（机械电子工程专业论文）毫米波汽车变道雷达频综设计.pdf

硕士论文毫米波汽车变道雷达频综设计 摘要 洲1 1 1 1 1 1 1 1 1 i 帅m l l l l l 瑚 y 2 0 6 14 6 4 随着汽车数量日益增多，交通状况越来越复杂，主动安全技术通过融合红外、光学、 微波、超声波等传感器信号实现主动避免交通意外的发生，具有广泛的应用前景和实用 价值。本课题针对汽车在变道过程中由于后视镜与a 、b 柱位置关系出现的观察盲区， 研究一种基于毫米波频率步进连续波( s f c w ) 体制的变道雷达，主要研究工作如下： 首先，在讨论变道雷达基本工作原理的基础上，结合实际使用要求，提出了毫米波 汽车变道雷达的具体技术指标；在分析目前常用的线性调频连续波( l f m c m 、频率键 控( f s k ) 、频率步进连续波( s f c m 三种毫米波近程探测体制雷达在变道中目标探测优缺 点的基础上，确定了本课题所采用的s f c w 工作体制毫米波变道雷达系统方案。 其次，重点研究了毫米波s f c w 变道雷达系统中的频综设计。通过计算和仿真， 确定了系统频综具体实现方案和技术指标。在分析d d s 、p l l 基本工作原理基础上， 采用d d s 激励p l l 方案得到x 波段三角型频率步进连续波信号，再经过c m ( 2 0 9 2 a 实现四倍频获得毫米波三角型s f c w 信号。 最后，根据设计方案，完成了毫米波汽车变道雷达频综的硬件设计和调试。经过实 际测试，x 波段锁相环点频输出相噪性能优于9 5 d b c h z 1 0 k h z ；实际实现的频综信号 频率范围为3 4 7 2 g h z 3 5 2 8 g h z ，步进频率为1 m h z ，输出功率大于1 4 d b m ，且功率平 坦度优于1 d b m ，满足设计要求。 关键字：毫米波汽车变道雷达频率步进锁相环直接数字频率合成 a b s 乜a c t硕士论文 a b s t r a c t a st h ec u r r e n tc o n d i t i o no fm ec a rm l b e rg r o w i i l ga n dm eh e a v y 锄c ，n l ea c t i v e s 积yt e c h n o l o g yl 瑚b e e n 而d e l ya p p l i e d 谢t l lg r e a tp r a c t i c a lv a l u e ，w m c hc o m da v o i d 仃a 伍ca c c i d e m sv i a 廿l ei n t e 刚i o no fi n 盘a r e d o p t i c a l ，m i c r o w a v e ，趾du l 俩s o l l i c i l s o r s i 盟甜s a i i r l i n ga t l eb l i i l da r e ac a u s e db yt l l ep o s i t i o n so fc o l u i n na a n db d _ u i i i 培n l ec a r c h a n g i n g 也el a n e ，t l l e 卸t o m o t i v el 甜1 ec h a n g em 州a l c r ) ，b 嬲e do nt h e 鼬m c t u r eo f 血1 1 i i n e t e r - w a v e ( 聊s t e p p e d - 舶q u e n c yc o m m o u sw a v e ( s f c 聊m d a rh a sb e 铋 r e s e a r c h e d t h er e s e a r c hi sm a “yf o c u s e do n ： f i r s t l y ，b a s e do n 舭p 血c i p l e 觚du s a g eo fm em m wa l c r 也es y s t e mr e q u n m e n t s 觚di n d i c 咖r sa r ep r o p o s e d t h ea d v a i l t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft l l e l r e ec a t e g o r i e so f v e l l i c l ec o l l i s i o na v o i d a n c er a d a rw h o s e 仃a n s m i t t i i 玛w a 、，e f o r i n sa r er e s p e c t i v e l yl i i l e a r 骶q u e n c ym o d u l a t i o nc o n t i n u o u sw a v e 皿f m c w ) ，肌q u e n c ys l l i 盘k e y i n g ( f s k ) ，s f c w ，黜 趾a 】y z e di i lt a 玛e td e t e c t i o n 恤l e l ec a rc h a n g i n gl a n e 加l dm ep r o p o s a lo f 吐忙s f c w a l c ra tm m wb 觚di sd e s i g n e d 弱、e 1 1 s e c o n d l y ，血e 缸q u e n c y 啦s i z e ro fm m w - b 锄ds f c wa l c ri sd e s i 弘e d 、杭n l e m p h a s i s t h et e c h i l i c a li i l d e x e sa r ed e t e m l i l l e d 龇l dt h es y 吼e mi si i n p l e m e n t e d 血r o u 曲 c a l c u l a t i o n 如ds i i n l l l a t i o n f u r t l l e m l o r e ，b a s e do n 1 ea i l a l y s i so fd i r e c td i g i t a ls y m h e s i s ( d d s ) a n dp h a s e - l o c k e dl o o p ( p l l ) 面n c i p l e ，觚x - b a n d 仃i 趾g u l a rs t e p p e d - 舶q u e n c y c o n t i n u o u sw a v es i g n a js o u r c ei sr e c e i v c d 晰n ld d se x c i 血g 位p l l ，w h o s e 雠q u e n c yi s m e nq u a d n l p l e dt h r o u 曲t l l ec 舣2 0 9 2 ，锄d l em m w t r i a n g u l a rs f c ws i 印a li so b t a i n e d a t l a s t f i n a l l y ，血e 舶q u e n c ys y n t l l e s i z e ro fm m w a l c ri s c o m p l e t e da n dd e b u g g e d a c c o r d i l l gt ot 1 1 ed e s i 印e dp r o p o s a l t h r o u 曲m ea c 删t e s t ，l ep h a s en o i s ep e o 肌a i l c eo f m ex - b a i l dp l lo u 印u ti sb e 舵r 廿珊一9 5 d b 棚z 1o l 【h z r n l e 舶q u e n c yo ft h es y n n l e s i z e d s i g n a l 啪g e s 舶m3 4 7 2 g h zt o3 5 2 8 g h z 丽t i lm es t e p - 能q u e n c yo f1 m h z ，锄d i t so 咖u t p o w e ri sh i 曲e r m1 4 d b m ，砌lm ep o w e rn a t i l e s sb e 骶r 也a nl d b r i l ，讪l i c hs a t i s 毹sm e d e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：m i l l i m e t e r - w 打e ，a u t o m o t i v el a n ec h a n g er a d 鸩s f c w ：p l l ，d d s 硕士论文毫米波汽车变道雷达频综设计 1 绪论 1 1 汽车雷达的背景和意义 随着经济的增长，汽车拥有量的急剧增加，交通事故亦接踵而至。据欧盟提供的统 计资料，欧盟国家每年有3 万5 千人在交通事故中丧生，有1 5 0 万人在交通事故中受伤， 交通事故每年造成的经济损失高达1 3 0 0 亿欧元。交通事故已成为“世界第一杀手 ，而 中国也是世界上交通事故死亡人数最多的国家之一。从上世纪八十年代末中国交通事故 年死亡人数首次超过5 万人至今，中国每年交通事故5 0 万起，因交通事故导致死亡人 数均超过1 0 万人，已连续1 0 余年居世界第一。交通安全成为国家需面临的一个严峻问 题，汽车雷达因为可以探测周围潜在危险，对驾驶员发出警报，以减少汽车碰撞带来的 人员伤亡和财产损失，近年来备受关注。 对汽车雷达的需求可以从3 个层次来理解。从国家这一层次看，车辆事故带来的死 伤和财产损失的统计数据，以及技术辅助手段可以预防分析事故的估计数据，促进了汽 车雷达的发展。这些事故导致的经济损失与不断下滑的汽车雷达的成本之间的成本收益 比，充分说明它将得到广泛的应用。从汽车制造商的角度来说，雷达是吸引消费者购买 的另一大特色，它是潜在的收入来源和竞争优势。而且法规部门和公共部门也有可能要 求更安全的汽车。从汽车所有者的角度而言，汽车雷达作为一个安全装置，方便且不昂 贵，同时可以承担一些需要注意力、判断力和技术性的工作，从而降低驾驶的强度，减 少驾驶员的负担。 1 2 汽车雷达简介 汽车雷达，顾名思义，是用于汽车或其他地面机动车辆的雷达，必须在扫描区域内 以低虚警概率和高测量精度检测所有可能出现的目标，如，汽车、摩托车、助力车、自 行车、行人等，系统应该同时测量多个目标的距离和速度信息，因此系统应满足以下要 求： ( 1 ) 有足够的探测灵敏度； ( 2 ) 具有检测多目标的能力； ( 3 ) 具有较高系统响应速度； ( 4 ) 系统体积小，易于安装，低成本； ( 5 ) 具有全天候性，能满足恶劣环境。 1 2 1 汽车雷达分类 ( 1 ) 汽车雷达按照其功能可分： 1 1 绪论硕士论文 ( a ) 测速雷达 可以通过测量车轮的转速进而计算出汽车的行驶速度； ( b ) 障碍物探测雷达 这种雷达可再无能见度或能见度很差的情况下观察路况，进而向驾驶员警报从 而防止事故； ( c ) 自适应巡航控制雷达 传统的巡航控制能在不考虑车辆周围环境的情况下保持一定的速度，但在车流 量大地情况下，由于车辆要不时地开进或驶离车道，传统的巡航控制就不适用。自 适应巡航控制，即能够适应车辆周围的环境，并根据车体与前车的相对速度，与前 车保持一个安全距离； ( d ) 防撞雷达 此类雷达能根据车辆当前的方向和速度测量到在车辆前方路上可能引起碰撞 的危险障碍物，因此它适用于大气能见度低的情况以及实际判断力不理想( 车距太 短、速度太高) 的情况。它的目的是警告驾驶员要打开气囊或其他制动设备，控制 汽车的速度； ( e ) 其他车辆监督和控制雷达 很多其他车辆控制功能，比如车辆识别、定位、车队监督、车站调度、导航、 选择行车路线，都可以在雷达的帮助下实现。此类雷达可以放在车上，也可以放在 地面上，车辆装载着雷达信标或反射器，并可编码进行车辆识别。还可以设想具有 特殊目的的其他机动车雷达，比如控制有轨车辆或游乐场里的游乐车的雷达； ( 2 ) 按照其基于的技术可分为激光雷达、超声波雷达、微波雷达等； ( 3 ) 按照其安装位置可分为：前视防撞雷达【1 】；变道雷达，即侧视防撞雷达 2 1 ；后 视防撞雷达【3 1 。 道路上汽车侧撞刮蹭现象层出不穷，一个主要原因是汽车a 柱的遮挡，使得后视 镜视野不足，存在较大的盲区，且驾驶员在高速驾驶情况下注意力大多集中在前方，变 道时容易忽略侧车道同向行驶的车辆；另外，在大雨、大雾等恶劣天气下，或夜晚、黄 昏等光线不好的情况下，后视镜功能失效，更容易因变道不适时而导致事故。据统计， 变道侧撞事故占到所有交通事故的3 0 以上。在变换行车道所导致的交通事故中，大多 是由于在换道过程中驾驶员未注意到相邻车道上有近在咫尺的同向行驶的车辆而引起 碰撞所致。而汽车变道雷达可在安全距离外不需要驾驶员观看后视镜的前提下有效探测 变道向车辆情况并加以提示驾驶员，进而避免这些事故。所以本文针以汽车变道雷达作 为研究背景有其必要性。 2 硕士论文毫米波汽车变道雷达频综设计 1 2 2 汽车雷达技术方案比较 从上世纪7 0 年代开始，市场上逐渐出现了超声波、红外、激光、夜视、微波等多 种方式的汽车雷达，不同技术方案雷达的性能相差很大，如表1 1 所示。 表1 1 雷达技术与其他技术性能比较表 技术 超声波 红外激光视频 毫米波 指标 探测距离近一般远远远 目标识别能力 低低一般强 强 排除虚警能力低低一般一般强 温度稳定度差一般好好好 黑暗穿透能力强强强低强 全天候性差差差差好 硬件成本低低一般低高 其中毫米波雷达技术与其它技术比较，具有几个决定性的优势：很好的全天候性， 不易受恶劣天气的干扰，能适应各种天气；波长短，易于实现窄波束，提高雷达的分辨 率，同时可减小收发组件、天线的体积，减轻重量。 毫米波指电磁波谱中频率在3 0 g h z 3 0 0 g h z 范围的部分，对应波长在1 0 m m - l m m ， 介于微波到光波之间，频带极宽，在四个主要大气窗口3 5 、9 4 、1 4 0 、2 2 0 g h z 中，可 利用的带宽分别为1 6 、2 3 、2 6 、7 0 g h z ，每个窗口宽度都接近或大于整个厘米波段的 频带1 4 ，其中毫米波段3 5g h z 、6 0g h z 、7 7g h z 、9 4 g h z 均可分配给汽车雷达使用。 雷达工作频率提高，天线尺寸根据波长相应减小；信号穿透力减弱；目标雷达截面积 ( r c s ) 增大，常规汽车目标的发射效果变好；i 艺要求变高、器件成本亦增加。但随着 近年毫米波技术和微电子技术的飞速发展，固态毫米波器件如耿式二极管、m e s f e t 、 h e m t 、h b t 、单片集成( m m i c ) 等日益成熟，使得毫米波雷达系统体积大大减小，成 本变低，在汽车变道雷达中普及成为可能。 1 3 毫米波汽车变道雷达现状 自上世纪7 0 年代开始，美国、德国、日本等发达国家开展了大量关于汽车防撞雷 达的研究工作，并有不少公司开发了一系列汽车防撞雷达产品，文献 5 6 】工作中做了 些总结。总体而言，经过多年的发展，国际上汽车防撞雷达技术取得了很大的进步，但 目前研究工作主要集中在前视防撞雷达( f o r w a r dl o o k i n ga u t o m o t i v er a d a r ：f l a r ) 和自 主巡航控制( a u t o m o n o u si n t e l l i g e n tc r u i s ec o n t r o l ：a i c c ) 两个领域，而较少关注汽车变 道雷达。 3 1 绪论 硕士论文 而现有汽车变道雷达大多装在高档轿车中，如奥迪q 7 的“车道变更辅助系统( s i d e a s s i s tl a n e c h a n g ea s s i s t a n t ：s w a ) 州7 】【引。沃尔沃x c 6 0 的“盲点信息系统( b l i n ds p o t d e t e c t i o n ) 、大众的“变道辅助系统( l a n ea s s i s t ) ，即“车道偏离预警系统( l a n ed e p a r t u r e w a r n i n gs y s t e m ) 。s w a 利用雷达传感器监控车辆后方盲区和两侧的环境，并在驾驶员 更换行车道时提供帮助，当s w a 识别更换行车道可能会造成事故风险时，系统将提示 或警告驾驶员。大众汽车亦凭借其“变道辅助系统 获得欧洲新车安全评鉴协会高级安 全奖( e u r o n c a p a d v a n c e dr e w a r d ) ，该系统能够在不同驾驶条件下，通过纠正性转向干 预，使汽车保持正确的行驶线路。 近十年来国内有不少单位也在致力于汽车雷达的相关研究，如上海微系统与信息技 术研究所5 】【9 】、南京理工大掣6 】【1o 】【1 1 1 、东南大学【1 2 】、电子科技大学【1 3 】【1 4 】【1 5 】、国防科技大 学【1 6 】等，但大多工作是围绕在f l a r 的关键技术、收发组件、多目标识别信号处理算 法、f l 娘的系统样机研制，产品化的实例不多。 而关于汽车变道雷达的相关研究更是鲜有报道，因此开展新型高效的汽车变道雷达 研究具有非常重要的意义。 1 4 论文结构及主要工作 论文的主要工作围绕毫米波汽车变道雷达的关键技术展开，研究重点在于汽车变道 雷达的工作原理研究，及发射模块频率综合器设计。具体内容如下： 第1 章阐述了汽车雷达的背景和意义，说明汽车变道雷达的发展现状及研究意义， 最后简要介绍本论文的主要内容及工作安排； 第2 章介绍毫米波汽车变道雷达工作原理，研究毫米波汽车变道雷达的工作体制， 论证了毫米波频率步进连续波( s t e p p e df r e q u e n c yc o n t i n u o u sw a v e ：s f c w ) 汽车变道雷 达系统方案； 第3 章分析直接数字频率合成( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ：d d s ) 、锁相环( p h a s e l o c k e d l o o p ：p l l ) 的相噪、杂散特点，分析各种d d s + p l l 组合频率合成方案特点，针对毫米 波s f c w 变道雷达要求，以d d s 激励p l l + 倍频技术，设计所需s f c w 波形频率综合 器，并对频率综合器技术指标进行分析和理论论证； 第4 章设计毫米波汽车变道雷达高分辨率、低杂散频率合成器，最终输出频率范 围为3 4 7 2 g h z 3 5 2 8 g h z ，频率步进1 m h z ，频率跳变时间为2 0 u s ； 第5 章频综系统调试及各模块测试、分析。 4 硕士论文毫米波汽车变道雷达频综设计 2 汽车变道雷达工作体制研究 汽车变道雷达以测距、测速为基本功能提高高速行车安全，本章针对实际高速行驶 的汽车变道情景，分析汽车变道雷达有效监测区域及其工作原理，提出雷达对测距测速 功能的具体要求：并在比较三种不同毫米波近程探测体制雷达优缺点的基础上设计毫米 波汽车变道雷达系统。 2 1 汽车变道雷达工作原理 汽车变道雷达工作情景如图2 1 所示。其中如图2 1 ( a ) 所示为超车情景，装配有汽 车变道雷达的汽车( v 1 ) 行驶在高速公路中问的车道上，且正在超越右侧车道上的汽车 ( v 2 ) 。当两车的相对速度小于1 5 k m h 时，速度差较小，超车过程需要一定时间，被超 车辆在一定时间内将消失在由于后视镜与a 、b 柱位置关系出现的观察盲区，此时，汽 车变道雷达须向驾驶员发出提醒，在汽车( v 1 ) 右转时发出潜在危险警报。而被超车情景 如图2 1 ( b ) 所示，装配有汽车变道雷达的汽车( v 3 ) 行驶在高速路右侧车道上，中间车道 有车辆( v 4 ) 以较高相对速度接近本车。汽车变道雷达在探测到靠近车辆时给出潜在危险 提醒信号，若此刻操控左转信号灯则给出危险警报信号。 ( a ) 超车的情景( b ) 被超车的情景 图2 1 变道雷达发出警告的两种情景 可见，汽车变道雷达所需要的功能是测距和测速，测距范围在0 5 m 5 0 m ，测速范 围在大于1 5 k m h 。汽车变道雷达监控车辆后方和两侧的环境，在驾驶员变换车道时提 2 汽车变道雷达工作体制研究颂十论文 供帮助，其监控范围由车辆b 柱向后方延伸5 0 m ，宽度约为3 8 m ，如图2 2 黄色区域 所示。 图2 2 变道雷达监控范围 根据汽车变道雷达的系统原理框图、工作情景可知，系统需要有较高的距离、速度 分辨率，及较短的响应速度。雷达传感器所采用不同的工作体制，发射不同雷达波形， 距离、速度分辨率不一样，信号处理方法亦有差异。 2 2 常用毫米波近程探测体制 雷达按其使用的雷达波形，可分为连续波( c o n t i n u o u sw a v e ：c w ) 雷达和脉冲( p u l s e d r a d a r s ：p r ) 雷达。 脉冲雷达发射脉冲波形串，通过接收由目标反射回来的回波脉冲信号，测量发射脉 冲与回波脉冲的时间间隔，从而获得距离信息，且有较高的测量精度，在一定条件下可 测速1 1 7 j 。 c w 雷达连续发射电磁能量，未经调制的c w 雷达可精确测量目标的径向速度( 多 普勒频移) 和角度信息，若不使用某些调制方式，就无法获取目标的距离信息。调频连 续波( f r e q u e n c ym o d u l a t i o nc o m i n u o u sw a v e ：f m c w ) 雷达，发射经频率调制的等幅度连 续波，通过测量回波信号与发射信号之间的频差，以确定目标的距离信息。与脉冲体制 相比，连续波雷达发射峰值功率小、对接收机的隔离度要求较低、发射频谱窄、电路简 单。 汽车防撞雷达所需有效探测距离较近，属近程探测雷达，而现有毫米波近程探测体 制较多使用的连续波体制主要有线性调频连续波f l i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t i o n c o n t i n u o u sw a y e ：l f m c w ) 体制、频移键控( f r e q u f e n c ys h i f tk e y i n g ：f s k ) 体制、频率步 进连续波( s f c w ) 体制。本章将对此三种毫米波近程探测体制雷达的工作原理和目标信 息提取方法进行介绍，通过对比其优缺点，选取适合用在毫米波汽车变道雷达的近程探 测体制。 假设装有雷达的汽车速度为v r ，前方目标运动速度为v ，雷达与目标问径向速度 为v 。，靠近时为正，远离时为负，初始时刻雷达与目标距离为r ，雷达发射探测信号 s ，( ，) ，延时t 后收到目标回波s r ( ，) ，此时距离为足，电磁波传播速度为c ，则有如下关 6 硕士论文 毫米波汽车变道雷达频综设计 v 只2 - - v , r o r l = ，一 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 若雷达与目标均静止，则对应的回波延时为： t 。：堡( 2 4 )t j2 二( ：z 4 j 则用静止目标的回波延时替代有相对运动目标的回波延时，存在误差为： = l 孚一等一等f 亿5 ， 由于汽车的速度v c l o o m s c ，所以相对误差 1 0 - 6 ，因此在本文中为简化计 算，用t 。来替代回波延时t 。 2 2 1 线性调频连续波体制 线性调频连续波体制雷达，因发射信号的频率和时间成线性关系而得名，常见的有 锯齿波、三角波调频，下面以三角波线性调频体制为例说明其测速、测距原理。 三角波调频信号的时频特性如图2 3 所示。 图2 3 三角波调频信号的时频特性 设发射信号频率为： 胁 m 旧t t + = 【( 2 = 2 n 力t + m 甓支戮盯一o ，墟，亿6 ， 7 蔫宴等 2 汽车变道雷达工作体制研究硕士论文 式中，五为起始载波频率；哦为最大调制频偏：甜为调制斜率，i i l u = ； t 为上扫频时间；为下扫频时间，调制频率厶= 瓦1 。 接收到的回波信号频率为： 肌) = z ) + 厶= m f o + + u 峨( t - t ) 叫) + l h ) + 兀筵乏 ( 2 7 ) 其中厶为多普勒频率，当相对速度为零时厶= 0 ；存在相对速度时有： j ，d ：煞：堡z ( f ) ( 2 8 ) 一九( f ) 一c “刖7 p 国7 在毫米波工程中，取峨 t ， 减小不规则区，这样可以不考虑不规则区内与距离无关的中频信号，只考虑不部分时间 内频谱简单的中频信号，如式( 2 1 0 ) 。 由式( 2 1 0 ) 可得： 百：芒 ( 2 1 1 ) 厶：车每 ( 2 1 2 ) 结合式( 2 4 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 可得到目标的距离、速度信息为： r 。云( 矗+ z 一) ( 2 m ) ”轰一吖+ ) ( 2 j 4 ) 从式( 2 1 0 ) 可看出，对于没有相对运动的目标，只需要上扫频就可以得到目标的距 硕士论文 毫米波汽车变道雷达频综设计 离信息，用锯齿波调制即可。若在不同距离同时存在多个静止目标，则中频信号中含有 多种频率信号，对应不同距离目标，雷达仍然可以识别多个目标。但如果不同距离存在 多个运动目标时，如n 个目标，则上下扫频过程中分别会得到n 个中频谱线，可组合出 n 2 组距离和速度信息，其中只有n 组是雷达视场内的目标距离、速度信息，其余n 2 一n 组是由于缺乏谱线相关性造成的虚假目标。为剔除虚假目标，获得真实目标的距离、速 度信息，文献 1 8 1 1 9 提出了频域配对法、m t d 频域配对法，但计算量相对较大。文献 2 0 提出r a t 变换和分数阶傅里叶变换相结合的参数估计方法，具有较快的运算速度。 文献 2 1 】提出幅度相同、周期不同的调制三角波，文献提出周期相同、幅度不同的调制 三角波等其他调制方法用来识别不同目标。 2 2 2 频移键控体制 频移键控( f s k ) 体制雷达波形的时频特性如图2 4 所示。 ( f ) 乞 雷达发送的信号为： ：。，= j 【s l t l ：( 。t ) ，= ：4 4 1 ：c c 。s s ( c 2 2 1 巧t f 疋l t ，+ + 叩。) ，：茎乏。2 。5 ， 互= 2 n t m ，( 2 川) 引，2 ：o ，l ，2 ， 。7 f 22 【( 2 n + 1 ) l ，( 2 n + 2 弘。j 从目标接收到的回波信号为： “f ) _ s t l ( t ) = a r l c o s ( 2 r r f l t i q ) 0 棚 1 - ( p 1 ：) ) 甚： ( 2 1 6 ) 式( 2 1 6 ) 中， q l ：2 顽t ：4 n f r( 2 1 7 ) q 2 ：2 g t ：4 n f 2 r ( 2 1 8 ) q 2 = t = ( 2 所以混频后得到差频信号，由于回波延时较短，相对于调制周期可忽略不计，与线 9 2 汽车变道雷达工作体制研究硕士论文 性调频体制一样只考虑大部分频谱较简单的部分，可记为： s ，o ) ： 墨t ( f ) = 4 c 。s 1 ) 互_ 2 忍乙一t ，( 2 ，z + 1 ) 乙】 ( 2 1 9 ) 【岛2 p ) = 4 2 e o s ( c p 2 ) f 疋= ( 2 胛+ 1 ) l t ，( 2 刀+ 2 ) 乙】 可见，中频信号是两个信号的叠加，通过某些解调方法可解调出两个中频信号，它 们的相位中包含了目标、距离信息。这两个中频信号的相位差为： 却：q 2 一q l ：4 n r ( f 2 一石) ：塑矽 ( 2 2 0 ) ( p = q 2 一q l =一石) = 掣 ( 2 所以距离信息为： r 2 志却 ( 2 埘) 似 、7 可见，当q = 2 r e 时，将产生最大非模糊距离，因此最大非模糊距离为： 灭麟2 赤 ( 2 忽) 当雷达视场中的目标对于雷达存在相对运动时，目标距离是时间的函数，两个中频 信号频率分别为： z 。= 石1 訾= 石1 4 4 c i d r = 等 ( 2 2 3 ) 伽1 h 警= 去4 r c c f 2 d 衙r = 2 c f z ( 2 2 4 ) 可见，只要知道雷达载波频率就可算出目标的多普勒频率，从而得到目标的速度信 息，记为： 2 身2 丽c f 2 ( 2 2 5 ) 在f s k 体制雷达中，扫频宽度矽= 以一z 常取数十兆赫兹，所以在毫米波段，仅 用z 来计算多普勒频率引起的误差为： ：竽 圭 ( 2 2 7 ) 式( 2 2 6 ) 中，f o 为最小频点，即起始频点；鲈为频率步进量；i 为每个频点的驻 留时间，即脉冲重复周期( p r j ) ；9 。为每个频点发射信号的初始相位；调制周期为t = ，2 瓦； 发射信号频率带宽为b = 一1 ) a f 。 当发射信号遇到目标时，雷达接收到的回波为： l l 2 汽车变道雷达工作体制研究硕士论文 s ，o ) = 彳，c o s ( 2 n ( f o + i a f ) ( t 百) + p 。) r e c t ( 冬二)(228)n-i tl f z t ( f ) ：2 ( r - i v r t ，)( 2 3 0 ) 嘲：4 e x p ( 兰塑) ( 2 3 1 ) ：陵w ) e x p ( 掣) i 暮唧c 半意拶i c el 仁3 4 4 i o ：2 n ( e a f + f o t ，v r )( 2 3 5 ) 破= 上2 n z s j ( 2 3 6 )， _ 9 ) ：獗鱼 ( 2 3 7 ) 1 2 硕士论文 毫米波汽车变道雷达频综设计 因此有： 距离信息可表示为： 垒兰：竺! 五! ! 二五2 墨! ：鱼堕蔓 nu i n - l ) c c 耻詈砉，斗兀 ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) 由式( 2 3 8 ) 可见，距离模糊对胛= 甲+ 2 k n ：存在，所以有： 耻学j c - r o + k i - 齿a f 所以最大不模糊距离为： r 一2 赤 ( 2 m ) 可见，图2 5 中锯齿型s f c w 雷达波形，探测目标时多普勒速度产生的距离模糊较 大，只能探测无多普勒速度的单一目标。若要获得目标的速度信息，则雷达波形体制应 改为三角型s f c w 体制，如图2 7 所示，其发射频率下降速度和上升速度一样。 f o + ( n - 1 图2 7 三角型s f c w 体制时频特性 其一个周期内发射信号具体可表示为： s t ( f ) = 三角型s f c w 雷达波形回波分析方法和锯齿型s f c w 雷达波形分析方法相似，在 上扫频得到的目标回波峰值位置同式( 2 3 5 ) ；下扫频得到的目标回波峰值位置为： 频 颥 锄 j 里 净宰 彤 婶 弘 卡 扩 ” 渺 渺 肛 川瑚 脚 2 汽车变道雷达工作体制研究硕士论文 厩0 - - 兰丝( 二墨笠厶互堡2 根据式( 2 3 5 ) 、式( 2 4 3 ) 可得到目标的距离和速度信息： r 2 志一机) y r2 彘”厩)y r2 砸+ ) ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) ( 2 4 5 ) 对应的距离分辨率a r 、速度分辨率a v 分别为： 欲。面c ( 2 4 6 ) 2 ，z 厂 、 加= 嘉 q 4 7 ) 2 ，z 厶z 、 对于多个静止的目标，目标距离像中会有多个峰值与目标对应。但同线性调频连续 波体制一样，在雷达视场中有多个运动目标时，上扫频和下扫频阶段的目标距离像中会 有多个峰值，将会有无用的匹配结果，进而判断出多个虚假目标。文献 2 3 】提出编码步 进调频连续波信号用于汽车防撞雷达，在s f c w 雷达波形中穿插发射一些恒定频率脉 冲串，再使用交叉寻找算法进行多目标识别，编码不同，即穿插的位置不同，交叉寻找 算法的约束条件亦不同，相应的多目标检测能力也不同，在目标多到一定数量时，虚警 率也不可避免的变高。文献 2 4 】提出使用多斜率步进频率调频连续波信号，易于剔除虚 假目标，减低虚警率。 s f c w 体制近程探测雷达的优点在于：调制信号容易数字化产生；系统校正易实现； 能实现常规高分率雷达系统对时宽带宽积的高要求；降低对回波信号的高采样率；有较 好的距离速度联合分辨率；在同时存在多辆装有变道雷达的汽车时，抗相互干扰能力 较强，因此适合在汽车变道雷达中应用。 2 3 毫米波s f c w 汽车变道雷达系统设计 汽车变道雷达主要由雷达传感器、控制模块、报警模块、c a n 总线扩展模块组成， 其系统组成框图如图2 8 所示。 1 4 硕士论文毫米波汽车变道雷达频综设计 图2 8 汽车变道雷达系统组成框图 图2 8 中，左右两个雷达传感器分别检测汽车前进方向的左右两个区域，当该区域 内出现目标，且目标速度、距离达到一定范围，成为潜在危险时，系统给出语音提醒、 液晶显示等警报信号。同时系统应具有c a n 总线扩展功能，或外接其他传感器系统， 进行通信、数据共享；或与汽车c a n 总线通信，将与毫米波汽车变道雷达相关的信息 显示在显示屏上。存在潜在危险时，亦可通过汽车显示和操纵c a n 总线利用汽车组合 仪表显示屏进行提醒，并可对汽车危险换道进行干预。 根据前一节对三种毫米波近程探测体制的分析，综合其技术特点及毫米波汽车变道 雷达系统工作原理、要求，本文采用毫米波s f c w 体制设计毫米波汽车变道雷达，其 基本原理框图如图2 9 所示。雷达技术指标为：探测距离范围为0 5 m 一5 0 m ，距离分辨 率为o 5 m ，测速范围为0 m s 1 0 m s ( 0 3 6 k m h ) ，速度分辨率为0 5 m s ( 1 8 k r n h ) ，可发 现运动和静止目标；系统响应时间优于5 0 m s 。 墨二 信号源 工 混频器 距离、速度 信息提取 忑 图2 9 毫米波汽车变道雷达基本原理框图 系统关键参数分析： 根据第一章分析，毫米波相对于其他探测手段，有较多的优势，本文结合现有技术 及实验室条件选用k a 波段，波长约8 m m ，波长较短，对应的平面天线体积、重量可较 小，便于安装在汽车上。 根据前一节频率步进连续波体制分析，取发射起始频率f o = 3 5 g h z ，上下扫频点 数分别为胛= 5 1 2 ，频率步进为z x f = 1 伽，z ，频率跳变时间为t = 2 0 u s ，扫描周期为 瓦= 2 0 m s 。 则发射频率带宽为： b = ( 甩一i ) 6 f = ( 5 1 2 1 ) 1 m h z = 5 11 朋勉 距离、速度分辨率为： 欲= 二一0 3 m 2 以 1 5 = 一 、 一放一噪一低 2 汽车变道雷达工作体制研究硕士论文 a v ：上0 4 聊s 2 n f o t 。 距离分辨率同时也是最小测距距离，即测距盲区。 最大不模糊距离为： r 一2 齿“5 咖 可见，该s f c w 体制雷达参数能够满足毫米波汽车变道雷达系统指标要求。 2 4 本章小结 本章先分析汽车变道雷达在超车、被超车两种情景下的基本工作原理，给出了毫米 波雷达传感器的有效监控范围，及具体测速、测距要求；同时分析了三种毫米波近程探 测体制雷达的目标距离、速度信息提取方法，对比三种体制的优缺点，最后根据汽车变 道雷达需求，以s f c w 近程探测体制设计毫米波汽车变道雷达，并给出系统关键参数 分析，为下章毫米波汽车变道雷达发射模块频率综合器技术指标提供依据。 1 6 硕士论文毫米波汽车变道雷达频综设计 3s f c w 汽车变道雷达频综设计 变道雷达收发模块中的频率源是汽车变道雷达中关键的部件，关系着系统能否准确 地探测到目标，能否及时判断潜在危险，因此高性能的频率综合器，即频综的设计是系 统设计重点之一。本章针对第二章设计的毫米波汽车变道雷达系统，设计其频综子系统， 主要包括频综总体方案、基于d d s 和p l l 技术的实现方案，以及相关关键参数分析。 3 1 汽车变道雷达频综技术指标 频综相位噪声即相噪、杂散、频率分辨率、调频时间是关键的指标，在此做简单介 绍。 相位噪声是指频率综合器中，由各种随机噪声引起的信号幅度、频率或相位起伏， 表征频综输出频率的短期稳定度，是高稳定度频综非常关键的一项技术指标，其具体表 述、推导及特点可参考文献【2 5 1 。 杂散，指在频率合成过程中产生的不需要的频率分量，一般用偏离所需频率分量多 少频率上的频谱功率表示，常记为d b e 。杂散指标越小越好。 频率分辨率，跳频源中输出的频率不是连续的，相邻两个频点之间的频率间隔记为 频率分辨率。目前采用d d s 技术，频率分辨率可达微赫兹级别。 跳频时间，即频率捷变时间，指输出频率从一个频点变到另一个频点，并达到稳定 时所需的时间。 这四项指标是频综中最重要的技术指标，决定频综的性能好坏，也影响汽车变道雷 达的探测性能。 根据第二章设计的毫米波汽车变道雷达性能分析，雷达传感器所需s f c w 频率源 技术指标拟定如下： ( 1 ) 输出频率范围：3 5 g h z 2 5 6 m h z ( 2 ) 输出信号 功率：l o d b m 功率平坦度：2 d b m 杂散：2 5 6 m h z 内：- - 6 0 d b 2 5 6 m h z 夕 i ：一5 0 d b ( 3 ) 扫频点数：5 1 2 点 ( 4 ) 频率间隔：1 m i - i z ( 5 ) 频率跳变时间：2 0 u s ( 6 ) 频率调制方式：三角波调制 1 7 3s f c w 汽车变道雷达频综设计硕士论文 ( 7 ) 相位噪声：- 7 5 d b c h z l o k h z s f c w 汽车变道雷达频综是捷变频率源，需要较高的频率分辨率，较短的跳频时间， 对相噪及杂散性能亦有较高要求，在设计过程中需对各个性能指标进行折衷考虑。 3 2s f c w 汽车变道雷达频综方案 缸= = 等等 ( 3 1 ) f o = 4 x 缸= 4 等等 ( 3 2 ) = 多等 ( 3 3 ) 蜕= 4 = 4 笋争 ( 3 4 ) 硕士论文毫米波汽车变道雷达频综设计 致杂散抑制不够，相位噪声较高，因此设计时需要兼顾这些系统指标。 该方案式混合频率合成技术中经典的结构，综合考虑了频综设计所需注意的技术指 标，使得各项指标能都能达到较好的性能。只要合理选择器件、对个频段频率进行合理 分配，并充分考虑电磁兼容性，该方案能满足本课题指标要求。 根据系统方案，x 波段模块元器件拟选为：a d i 公司的d d s 芯片a d 9 8 5 4 2 6 。、集 成数字鉴相器a d f 4 1 0 6 2 7 1 、h i t t i t e 公司的v c oh m c 5 1 0 l p 5 e 1 2 引、a t m e l 公司的 a v r 单片机a t m e g a l 6 l 1 2 9 1 ，倍频模块使用u m s 公司的四倍频芯片c h x 2 0 9 2 a 1 3 0 1 。 3 2 2 各频段频率分配 频率的选择需要考虑器件的选择、系统指标的可实现性，其中关键的是d d s 输出 频率的选择。因为d d s 输出信号要作为锁相环路的参考信号，其决定了锁相环路带宽 内信号性能，同时经过锁相倍频后，相位噪声和杂散将恶化，从而影响整个系统的性能。 根据d d s 理论，d d s 的输出受n y q u i s t 采样定理的限制，为简化滤波器的设计， 一般输出频率范围取0 - 4 0 疋。所选d d s 芯片a d 9 8 5 4 最高系统时钟为3 0 0 m h z ，最 佳输出频率范围为0 1 2 0 m h z ，但此时d d s 系统功耗太大。为降低功耗，将系统工作 时钟设置为2 0 0 m h z ，输出范围为0 - 8 0 m h z 。此外为避开杂散较大的时钟整数分频点， 如f 3 、疋4 、疋5 等，即6 6 7 m h z 、5 0 m h z 、4 0 m h z 这几个点。同时为减小因锁 相倍频引起的相位噪声、杂散恶化，应尽量提高鉴相频率，即d d s 输出频率，将其选 择在5 0 m h z - - 6 6 7 m h z 之间。 系统的频率输出范围为3 4 7 2 g h z - 3 5 2 8 g h z ，频率步进为1 0 0 8 m h z ，则倍频之前 频率范围为8 6 8 g h z 一8 8 2 g h z ，频率步进为2 5 2 k h z ；根据d d s 的输出落在的范围， 确定锁相环的分频比为n = 1 4 0 ，所以折算到d d s 输出，频率范围约为6 2 m h 撕3 m h z ， 步进约为1 8 k h z ，这对a d 9 8 5 4 而言是完全可以实现的。a d 9 8 5 4 的频率控制字位数为 4 8 位，最小步进为微秒级，所以实现1 8 k h z 的步进是可以胜任的。 最终各频段频率具体分配、及频率分辨率如下： ，n 吼s 6 2 m h z 6 3 h z 弩d 嘴= 1 8 k h z f 8 6 8 g h z 一8 8 2 g h z 鹭p 上= 2 5 2 k h z = 4 龙3 4 7 2 g h z 3 5 2 8 g h z a f o