，及把这一 切整合起来形成实用系统的巧妙方法( 高度发达的人工智能和自动控制) 等方面原因， 结果还远远未尽人意。人们通过运用不同类型的检测波来找寻解决方法，包括超声、 波无线电、微波或激光来检测障碍物。这些方案都遇到各种难题：微波以探测距离远 压过了超声波，却因发散角太大被激光取代，而一般的激光探测系统又由于在雨雾天 气下表现欠佳而受到质疑。 目前国内外多数研究者和厂商采用雷达方法研制汽车防撞系统，并广泛应用在汽 车上，也有研究者采用机器视觉方法，但还停留在实验室阶段，如：重庆大学自动化 学院周欣等人采用单目视觉技术来实现车道保持和进行障碍物检测，进而力图解决视 觉导航问题，运用多阈值分割技术提取高速公路上当前车道的分道线，接着对分道线 建立了圆锥曲线模型进行二维重建。最后采用有色噪声的卡尔曼滤波对真实障碍物进 行跟踪，根据分道线模型获得保持车道所需的方向信息，检测本车道前方障碍物而避 让【1 1 。 山东科技大学信息与电气工程学院采用前方目标车辆的识别方法确定出对自车行 驶构成威胁的目标车辆，在此基础上采用扩展的k a l m a n 四阶模型对含有随机噪声的雷 达检测信号进行滤波处理【3 j 。湖南大学应用物理系采用红外线测距方法研制出红外避障 系统1 4 j 。西安交通大学电信学院信息工程研究所提出了基于机器视觉的前方车辆障碍物 检测方法1 5 j 1 6 j 。 中国专利号0 0 2 4 9 5 8 1 3 ，雷达微机型汽车防撞系统，公开一种用于汽车在行驶中， 防止发生碰撞事故的装置，它包含有传感器、计算机、伺服机构三部分。该装置的伺 服机构可控制汽车的油门，通过计算机接口扩展，还可控制制动器及其它。传感器由 脉冲多普勒激光雷达和车速信号输出仪组成。传感器测出与前方车辆的距离和本车速 度，将信号送至计算机，通过已编程序处理并指示伺服机构动作，以达到安全行车的 目的。 中国专利号9 7 2 3 0 3 9 8 7 ，自动防撞的交通工具及其防撞装置，公开一种防撞装置 包括传感探测器，处理控制部分和执行装置，其特征是传感探测器与处理控制部分连 接，处理控制部分与执行装置连接，传感探测器可以是机械、机电式探测器，激光探 测器，光电主动式红外探测器，光电被动红外探测器，超声波式探测器，微波式探测 器，接近式探测器或酒精敏感探测器或它们的部分组合；执行装置包括报警器、制动 部分、安全防护装置；一种自动防撞的交通工具，其特征在于将所述的防撞装置装在 所述交通工具上。 经分析计算研究后认为，先前被某些研究机构判了“死刑”的激光探测其实是“冤 枉”的。究其最重要的失败原因主要是那些方案未能对周围目标作全方位的探测，因 此对保障交通安全所起的作用不够。其次是未能妥善的突破解决某些技术难关f 例如 传播途中水分对探测波的反射，尽管有时可达到很强，但那是可以通过专门研究的特 2 殊障碍物检测技术加以解决的) ；以及未能选择使用最适合调制脉冲波形式，无法满足 在探测电波对人眼安全的前提下加大探测波功率来满足灵敏度的要求，从而功亏一篑， 其产品未能真正成功地广为市场接受。 1 3 本论文研究内容 本论文在通过对目前各种汽车防撞技术的对比和激光测距方法的分析基础上确定 出本设计采用双回旋红外脉冲激光扫描检测汽车防撞信号，激光发射信号既可在汽车 行驶平面上旋转又同时具备垂直面的扇形旋转，接收探头可跟随作平面旋转接收反射 来激光信号。双旋转激光发射与接收扫描器水平旋转3 6 0 。，速率设计大于4 8 转秒， 垂直摆动速率大于8 扇面秒，扇面夹角约3 0 。，可满足高速行驶的车辆上使用。并在 此基础上详细分析了此汽车防撞信号处理所需要的详细技术参数。 提出了红外激光扫描汽车防撞信号处理系统的总体设计方案，并完成系统硬件设 计，分为激光器双回旋控制电路、激光调制发射及接收电路、a d 转换电路、f p g a 部 分算法处理、a t 9 1 s a m 9 2 6 1 中心控制电路等。 本文并完成了a t 9 1 s a m 9 2 6 1 中心控制电路b o o t l o a d e r 启动、r t l i n u x 实时操作 系统移植及其驱动程序开发、激光器双回旋控制软件程序和大尺寸物体扫描监测算法 等。为了验证设计的正确性，列出本设计部分电路调试情况和调试结果，并在附录中 附上本设计电路。经调试本设计完全能够满足系统设计要求。 3 第二章红外激光汽车防撞系统原理及设计概论 2 1 现有汽车防撞探测技术分析 对于车辆安全来说，最主要的判断依据是两车之间的相对距离和相对速度信息， 当本车以较高的速度接近前方车辆时，如果两车之间的距离太近，很容易造成追尾事 故。因此，常用的汽车防撞系统都将车辆之间的相对距离作为主要检测任务。 目前的避障系统按工作方式分主要有激光、超声波、红外等一些测量方法，下面 对不同的探测方式进行详细的介绍。 2 1 1 视觉传感器探测技术 视觉给人类提供了7 0 以上的所需信息、为人类的正常生活和工作提供了必要保障 一样，视觉系统为行使汽车避障提供了大量的信息。给行使汽车配备视觉装置，可以 使行使汽车能够识别道路情况，这对汽车实现智能化行驶具有重要意义。 视觉系统是汽车避障系统的重要组成部分，其系统构成可由图2 1 表示。图中各 模块分别是图像采集模块、图像处理模块、特征提取模块，每个模块均有其特定的功 能。其中图像采集模块用来获取数字图像：图像处理模块的作用是对获取的数字图像进 行预处理，有利于提取数字图像的有效特征：特征提取模块是为后面的障碍物识别做准 备的。 为完成各自的功能，每个模块都需要一些特定的设备。图像采集模块可采用电荷 耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ，c c d ) 摄像机、带有视像管的视频摄像机和扫描仪 等。图像处理模块、图像的特征提取模块主要是运算，所使用的设备主要是计算机。 图2 1 视觉系统框图 1 、图像采集模块 采集数字图像，需两种装置，一种是对某个电磁能量谱波段( 如可见光、红外线、 紫外线等) 敏感的物理器件，它能将“看到的”景物转换为相应的模拟电信号。另一种 称为数字化器，它能将上述模拟电信号转化为数字( 离散) 图像。所有采集数字图像的 设备都需要这两种装置。敏感器件中，用于可见光和红外线成像的器件主要有显微密 度计、析像管、视像管和对光子敏感的固态阵等。 固态阵是目前最常用的成像器件，固态阵是由称为感光基元的离散硅成像元素构 成的。这样的感光基元能产生与所接受的输入光强成正比的输出电压。固态阵可按几 何组织形式分为两种：线扫描器和平面扫描器。线扫描器包括一行感光基元，它靠场景 4 和检测器之间的相对运动来获得2 d 图像。平面扫描传感器由排成方阵的感光基元组成， 可直接得到2 d 图像。固态平面传感器阵的一个显著特点是它具有非常快的快门速度， 所以能将许多运动定格下来。 固态阵的主要元件是电荷耦合器件c c d 。由于电荷耦合平面阵的快门速度很快，因 而采用平面阵的c c d 摄像机非常适用于机器人视觉系统中。电荷耦合平面阵传感器的 感光基元排列成矩阵形式，感光基元行由传输门和传输寄存器隔开。先将奇数行感光 基元的内容顺序送进水平传输寄存器，然后再送进垂直传输寄存器。把垂直传输寄存 器的内容送进放大器就得到1 场隔行的视频信号。对偶数行感光基元重复以上过程就 可得到另1 场隔行的视频信号。将两场合起来就得到隔行扫描电视的l 帧。要得到数 字图像需把c c d 摄像机的视频输出送到数字化器中，这通常在计算机中插专门的硬件 卡来实现。近年来，人们设计了各种工业标准总线兼容的可以插入微机或工作站的图 像采集卡，这些图像采集卡可用于图像数字化和临时存储。 2 、图像处理模块 对图像的处理一般可用算法的形式描述，而大多数的算法可用软件来实现，只有 在为了提高速度或克服通用计算机限制的情况下才用特制的硬件。目前许多基本的图 像处理和分析软件包已商品化，它们可提供比以前更多更快的通用工具，但还有很多 具体的问题需要尽快地解决，这就需要更加深入的研究和开发。现有的通用图像处理 软件主要包括基于m a t l a b 的软件、基于c 语言的软件以及基于v i s u a l c + + 的软件。 3 、特征提取模块 对图像进行预处理之后，通过某种数学变换，把高维特征空间变为低维特征空间， 关键是找出两空间之间转换的矩阵或映射方法和简化方法，使得变换后的低维模式空 间中，类别的可分性准则值最大。对于复杂问题，常用的特征提取方法有：( 1 ) 基于主 分量变换的特征提取。( 2 ) 基于可分性准则的特征提取。( 3 ) 基于非线性变换的特征提 取。( 4 ) 数据挖掘n 引。 2 1 2 超声波探测技术 1 、超声波的产生机理 超声波换能器是进行能量转换的器件，它可以将一种形式的能量转换成另一种形 式的能量，它既可以把电能转换成高频声能，也可将声能转换成电能，是超声波检测 系统最基本的单元之一。换能器按能量转换原理分成磁性换能器和电性换能器。磁性 换能器包括电动式、电磁式、磁致伸缩式：电性换能器包括压电式、电容式、电致伸缩 式。磁致伸缩换能器基于磁场的磁一力效应来实现机电能量转换，电致伸缩换能器是 基于某些晶体或极化了的陶瓷体的电致伸缩效应来实现电声能量转换的一种电性换能 器。极化了的电致伸缩换能器从换能原理和处理方法上可以看作压电换能器，一般也 称之为压电换能器。所谓压电换能器是基于某些晶体的压电效应来实现电声能量转换 的一种电性换能器。在超声波检测中，常用的换能器以压电换能器为主。换能器又分 为发射换能器和接收换能器。 5 下图给出了电一声信号相互转换的示意图2 2 。 图2 2 电一声信号相互转换的示意图 2 、测距原理 用于汽车避障系统的超声波一般使用渡越时间法( t o f ) 来测量超声波换能器与前 方物体之间的距离。t o f 方法的原理很简单，换能器通过高频脉冲信号发射超声波，超 声波遇到前方障碍物后，经过反射产生多个回声信号，这些回声信号被同一个换能器 接收并转换成电信号。从脉冲发射到接收到第一个回声信号，这期间的时间间隔t 即 称为渡越时间。测量的距离z 可通过下式求得 z - - c t 2( 2 1 ) 式中，c 是超声波在空气中的传播速度，c = 3 3 1 4 4 1 + t 2 7 3 小知，t 为绝对温度。 经过分析得知，超声波传感器的频率在4 0 k h z 左右的超声波在空气中传播的效率最佳， 因此通常将发送的超声波调制到4 0 k h z 左右n 引。 2 1 3 激光探测技术 “激光雷达”是一种利用电磁波探测目标的位置的电子设备。其功能包含搜索和 发现目标；测量其距离、速度、角位置等运动参数；测量目标反射率，散射截面和形 状等特征参数。激光雷达同传统的雷达一样，都由发射、接收和后置信号处理三部分 和使此三部分协调工作的机构组成。但传统的雷达是以微波和毫米波段的电磁波作为 载波的雷达。激光雷达以激光作为载波，激光是光波波段电磁辐射，波长比微波和毫 米波短得多。具有以下优点： ( 1 ) 全天候工作，不受白天和黑夜的光照条件的限制。 ( 2 ) 激光束发散角小，能量集中，有更好的分辨率和灵敏度。 ( 3 ) 可以获得幅度、频率和相位等信息，且多普勒频移大，可以探测从低速到高速 的目标。 ( 4 ) 抗干扰能力强，隐蔽性好；激光不受无线电波干扰，能穿透等离子鞘，低仰角 工作时，对地面的多路径效应不敏感。 ( 5 ) 激光雷达的波长短，可以在分子量级上对目标探测且探测系统的结构尺寸可做 的很小。 ， 当然激光雷达也有如下缺点： ( 1 ) 激光受大气及气象影响大。 6 = | | f 呈 l ；i l ；f 固固 ( 2 ) 激光束窄，难以搜索和捕获目标。 激光雷达以自己独特的优点，已经被广泛的应用于大气、海洋、陆地和其它目标 的遥感探测中。汽车激光雷达避障系统就是基于激光雷达的优点，同时利用先进的数 字技术克服其缺点而设计的。下面将简单介绍激光雷达测距、测速的原理，并在此基 础上研究讨论汽车激光防撞雷达测距、测速的方法。 1 、目标距离的测量原理 汽车激光雷达防撞系统中发射机发射的是一串重复周期一定的激光窄脉冲，是典 型的非相干测距雷达，它的优点是测距精度高，测距精度与测程的远近无关；系统体 积小、重量轻，测量迅速，可以数字显示；操作简单，培训容易，有通讯接口，可以 连成测量网络，或与其他设备连机进行数字信息处理和传输。 激光雷达工作时，发射机向空间发射一串重复周期一定的高频窄脉冲。如果在电 磁波传播的途径上有目标存在，那么激光雷达就可以接收到由目标反射回来的回波。 由于回波信号往返于雷达与目标之间，它将滞后于发射脉冲一个时间t ，如图2 3 所示。 我们知道电磁波的能量是以光速传播的，设目标的距离为r ，则传播的距离等于光 速乘上时间间隔，即 2 尺2 c f ， ( 2 2 ) 式中，r 为目标到激光雷达的单程距离，单位为m ；t ，为电磁波往返于目标与雷达 之间的时间间隔，单位为s ；c 为在空气中传播的速度c ；3 x 1 0 s m s 。由于电磁波传播的 锭躬脉冲 图2 3 发射和接受信号示意图 速度很快，激光雷达技术常用的时间单位为膨，回波脉冲滞后于发射脉冲为一个微秒 时，所对应的目标距离r 为r 。c t , 2 = 1 5 咖。 能测量目标距离是激光雷达的一个突出优点，测量的精度和分辨率与发射信号带 宽有关。脉冲越窄，性能越好。 2 、目标相对速度的测量原理 7 目前激光测距主要是采用多普勒频移测速的方法。下面将详细地介绍多普勒频移 测速的基本原理及提取方法。 多普勒频移是指当目标与雷达之间存在相对速度时，接收到的回波信号的载频相 对于发射信号的载波产生一个频移，这个频移在物理学上称为多普勒频移，它的数值 为： 厶2 等 ( 2 3 ) 式中，艿为多普勒频移，单位为h z ；v ，为雷达与目标之间的径向相对速度，单位 为m s ；入为载波波长，单位为m 。下面将以激光雷达发射连续波的情况为例来详细的 研究多普勒频移的推导过程。 为方便计算，设目标为理想“点目标，即目标尺寸远小于激光雷达分辨率。当 激光雷达发射连续波时，发射信号可表示为： s ( f ) = a c o s ( w o t + e ) ( 2 4 ) 式中，为发射角频率；驴位初相；a 为振幅。接收机接收到由目标反射的回波 信号墨( f ) 为： s ，o ) = b o f ，) = 朋c o s w o ( t t o ) + 妒】 ( 2 5 ) 式中，f ，一2 r c 为回波滞后于发射信号的时间，其中r 为目标和雷达之间的距离； c 为电磁波传播速度，在空气中传播时它等于光速；k 为回波的衰减系数。 如果目标固定不动，则距离r 为常数。回波与发射信号之间有固定相位差 w o t r - - g o 。嗄= ( ) 2 r ( 2 6 j 它是电磁波往返于雷达与目标之间所产生的相位滞后。 当目标与雷达之间有相对运动时，则距离r 随时间变化。设目标以匀速相对于雷 达运动，则在时间t 时刻，目标与激光雷达之间的距离r ( t ) 为 尺9 ) = r o v , t ( 2 7 ) 心为t = 0 时的距离；v ，为目标相对于雷达的径向运动速度。 说明，在时刻接收到的波形s r ( t ) 上的某点，是在t - t o 时刻发射 的。由于通常雷达和目标的相对速度v r 远小于电磁波速度c ，故时延t ，可近似写为： f r 半= 詈( ”力 ( 2 8 ) cc f 9 r 1 回波信号比起发射信号来，高频相位差v q ) 为： 8 v 妒2 一w ，一w oc z ( r 。一y r f ) = - 2 ( g o y r ( 2 9 ) cf 9 q 1 是时间t 的函数，在径向速度咋为常数时，产生频率差为： 尹，：! 塑：三n 一 幼出 a ( 2 1 0 ) 这就是多普勒频率，它正比于相对运动速度而反比于工作波长入。当目标飞向雷 达站时，多普勒频率为正值，接收信号频率高于发射信号频率，而当目标背离雷达站 飞行时，多普勒频率为负值，接收信号频率低于发射信号频率。 当目标向着激光雷达运动时v ， o 时，回波载频提高也就是自车与前车或障碍物间 的距离在减小；反之，v ， 0 时，回波载波降低，自车与前车或障碍物间的距离在增大。 所以只要能够测量出多普勒频移f d ，就可以确定目标与雷达站之间的相对速度，也就 是自车与前车或障碍物的相对速度，从而根据自车的速度计算出前车的速度n 引。 2 1 4 毫米波探测技术 主动汽车避障是以雷达测距、测速为基础的。避障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) 出现时，雷达系统则向司机发出报警， 使司机及时做出反应。 l 、毫米波雷达的测距、测速原理 调频连续波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 有一个延迟址，& 与目标距离r 的关系可表示为a t = 2 r c ，式中c 为光速。发射信号 与反射信号的频率差即为混频输出的中频信号频率i f ，如图2 4 ( a ) 所示。 jj _ 十 a f 上 f 0 图2 4 发射信号与反射信号的频谱示意图 9 号 如图2 4 ( b ) ，根据三角关系，由图( a ) 可以得出： a t t 2 l f心 其中t 为调制三角波周期，a f 为调频带宽。由以上两式可得目标距离r 为： r ：c r _ l _ i f 4 龋 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 也就是说，目标距离与雷达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f 。( 见下图2 5 ) ，在三角波的上升沿和下降沿输出中频。 o 号 图2 5 发射信号与反射信号的频谱不意图 频率可分别表示为： b + | i f f d 乜1 3 ) l b 一= i f + d 电，1 4 ) 其中，i f 为目标相对静止时的中频频率，艿为多普勒频移，其符号与目标相对运 动的方向有关。由( 2 4 ) ( 2 。5 ) 可得： 厶= 学 ( 2 1 5 ) 根据多谱勒原理，目标的相对运动速度v y2 瓦c ( 无一一2 鲁( 厶一一 ( 2 1 6 ) 其中f o 为发射波中心频率，a 为发射波波长。 速度v 的符号与目标相对运动方向的关系，当目标靠近时v 为正值，反之，为负。 由公式( 2 3 ) 和( 2 7 ) 就可以计算出目标距离和目标相对运动速度。 在我国，目前对于通信和无线设备的频谱分配和管理，只规定到i o g h z 左右。因 此，根据我国现状，2 4 g l - l z ，3 5 g h z 的理论研究和制造水平尚可，可以把汽车雷达设计 1 0 在这两个频段。由于目前大多数军用毫米波系统均工作在3 5 g h z 频段，为了避免将来 在频谱规定中出现问题。我们避开军用频段，把工作频率定为2 4 g h z 伽1 。 2 1 5 几种探测技术的比较 通过以上对各种传感器分析，可以得到如下表的特点： 从表中可以明显看出激光探测能够适应汽车防撞系统的要求。激光探测具有稳定 的探测性能和良好的环境适应性，可以测量目标物体的相对速度及方位角等参数。 表2 - 1 不同传感器性能分析 淤 超声波激光视频毫米波 性能指秣 长距离探测能力低 强 强强 目标识别能力低 强强一般 避免虚警能力低强般一般 温度稳定性差好好好 黑暗的穿透能力 强强低 强 恶劣天气的穿透能力低中低中 硬件低成本可能性 高一般 低高 一 信号处理低成本可能性局高低高 灰尘烟雾笼罩时传感器 中中差好 性能 2 2 双回旋红外脉冲激光防撞技术分析 根据国内外多年的研发经验，要求汽车防撞系统必须达到以下技术要求： ( 1 ) 系统必须能够准确地探测到雷达前方扫描区域内的所有运动和静止的障碍目 标。对于类型不同因此反射截面积不同的汽车目标，系统应该具有一定的动态范围， 以保证正确的判断和预警。 ( 2 ) 系统的作用距离为1 米至1 5 0 米。距离分辨率应达到0 2 5 米。电磁辐射能量 不能超过法定范围，发射功率应在毫瓦级，典型值小于等于1 0 0 m w 。为了保证系统的实 时性，一次刷新时间应在毫秒级，小于等于人的一次刹车反应时间( 据统计表明，人的 一次刹车反应时间为0 3 秒) 。 ( 3 ) 系统应保证排除临近车道上车辆目标的干扰。 ( 4 ) 为了能够和汽车进行整体配套，要求在保证性能的情况下，做到整机体积最小， 重量最轻。 ( 5 ) 和汽车其它电子系统做到电磁兼容。发射的干扰信号不影响汽车电子设备的工 作，具有一定的抗干扰性能，在汽车打火等干扰比较严重的情况下，能够保持正常工 作。 红外激光探测和测距系统在恶劣天气环境，特别是大雾时性能会下降，因此，大 气的吸收是选择激光波长需首先考虑的问题。此外，汽车对不同波长的反射率、系统 成本以及人眼安全保障都是影响波长选用的重要因素。下面从这几个方面进行讨论， 以得出最佳波长的值。在室温下，2 5 相对湿度的海平面进行2 0 0 m 传输实验的透过率 曲线显示，在0 8 u m 8u m ，二波长范围内有7 个窗口，中心波长分别是o 8 5um 、1 3 u m 、 1 6u m 、2 2 1u m 、3 9u m 和8u m 。在雨天和下雪天，各个波长的透过率相差不大。在 雾天，长波长的透过率更高，因为对于长波而言，散射更小。目标车辆对红外激光的 反射包括镜面反射、漫反射及定向反射。镜面反射与波长的关系不大，但漫反射和定 向反射部分在中远红外波段时衰减很快，原因是塑料部件和油漆层中的有机材料对这 部分波长的激光吸收较强。对于8 5 0 n m 1 5 6 0 n m 的激光，这3 种反射均可容易的探测到。 在中远红外范围，玻璃和塑料吸收很强，系统中的光学系统必须用昂贵的材料来制造， ： 口t i b a f 2 ，c a f 2 ，或g e 。而2u m 以下短波长可以使用更便宜的光学元件。在室温条件 下工作的短波长探测器也比长波长的性能好而且价格便宜。综合考虑以上因素，0 9u m 左右波长的半导体激光器是最佳选择。 根据以上分析，详细分析雾天和非雾天防撞要求，列成表格如下： 表2 2 雾天非雾天防撞性能分析 天扫描半径相对速度分辨间隔转速情形重复率 气方向( m s ) ( m s )( m ) ( 转( m z ) 秒) 非水平1 0 06 0 ( 对车)0 13 6 车对车 1 3 5 雾 天 3 0 ( 对人)0 0 43 6车对人 2 5 44 5 垂直9 06 0 ( 对车)6 雾水平 9 0 4 5 ( 对车) 1 2 车对车 6 7 天 4 52 2 5 ( 对人单 0 11 2 车对人1 7 0 向，人速设为 0 m s ，车速设 2 2 5 m s ) 垂直 9 00 0 22 分析计算： 一、条件：雾天，车对车，防撞时间：1 5 秒，半径：9 0 米，间隔1 0 厘米 监测时间t ：9 0 4 5 t 1 5 得出t 0 5 s 得出转速：( 垂直方向) 2 转秒，( 水平方向) 1 2 转秒。重复率：0 1 2 3 1 4 9 0 1 2 = 1 f 得出：f = 6 7 8 k h z 二、条件：非雾天，车对车，防撞时间：1 3 5 秒，半径：1 0 0 米，间隔1 0 厘米 检测时间t ：1 0 0 6 0 t 1 3 5 得出：t 0 1 5 s ，取0 1 5 秒，得出转速。( 垂直方向) 5 8 8 转 1 2 秒，取6 转秒。重复率：0 1 2 3 1 4 9 0 3 6 = 1 f 得出f _ 1 3 5 k h z 三、条件：非雾天，车对人，防撞时间：1 5 秒，半径4 5 米，采样间隔4 厘米， 转速：3 6 转秒。重复率：0 0 4 2 x 3 1 4 x 4 5 1 2 = 1 f 得出：f = 2 5 4 k h x 四、天件：雾天，车对人，防撞时间：1 3 5 秒，半径4 5 米，采样间隔1 厘米，转 速：1 2 转秒。重复率：0 0 1 2 3 1 4 4 5 1 2 = 1 f 得出：f = 3 4 0 k h z 总结：采用4 m w 2 5 4 k h z ，3 0 m w 8 4 8 k h z 的激光二极管可以实现系统防撞要求。 在激光测距系统中，由于需要精确测量激光脉冲的飞行时间，所以对光电检测传 感器的响应时间有很高的要求，另外，由于传感器接收的是反射回来的信号，所以应 该对微弱信号敏感，根据这两点要求，可供选择的光电传感器有p m t 、p i n 型光电二极 管和雪崩光电二级管a p d 。其中p m t 尽管有高的增益和较低的噪声，但它体积大，抗外 部强磁干扰差，动态响应范围较小并需要多组电压，一般较少在脉冲激光测距系统中 使用。 雪崩光电二极管具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、抗强磁场干扰和动态 范围大等优点，特别是其响应时间短，由于内倍增效应，它对微弱信号也有相当高的 灵敏度，所以既能保证激光测距系统的测距精度，又能扩大测距范围。雪崩光电二极 管目前己经被广泛应用于多个领域，诸如激光测距、光子相关性研究、光电探测等等。 半导体雪崩光电二极管的测量光谱范围与其材料有关。5 1 、g e 和i n g a a s 型a p d 的光谱敏感区分别为4 0 0 一1 1 0 0 n m 、8 0 5 0 n m 和9 0 0 1 7 0 0 n m 。不同的参数假设下对应接 收灵敏度与发射功率匹配如下表： 表2 - 3 接收灵敏度与发射功率匹配分析 反射横向压缩比 发射功传感器灵敏度发射备注 系数圆形：竖直矩 率提升s ( d b m )p i r l形 l10 5 n w6 3l m w晴天 11l n w一6 05 6 m w晴大 1 l1 0 n w6 32 0 m w 晴大 l6 00 5 n w6 36 0 m w中雾 26 00 5 n w一6 3- 3 0 m w 中雾 0 0 2 26 00 3 1 6 n w 2 0 m w 中雾 石5 21 0 00 5 n w躬5 0 m w 中雾 21 0 0 2 n w5 75 0 m w 中雾 21 0 0l n w6 02 5 m w 中雾，提高接收 灵敏度，降低了发 射功率要求。 雪崩光电二极管是利用p n 结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极 管。这种管子具有普通硅光电二极管p i n 光电二极管所没有的内增益光伏特性，而在光 1 3 电探测系统中，大多数是对微弱信号的检测，采用内增益的光探测器有助于对微弱信 号的探测。雪崩二极管是具有内增益的光伏探测器件。它是利用光生载流子在高电场 区的雪崩效应而获得光电流的增益的，无光照时，p n 结不会发生雪崩效应：只有当外界 有光照时，激发出的光生载流子才能引起雪崩效应。雪崩光电二极管的反相工作偏压 通常略低于p n 结的击穿电压。若反相偏压超过器件的击穿电压时，器件将无法工作， 甚至烧毁。 所有激光传感器灵敏度会计为7 4 d b m 6 0 d b m 。雾中用峰值功率：p t = 5 0 m w 理论 上可达到灵敏度( 对于2 5 米外的车和人而言) 。扫描间距为d = 2 c m ；转速为n = 1 2 转 秒 鲅鞘：，2 。厩) 妇x 2 5 删1 2 名0 0 2 m - 9 4 2 抛( n 1 0 铋) o ( 2 1 7 有行人区域里采用2 0 w 的激光二激光理由是：在有行人的区域罩，汽车时速极限 是3 5 m p h t 、时，即1 8 m s 。速度既慢，探测距离为2 8 m 即可。此时对发射功率或者接 收机的灵敏度要求降至( 和2 = ( 0 2 = 0 3 9 - 4 0 2 3 本汽车防撞信号处理系统设计技术参数 经过以上分析本论文激光信号选择波长在红外波段，以9 0 0 a m 为中心的安全区红 外频谱，激光发射器件采用峰值功率3 5 m w 至3 0 m w 、重复频率在8 4 8 k h z 左右激光 二级管。 晴天无行人情况下和雾中激光二激光采用峰值功率：p t = 5 0 m w ；重复率为： ，；一1 = 2 0 z 2 5 mx 1 2 乞0 0 2 m ；9 4 2 k h z 仃= 1 0 6 u s ) 。有行人区域罩采用2 0 m w 、v ， 的激光二激光。激光接收传感采用光谱敏感区在9 0 0 - 1 7 0 0 n m 的导体雪崩光电二极管。 激光信号采用红外激光脉冲信号，调制脉宽l o n s 一1 3 3 3 n s ；激光脉冲周期1 6 0 0 n s 。 激光束辐射角度为0 0 0 2 弧度。系统采用双旋转激光发射与接收方式。激光发射信号既 可在汽车行驶平面上旋转又同时具备垂直面的扇形旋转，接收探头可跟随作平面旋转 接收反射来激光信号。双旋转激光发射与接收扫描器水平旋转3 6 0 。，速率设计大于 4 8 转秒，垂直摆动速率大于8 扇面秒，扇面夹角约3 0 。，可满足高速行驶的车辆上 使用。 1 4 第三章系统总体设计及各部分工作原理和介绍 3 1 红外激光扫描汽车防撞信号处理系统的总体设计 本论文的汽车防撞信号处理系统的设计分系统硬件电路设计和系统软件程序编制 及算法分析两大部分设计。 其中硬件电路设计模块包括激光器双回旋控制电路、激光发射电路、激光接收电 路、a d 转换电路、f p g a 部分算法处理和a t 9 1 s a m 9 2 6 1 中心控制电路六大部分。 软件设计模块包括a t 9 1 s a m 9 2 6 1 中心控制电路b o o t l o a d e r 启动、r t l i n u x 实时 操作系统移植及其驱动程序开发、激光器双回旋控制软件程序和大尺寸物体扫描监测 算法四大部分。 硬件电路设计是本系统设计的核心。中心控制电路以a t 9 1 s a m 9 2 6 1 处理系统构 成。a r m 9 e 系列微处理器提供了增强的d s p 处理能力，支持实时操作系统，主频最 高可达3 0 0 m i p s ，支持d s p 指令集，很适合于需要高速数字信号处理同时使用d s p 和微控制器的应用场合。以a r m 9 2 6 e j s 为内核的a t 9 1 s a m 9 2 6 1 处理器为本设计控 制模块核心，移植嵌入式实时操作系统，配制实时软件和各种应用软件完成中心控制 模块高端设计。 系统设计思路如图3 1 所示：