（农业电气化与自动化专业论文）汽车防撞雷达的设计及其信号处理研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着社会的发展，汽车越来越普及，在给人们带来便利的同时，交通事故的危害也 越来越明显。因此，汽车的安全的行驶成了人们追求的目标，本文研究的目的就是力图 实现这种技术，使驾驶更加轻松、安全。 本文所设计的车载防撞毫米波雷达系统可以自动测量本车与前方车辆之间的相对距 离和相对速度，然后据其计算出的安全距离，进行危险判断，及时提醒驾驶员做出相应 动作以避免汽车碰撞。 文章论述了高速公路上汽车防撞雷达系统：防撞雷达的工作原理、雷达参数选定、 数据处理算法设计、雷达波形的设计及防撞雷达数据处理系统的软硬件设计。 防撞系统采用体制为线性调频连续波( l f m c w ) 的毫米波雷达，其结构简单、发 射频谱窄、接收处理简单，几乎不存在距离和速度的模糊。信号处理部分采用 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0d s p 芯片，这使系统具有较高的实时信号处理速度和准确度的同时又 保证了较低的成本。 软件采用汇编程序与c 语言混合编写，既提高了程序的可读性和可移植性，又能满 足系统实时运算的要求，充分发挥d s p 快速的运算功能又利用了c 语言的灵活控制流 程优势。 降低系统虚警率是本文的重点，在这方面，提出采用l 】s 自适应滤波算法来滤除 系统工作中外界干扰所引起的杂波，对毫米波雷达的发射波形也进行了改进，能有效去 除虚假目标，保证系统具有较低的虚警率。 关键词：汽车，防撞，毫米波雷达，数字信号处理器，自适应滤波 l 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w ，m ea u t o m o b i l eb e c o m e sm o r ea n dh l o r ea l l p e r v a d i l l 舀i tf a v 0 幅m ep p l ew i i l l a d v 螂，i l o w e v i t sf a t a l n e s so f 的衔ca c c i d e n ta l w a y sg e to b v i o u s t h ep e o p l ea r es e e i ( i i l g a w a y t o m a l ( e t l l e a u t o m o b i l es a f e 锄d l ea i l i l o f m e p 印e r i s t o r e a l i z e m e t e c h o l o 缈 t h ea u t o m o b i l ea n t i c o l l i s i o nm i l l i m e t e r - w a v e 硼a rc a na u t o m a 在c a l l ym e a s u r er e l a t i v e d i s t a l l c ea u l dr e l a t i v es p e e db 咖e e l ly o u rc a r 觚dm e 舶n t a lc 甄m e ni t 出a wac o n d u s i o nb a s c d o nn l ec 0 咖删e ds a r yd i s t 锄c e ，t 1 1 e nr e m i l l d st l l ep i l o tt om a l ( et h ec o r r e s p o n d i n gm o v e m 印t p r o l n p t l yt oa v o i dm e 咖0 b i l e c o l l i s i o n 1 1 1 e 枷d ee l a b o r a t 耐t h eh i 曲w a y sa u c o m o b i l ec o l l i s i o na v o i d a i l c es y s t e m ：a n t i c o l l i s i o n r a d 耐sp d n c i p l eo fw o d ( ，r a d a rp a r a m e t e rd e s i g n a t i o n ，a l 鲥t l l md e s i g no fd a t ap r o c e s s i 唱 r a d a r p r o f i l ed e s i g na r l dd a ：t ap r o c e s s i i l gs y s t e m ss o 小v a r e 锄dh a r d w a r ed e s i g n i ta d o p t s 砌l i m e t e rr a d a ro fl f m c w ，t l l i sm e f h o dm a l ( e ss y s t 锄s t n l c t l 鹏s i m p l e ；t h e s 锄d i l l gs p e c t n 【mi sn a n o w ，m ee 毹c ti so b v i o u s t h es i 印a lp m c e s s i n gs y s t e mu s e s 恤 t m s 3 2 0 v c 5 4 l od s p 出p ，s o 也es y s t e mh a sh i 曲e rr e a l t 妇ep f o c e s s i n gs p e e da n dh i 曲e r a c 啪c y ，a i l d m e l o w c o s t t h es o f h a r eu s e sm i xc o m p i l a t i o no ft h ea s s 锄b l yp r o 伊a ma l l dt h ec l a n g u a g e b o t h e i l 量l a n c e dt h er e a d a b i l i t ya 1 1 dt h et r a n s p l a j l t e do fp r o c e d u r e ，a n dc a l ls a t i s f yt h en e e do ft h e s y s t e m sr e a l t i m eo p e r a t i o n i td i s p l a y e d 如n c t i o no fm ed s p sf 瓠to p e r a t i o n 锄dm a k e u s eo ft h es u p e r i o r i t y 向l l yo fcl 姆g u a g e sm m b l ec o n t r o l n o w t h ek e yp o i n ti sd e c r e a s i n gt h es y s t e r i l sf a l s ea l a mr a t e ，i nt h i sa s p e c t ，m i sp a p e r u s e st h el m sa d a p t i v ef i l t 舒n g a l g o r i t h mt o f i l t e rt h ec l u t t e rw h i c ht h ee x t 锄a l i n t e r 衙e n c ec a u s e s ，i m p r o v e dm i l l i m e t e rr a d “sl a u n c hp r o f i l e ，r e m o v e dt h ef a l s eg o a l s ， a n dg u a r a n t e e dt h a tt h ec o l l i s i o na v o i d a n c es y s t e mh a st h el o w e r 铷s ea l a m lr a t e 1 皿yw o r d s ： a u t o n l o b i l e ，舢l t i c o l l i s i o l l ，m i l l i i l l e t * w a v er a d 虬d s p ，a d 印t i v e6 l t e r e r 江苏大学硕士学位论文 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，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以外，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。 学位论文作者签名： 同期：2 0b 舄年6 月 n 江苏大学硕士学位论文 1 1 汽车防撞雷达研究意义 第一章绪论 随着社会的进步，我国公路等级的不断提高，特别是高速公路的飞速发展，汽 车作为运输和交通的手段，已成为当今社会生活中不可缺少的工具，而相应的交通事 故也越来越多。全球每年由交通事故造成的人员和财产损失的数目是惊人的，根据 中国公安部2 0 0 6 年7 月1 l 同发红的新闻：2 0 0 6 年上半年总共发生交通事故1 9 0 2 7 0 起，死亡达4 1 9 3 3 人，2 2 1 8 3 1 8 人受伤，直接财产损失达7 1 亿元。交通事故已经成为现 代社会的第一公害。因此，车辆安全问题已引起人们的高度重视。 对大量交通事故的分析表明，8 0 以上的车祸是由于驾驶员反应不及时引起 的，超过6 5 的车辆相撞属于追尾相撞，其余则属于侧面相撞和f 面相撞。根据戴 姆勒一克莱斯勒公司的研究，如果驾驶员有o 5 秒的额外警告时问，大约6 0 的后端碰 撞事故是可以避免的，而提前1 秒的警告则会避免9 0 的后端碰撞事故【l j 。 造成汽车碰撞的原因十分复杂，既有车辆自身的因素，也有人为的因素，还有 公路、气象等环境因素。在上述诸多因素中，人为因素是造成汽车碰撞的主要原 因。车辆在交通拥挤的市区行使驾驶人员必须完成大量的换档和踩离合器的工作，大约 在每分钟完成2 0 3 0 个手脚协调动作，而繁重的驾驶工作和驾驶人员的疲劳是交通 事故频发的重要原因，因此，国内外都在研究如何利用先进的技术来保证汽车安全， 即汽车安全技术。 汽车安全分为被动安全和主动安全。被动安全系统指在交通事故后尽量减少损伤的 安全系统，大致分为两类：“事故发生”时作用的碰撞安全系统和“事故发生”后作用 的碰撞安全系统，前者如安全气囊，安全带、行人保护吸能车体，后者如阻燃器件，自 动报警，汽车黑匣子。常规的汽车被动安全措施，只能在事故发生时，解决意外事故以 后的问题，即被动安全。亡羊补牢，虽说为时不晚，但毕竟错失了先机，故以预防为核 心的主动安全一防患于未然显得更有意义，主动安全主要包括以下几种： ( 1 ) 自主巡航控制( a d a p t i v eh n e l l i g e i l tc m i s ec o n 的1 ) 江苏大学硕士学位论文 在汽车上加装一部汽车防撞雷达，用于测量与前方车辆的相对距离和速度，通过总 线传给汽车控制系统。当距离和速度在安全范围时，汽车按设定的速度定速行驶。当距 离和速度达到设定的安全门限时，汽车自动减速，与前车保持安全的距离和速度。 ( 2 ) 碰撞告警( c o l l i s i o nw a h l i l l g ) 与自主巡航控制应用相似，汽车防撞雷达测量前方车辆的方向、相对距离和速 度，当发现具有碰撞危险时，通过声音和显示器提醒司机。 ( 3 ) 碰撞回避( c o l l i s i o na 、的i d a n c e ) 汽车防撞雷达当发现碰撞危险时，控制汽车避让或至少控制汽车减速。 ( 4 ) 撞前感知( p 静c r a s hs e n s i n g ) 汽车防撞雷达当发现碰撞即将发生时，控制汽车采取一些安全措施，如收紧安全带 等，但一般小会仅凭防撞雷达的信息打丌气囊。 汽车主动安全系统通过事先预防，有效的保护驾驶员和道路环境中行人的安全，大 大减少汽车碰撞，减少经济损失避免事故的发生，它有望以最彻底的方式减少交通事故 中的人员伤亡，因此，它是本世纪汽车安全性的重点研究领域。 1 2 智能汽车的距离测量技术 汽车防撞器最关键和最基本的技术是车辆测距、测速技术，现在运用在汽车上的测 距方法主要有超声波测距，毫米波雷达测距，视频成像系统测距，激光测距，红外线测 距等几种方法【2 】o 1 2 1 超声波测距 超声波一般指频率在2 0 k h z 以上的机械波，具有穿透性较强、衰减小、反射能力 强等特点，超声波测距仪器一般由发射器、接收器和信号处理装置三部分组成。工作 时，超声波发射器不断发出一系列连续的脉冲，给测量逻辑电路提供一个短脉冲。超声 波接收器则在接收到障碍物反射回来的反射波后，也向测量逻辑电路提供一个短脉冲。 最后山信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的 距离。 超声波测距原理简单、成本低、制作方便，但其在高速行驶的汽车上的应用有定 局限性，这是因为超声波的传输速度受大气影响较大，不同的大气条件下传播速度不一 2 江苏大学硕士学位论文 样，另一方面是对于远距离的障碍物，由于反射波过于微弱，使得灵敏度下降。故超声 波测距常用于短距离测距，最佳距离为4 5 米，一般应用在汽车倒车防撞系统上。 1 2 2 视频成像系统测距 c c d ( c l l a 增ec o u p l e dd e 讥c c ) 摄像机是一种用来模拟人眼的光电探测器。具有尺 寸小、质量轻、功耗小、噪声低、动态范围大、光计量准确等优良特性，在汽车行业也 得到了广泛的应用。由于成本高、对外界环境敏感，故在使用车辆的许多场合都不可能 采用此项技术。 1 2 3 激光测距 激光测距的原理如同微波雷达测距一样，用窄激光束对某一地区进行扫描，但激 光测距具有远、准、快、抗干扰、无盲区等优点。随着有关器件和技术的发展，激光 雷达在高精度和成像方面占有优势，其测距精度可达厘米甚至毫米级，比微波雷达高 近1 0 0 倍；测角速精度理论上比微波雷达高一亿倍以上，现在已做到高1 0 0 0 1 0 0 0 0 倍。激光雷达有脉冲式和连续波式两种。由于光束一般很集中，激光雷达主要用于大范 围直线距离的测量。激光雷达量程大、方向性强且响应时间快，单成本高、易受外界环 境( 如能见度低、传感器表面有泥土) 的影响。同时激光能量必须在人眼安全水平范围 之内，这些限制不适合用于车辆防撞。 1 2 4 红外线测距 红外线的波长比可见光长，是肉眼看不见的光，有显著的热效应和较强的穿透云雾 的能力。同时，任何物体在任何时候都会发出红外线。红外线测距和激光、超声波测距 在原理上基本相同，均是根据发射波和反射波的时间来判断目标的距离，红外线测距在 技术上难度不大，构成的测距系统成本低廉，但由于红外线式传感器是基于测量传感器 附近物体所发射的热能来实现测距的，缺点是响应时间过长，使驾驶员得到的提前报警 常常不足以躲避碰撞，从而限制了其在车辆碰撞报警系统的应用。 1 2 5 毫米波雷达测距 毫米波雷达测距是利用从目标处反射回来的电磁波发现目标并测定其位置，经 3 江苏大学硕士学位论文 第二阶段从8 0 年代中期至今，这一阶段，随着微波技术理论及其器件集成技术的 高速发展，以及微波处理器性能价格比的突飞猛进，使得研制出低成木、高性能的汽车 防撞雷达成为可能。对于防撞雷达系统的性能要求也大致形成了共识。国外已经对其进 行了深入的研究，近年来一些发达国家都大力着手研究“智能公路系统( r r s 计 划) ”，其中，德国在这一领域的研究处于领先地位。宝马汽车公司的自适应巡航控制 已经到了实用阶段。美国也有3 0 0 4 0 0 家公司( 包括m m 等计算机公司) 都被卷迸这 个热潮中来。表1 1 所示即国外几个主要公司的毫米波雷达产品的技术指标。 表1 1 国外儿个主要公司的毫米波雷达产。u 1 的技术指标 瑞典美国日本 性能参数德国( 大众) 英国 ( c e l s i e st c c h )( v o r a d )( e a t o nv o r a d ) 发射频率 7 7 g h z7 7 g h z 一7 7 g h z6 0 5 g h z7 7 g h z 方式同c w 同c wn 垤c w同c wn 讧c w 作用距离 1 5 0 m2 0 m n1 0 0 m1 2 0 m1 0 0 i n 相对距离精度 1 mo 3 mo 2 m士o 3 m0 5 m 相对速度- 8 肚2 4 0 i d i l h3 6 m 一3 6 0 i d l l m朱述及o 4 l8 0 l c r i 讹术述及 柏对速度精度 2 5 l 锄i l l朱述及 未述及 l 1 5 l c l 删h 扫描速率 3 3 h z1 0 h z 术述及未述及 2 0 h z 1 3 2 国内研究情况 我国对汽车防撞雷达的研究起步较晚。目前，国内在汽车防撞方而只局限于倒车雷 达的研制和生产，至于前向探测雷达，目前有不少的汽车厂商和科研院所都做了一些跟 踪与探索，但没有实现产业化【3 】。 中国科学院上海微系统所研制出的毫米波雷达系统具有重量轻、体积小和全天候等 特点，工作频率3 5 g h z ，测距范围 1 0 0 恤，测速范围 1 0 0 h 1 1 1 ，采用了先进的d s p 技 术。 江苏赛博电子有限公司与大专院校合作，研制成功的汽车雷达防撞系统使用3 8 g h z 毫米波技术和高速d s p 数字信号处理器。监视前向车道上静止的和行驶的车辆，提供 2 0 个目标的距离和接近速度数据判断潜在碰撞危险目标，虚警率为l ，最小为l 米。 广西大学计算机与信息工程学院及华中理工大学电信系共同研制的一种毫米波汽车 雷达系统采用线性调频连续波( l f m c w ) 雷达体制，发射频率按周期性三角波调制，前 5 江苏大学硕士学位论文 第三章：研究探讨了l f m c w 毫米波汽车防撞雷达系统的降低虚警率的方法。提 出从滤波和改进波形两个方面来降低系统虚警率。 第四章：比较详细的介绍了l f m c w 毫米波汽车防撞雷达中频信号处理系统的硬 件设计，包括d s p 及其外围电路的设计。 第五章：介绍了l f m c w 毫米波汽车防撞雷达信号处理部分的软件设计。 第六章：进行了全文回顾总结与下一步的工作展望。 1 6 本章小结 本章在调查了国内外相关文献的基础之上，对毫米波汽车防撞雷达的意义和国内外 研究发展的状况进行了论述，并且对系统的处理器( d s p ) 及其发展状况做了相应的介 绍。 江苏大学硕士学位论文 第三章：研究探讨了l f m c w 毫米波汽车防撞雷达系统的降低虚警率的方法。提 出从滤波和改进波形两个方面来降低系统虚警率。 第四章：比较详细的介绍了l f m c w 毫米波汽车防撞雷达中频信号处理系统的硬 件设计，包括d s p 及其外围电路的设计。 第五章：介绍了l f m c w 毫米波汽车防撞雷达信号处理部分的软件设计。 第六章：进行了全文回顾总结与下一步的工作展望。 1 6 本章小结 本章在调查了国内外相关文献的基础之上，对毫米波汽车防撞雷达的意义和国内外 研究发展的状况进行了论述，并且对系统的处理器( d s p ) 及其发展状况做了相应的介 绍。 江苏大学硕士学位论文 第二章毫米波汽车防撞雷达系统总述 2 1 雷达系统的组成 防撞系统主要由毫米波雷达模块、中频信号处理模块和报警装置所组成。总体构成 如图2 1 所示，其中，毫米波雷达模块主要是负责系统信号的收发工作，中频信号处理 模块由高速d s p 信号处理芯片及其外围电路构成，主要负责系统信号的处理，包括 d 转换、l m s 滤波、f f t 变换、谱峰搜索、危险信号判决等，报警装置采用声光报 警的方式，当防撞系统发现前方有危险目标时，会及时报警，通知驾驶员采取相应的措 施。 图2 1 系统的总体组成 2 2 汽车防撞雷达的参数选择 2 2 1 汽车防撞雷达系统的性能要求 汽车防撞雷达的研究目的是开发一种能够探测前方障碍物，避免车辆碰撞的装置。 实际上，城市交通状况一般比较拥挤，车速不会太快，这样发生交通事故的可能性就小 了。与城市交通相比，高速公路具有视野范围内的车辆数目不多、限制车速、路旁无高 大建筑等特点，较适合初期汽车防撞雷达。而且高速公路车速较快，往往能达到8 0 1 0 0 k m l l ，在天气恶劣的情况下，比如说雨天、大雾，这种环境下非常容易发生交通事 故，所以防撞雷达的应用场合应定位于高速公路。我国高速公路规定如下： ( 1 ) 最高车速不得超过每小时1 2 0 公里，最低车速不得低于每小时6 0 公里。设计 最高时速低于7 0 公罩的机动车辆不得进入高速公路。 ( 2 ) 机动车在高速公路上行驶，车速超过每小时1 0 0 公里时，应当与同车道前车 保持1 0 0 米以上的距离；车速低于每小时1 0 0 公里时，与同车道前车距离可以适当缩 短，但最小距离不得少于5 0 米。 所以制定本防撞雷达系统的具体指标如下： 9 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 工作环境：全天候工作。 ( 2 ) 温度范围为：一4 0 。+ 8 0 。 ( 3 ) 主要应用场合：高速行驶的路况环境下。 ( 4 ) 距离分辨率：l 聊。 ( 5 ) 作用距离r ：其确定以保证车制动时两车不会发生追尾碰撞为原则。一般 为( 1 1 0 0 ) 聊。 ( 6 ) 可测速度范围v ： ( o 4 0 ) 聊s 。 ( 7 ) 雷达视角：即天线波束的扫描范围，包括方位角和高低角。为降低虚警 率，一般选择方位角为9 0 c 1 2 0 c ，甚至更大。高低角则取3 0 c 左右。 2 2 2 工作频段 历史上有过多种汽车防撞雷达方案，具体上文已有论述，毫米波的波长介于1 l o i l l m ，波长较短，使得雷达设备的体积和天线口径得以减小、重量减轻；且其分辨率 高；频带宽，天线副瓣低，有利于实现成像或准成像；在大气( 衰减较小的窗口频段) 中传播时，不受白天和黑夜的影响，也不易受恶劣环境的干扰，具有全天候的特点。另 外，毫米波具有“大气窗口”频段，在该频段衰减很小，非常适合于车间距离测定雷达 和车间通信。而且穿透烟尘和尘埃的能力也优于红外和光学系统。多普勒频移大，在使 用多普勒频移测速的系统中，速度分辨率高。近年来，世界各国研制毫米波汽车防撞雷 达主要集中在2 4 、3 5 、6 0 、7 7 和9 4 g h z 五个波段。其中2 4 g h z 雷达尺寸较大，主要 用于集装箱货车和长途客运车，6 0 ( r ) 、7 7 ( 欧) 和9 4 ( 美) g h z 的雷达尺寸相对 较小，主要用于轿车。我国在汽车防撞领域内还没有相应的法规进行规定，目前主要考 虑毫米波技术和产品的成熟性和经济因素的影响，般选择3 5 g h z 和5 0 g h z 范围内的 频率。本文所研究的防撞系统选用3 5 g h z 的工作频率。 2 2 3 毫米波雷达的工作体制 毫米波雷达的工作体制主要有脉冲体制、二迸制频率键控( f s k ) 体制、调频连续 波( f m c w ) 体制等，它们各有其特点。 ( 1 ) 脉冲体制 l o 江苏大学硕士学位论文 此类雷达发射的波形是矩形脉冲，按一定的或交错的重复周期工作。脉冲测距方式 原理简单，主要是判断发射信号和接收信号之间的时间差，即发射装置发射出一个频率 信号，随后接收装置接收该信号，并判断该信号的发射和接收之间的时间差，但在具体 技术实现上，脉冲测距存在一定难度。因为电磁波的传播速度为3 1 0 w s ，防撞雷达 的距离相对较近，发射信号和接受信号之间的时问差很小，仅仅几个纳秒，这就要求系 统采用高速处理技术，使成本大幅度上升。此外，由于目标的回波与发射信号一般会有 6 肌l o o d b 的衰减，在对回波信号进行放大处理之前，应将其与发射信号进行严格的隔 离，否则回波信号的放大器则会因为发射信号的窜入而饱和。需进行技术处理，从而导 致结构的复杂性增加，产品造价高【5 1 。考虑到实用和推广目的，系统不宜选用脉冲体 制。 ( 2 ) 二进制频率键控( f s k ) 体制 二进制频率键控( f s k ) 体制是用二进制o 、1 两种状态去控制载波的频率，产生 快慢两种状态的载波频率。状态l 载波频率为彳；状态。载波的频率为疋。发射信号 与回波信号相差一时延，如遇到运动目标，还有一多普勒频移。时延是通过相位差来计 算的，这种调制方式电路实现较简单，但这种信号的带宽等于数字信号带宽的两倍再加 正一z 的差值，信号占用的频带较宽，另外，信号处理的算法比较复杂，这是其缺点。 ( 3 )f m c w 体制 f m c w 雷达调制信号一般为三角波，反射波与发射波的形状相同，只是在时问上 有一个延迟f ，因此会产生与发射波的差频，目标距离r 与厂成正比。f m c w 雷 达要求相位噪声优于8 0 d b d h z ，即在1 0 0 k h z 时同载波功率电平相比较为8 0 d b h z 。 只有这样，雷达对临近目标才有良好的分辨率。 汽车环境条件严酷，电磁兼容要求严格，干扰电平很高。因此雷达系统的中频带宽 大小就特别重要。减小中频带宽可以降低相互干扰。f m c w 雷达接受机的中频带宽一 般为几百k h z 【引。 f m c w 防撞雷达的优点：电路实现信号处理算法较简单；可测量较短距离；分辨 率比较高，要求平均发射功率较低；信号产生及处理较为简单；不存在盲区；有较好的 应用基础。对于f m c w 信号的研究比较透彻，相对来说更易于实际应用。目前它仍是 毫米波汽车防撞雷达中应用最广泛的一种调制方法。 江苏大学硕士学位论文 f m c w 防撞雷达的缺点：f m c w 体制对v c o 的线性度要求较高，如果不加外部 线性度校正电路，难以达到较高的测量精度，一般高精度测量要求线性度要好于o 5 ，但是外加线性度校j 下电路相对较复杂；发射机泄漏功率将阻塞接收机因而限制了发 射功率的大小，而发射机噪声的泄漏也会直接影响接收机的灵敏度；仅适用于单目标检 测，在多目标分辨时会产生虚假目标。在汽车防撞雷达应用中，环境中很可能会存在多 个目标，这就影响了雷达判断的准确性。对于这个问题，论文将在第三章中给予详细讨 论。 由以上论述可知，在多种毫米波雷达调制体制中，由于每种调制方法都各具有优缺 点，综合考虑其电路的可实现性、成本、信号处理的复杂程度、测距的范围等因素，对 单目标识别，汽车防撞雷达系统应首选f m a 体制，采用线性调制连续波( “i 脚 f r o q u e l l c ym o d u l a t ec o n t i n u o u sw a v e ，l f m c w ) 方式。这种方式使得滤波简单化，成 本较低，在近距离探测时具有明显优势，不存在距离和速度的模糊。 2 3 毫米波雷达基本工作原理 调频连续波雷达模块的组成方框图如图2 2 所示。发射机产生连续高频等幅波，其 频率在时间上按三角形规律或按正弦规律变化，目标回波和发射机直接耦合过来的信号 加到接收机混频器内。在无线电波传播到目标并返回天线的这段时间内，发射机频率较 之回波频率已有了变化，因此，混频器的输出端便出现了差频电压。后者经放大、限幅 后加到频率计上【7 1 。 | 至 | 1l i 庳 | 囡 l 赢梭韬套绪号 混颧器 i 接收机 图2 2 调频连续波雷达部分方框图 f 发鸯圣天线 7 卜，捆 ：歹一 接收死线 三角l f m c w 雷达发射信号的上下扫频段是一个有效时宽t 远大于最大作用距 1 2 江苏大学硕士学位论文 离处目标回波时延的线性调频信号。 其一个发射周期内的上下扫频段发射信号可表示为： s + = 彳c o s 2 万【( 五+ b 2 ) + f 2 2 + 九) ，f 【一r ，o 】 ( 2 1 ) s 一= 彳c o s 2 万【( 五+ b 2 ) 一f 2 2 + 死) ，f 【o ，丁】 ( 2 2 ) 其中五，彳和唬分别代表发射信号的频率、幅度和初始相位。 一个点目标离雷达初始距离为r ，径向速度为y ，瞬时斜距为尺( f ) = 民+ v f ， 则回波延迟为：r ( f ) = 2 j r ( f ) c ，以f 扫频段为例，产生的回波信号可表示为： ( f ) 2 以c 。s 2 7 r 【( 厶+ 蛾2 ) f + 寺吃f 2 + 丸) 2 3 ) 其中 ，= ：墼+ 丝一坐一掣+ 掣避+ 丝 ( 2 4 ) 一”z 已ccz c 2c 2z c c 九砌 孕( 五俐2 ) 一等】 ( 2 5 ) 其中，常量k 与目标雷达截面积、距离、雷达发射功率等参数有关。 将发射信号s + 和回波信号+ 混频，便可得到j 下向调制段差拍信号： 名( f ) = 以c 。s 2 硝( 厶+ 吃2 ) f + 寺吃f 2 】+ 九) 2 6 其中调制糨耻等一等 ( 2 7 ) 载飙厶= 警+ 等一譬一等+ 芋警+ 等 眨8 ) 初始相位：丸_ 2 万【孕( 五俐2 ) 一等】 ( 2 9 ) c_ fc 系统工作时发射频率按周期性三角形波的规律变化，如图2 3 所示，频率z 是发射 信号的频率，其平均频率是z 。，变化的周期( 调制周期) 为乙，为从目标反射回来 的回波频率，它和发射信号的频率变化规律相同，但是时间上要滞后k = 2 刚c ，其中r 为系统所在车辆与前面目标之间的相对距离，c 为光速。发射频率调制的最大频率偏移 为7 r ，调制的中心频率为厶。 1 3 江苏大学硕士学位论文 l 磊 0 if l ： _ 。? ： 纛| v ； 厶 l烈爰一 图2 3l f m c w 毫米波雷达i ：作原理幽 由图2 - 3 可以看出，发射频率z 和接收频率，( 目标与雷达保持相对静止时) 可以分 别用下面的式子2 1 0 和2 1 l 表示二 z 订矽+ 最f 湫k 舭)( 2 1 0 ) z 钳矽+ 最砸一等 ( 脉舭) 差瓢肛f 一，2 等 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 对于一定距离r 的目标回波，除去在t 轴上很小一部分2 刚c 以外( 这里差拍频率急 剧地下降为零) ，其它时问差频是不变的。若用频率计测量一个周期内的平均差频值 厶可得到： = 等 ( 2 1 3 ) 在系统实际工作时由于： p 警 ( 2 1 4 ) 所以： 无辈：以 ( 2 1 5 ) c 小 然而，雷达实际工作时，目标与雷达并不是相对不动的，在这种情况下，发射信号 频率表达式不变，接收频率z 。和差频以+ 、五一分别如式( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 、 ( 2 1 8 ) 所示： ，。：五一鲈+ 竽( f 一丝) 厶 ( 2 1 6 ) 1 4 等 乙一 江苏大学硕士学位论文 厶：学一以 ( 2 1 7 ) o 历 厶：警+ 厶 ( 2 1 8 ) o 朋 其中，以+ 和以一分别代表前半周正向调频和后半周负向调频所得的差频( 拍频) ， 厶则为针对有相对运动的目标的多普勒频移，如式( 2 1 9 ) 所示。 六：业 c ( 2 1 9 ) 其中1 ，为目标和雷达的径向速度。 由式( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 可得目标相对于雷达的相对距离和相对速度8 】： 尺：生x 五! 盘 ( 2 2 0 ) 8 掣 2 v ：掣 ( 2 2 1 ) 厶 4 、。 当目标相对雷达靠近时1 ，为诈值，目标相对雷达的运动趋势为离开时1 ，为负值。 2 4 汽车防撞数学模型 一般来说，驾驶员对于行驶车辆是否安全都是根据自己经验来判断，当感觉危险时 采取降速或变车道方法解决，而作为车用防撞系统如何才能判别前方目标的危险性呢? 下文将通过汽车防撞数学模型，获得相应的安全距离概念，作为安全性判断决策原则。 在车辆实际运行过程中，如果跟随车辆的车间距过小，则容易发生追尾碰撞事故； 反之若车间距过大，则会影响道路的通行能力，因此必须将车辆间的距离控制在一定范 围内，在保证安全的情况下尽量提高道路的通过能力，从而引出了行车安全车距这一概 念。具体定义是指在同一条车道上，同向行驶前后两车问的距离( 后车车头与前车车尾 间的距离) ，保持既不发生追尾事故，又不降低道路通行能力的适当距离。在我国的高 速公路的管理中，一般根据工程技术标准设定了车辆之问的安全间距，如表2 1 所示。 表2 1 高速公路行车间距 车速( k m 厢) 1 2 0 l o o 8 06 0 间距( m ) 2 0 01 5 0 l o o7 0 密度( 辆l 氐( 2 2 2 ) 其中鼠为临界距离，即丌始刹车前本车与目标之间的距离。所以，建立防撞数学 模型的关键就是求出& 。 为使问题简化，在求鼠时，进行了如下假设和近似： ( 1 ) 两车同向匀速行驶，本车( 后车) 速度大于前车速度，两车不断接近； ( 2 ) 由于刹车距离远远大于车身长度，所以两车均按点目标考虑。 如图2 - 4 示意图所示，_ 为从丌始报警到两车速度h = 屹本车所经过的距离。s ：为 目标从丌始报警到两车速度m = u 目标车所经过的距离。图示是临界情况，两车最终在 同一地点) 。m 表示本车未刹车前的速度，屹表示目标速度。氐为临界距离，r 为两车 相对距离。 友表示刹车延时，是由报警丌始至刹车制动有效止所延迟的时问，它通常由两部分 组成： ( 1 ) 由报警丌始到刹车制动有效所延时的时问； ( 2 ) 司机本身的反应时问； 根据经验，厶一般为o 6 2s 。 厶表示刹车制动时间，即从刹车制动丌始到两车间相对速度v 为o 所需的时问。口 表示本车刹车有效后的减速度( 符号为负) 。 1 6 江苏大学硕士学位论文 图2 - 4 雷达所在下辆刹下过样中两下运动状况刁i 恿图 由图2 4 所示，刹车过程可分为两个阶段：延迟时间内，本车和目标均做匀速运 动；制动时问f ，内，目标还保持原来的运动速度，本车做减速运动。由运动学规律可 得： 墨= v l f i + f 2 + 去口f 2 2 ( 2 2 3 ) 是= 屹 + 屹f 2 ( 2 2 4 ) 若不考虑车身长度，则临界距离可以表示为： 瓯= s l 一是= ( v i 一、叱) f i + ( v i v 2 ) f 2 + 去口f 2 2 ( 2 。2 5 ) 即：& ：“+ ，乞+ 妻口f 2 z 其中： v = u 一屹 ( 2 2 6 ) 六：! 兰二兰! ：一三 ( 2 2 7 ) 由式( 2 2 5 ) 、 ( 2 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 可得如下结果： 氐= w 一丢 ( 2 2 8 ) 时间上文已经论述，可由经验数据得出，口的确定需要根据具体路况来确定，在 每一种路况中它可视为常数，可由查表得到。 所以只要得到了本车与目标间的相对距离r 与相对速度，然后应用式( 2 2 8 ) 求 出临界距离& ，并与两车距离尺进行比较： 1 7 江苏大学硕士学位论文 若尺 & 时就报警，提醒司机刹车；反之则正常行驶。 2 5 本章小结 本章论述了车载毫米波雷达的工作原理进而得出了本车与目标问相对距离与相对速 度的计算公式，然后论述了汽车防撞的数学模型得出了临界安全距离的计算公式，这些 工作为防撞系统提供了理论依据。 江苏大学硕士学位论文 第三章防撞雷达系统降低虚警率的研究 对于调频连续波汽车防撞雷达系统的设计，主要是通过测速、测距以及判决等 操作来达到避免碰撞的要求。而为完成以上的操作，必须准确测量雷达输出信号中 的两个有用信号分量，即j 下向差频和负向差频。雷达的探测性能不仅和发射机功率、 接受机灵敏度等硬件指标密切相关，同时也依赖于杂波滤除的设计、发射波形设计、目 标检测算法、门限的制定等信号处理手段。对于汽车防撞雷达来说，因为系统的总体要 求是成本低廉、结构简单、功耗低、可靠性高，所以就要求系统采用具有实时高效率， 具备多目标检测能力，同时有良好抑制虚警能力的优良算法。 3 1 降低虚警率的途径 本章进行的汽车防撞雷达降低虚警率的研究主要有两个组成部分。 第一是研究利用算法降噪的问题。汽车防撞雷达的实际工作环境相当恶劣，邻近车 道上的车辆，路旁的树木，大地反射波及雨滴反射杂波，以及远处的建筑，都会引入多 种频率成分的干扰和噪声信号，微弱的回波信号总是和噪声及其它干扰混杂在一起， 而噪声是限制微弱信号检测的基本因素，它的去除将直接影响到系统对目标的判断，所 以系统雷达的数字处理采用了滤波处理。这里采用l m s 滤波算法，对杂波进行对消，减 低系统对硬件要求的目的。 第二是针对汽车防撞雷达的发射信号波形设计进行研究。传统的f m c w 信号在进行 多目标识别时存在虚假目标的问题，且虚假目标的个数会随真实目标的个数的增加而大 量增长，这是单周期对称三角波雷达存在的弊端，一针对这个问题，本文采用了一种采用 变周期调频连续波信号进行多目标识别的方法。 3 2 现有滤波器 滤波是当今信息处理领域的一种极其重要的技术。滤波是从复杂的信号中提取 有用的信号，同时抑制噪声和干扰信号，以便有效地利用原始信号。滤波器实际上是 一种选频系统，它对某些频率的信号予以很小的衰减，使该部分信号顺利通过，而对 其他不需要的频率信号则予以很大的衰减，尽可能阻止这些信号通过。总的来说，滤 1 9 江苏大学硕士学位论文 波器可以分为经典滤波器和现代滤波器两大类【9 】。 ( 1 ) 经典滤波器是假定输入信号x ( ，2 ) 中的有用成分和希望去掉的成分各占有 不同的频带，即关于信号和噪声应具有一定的先验知识，这样当原始信号通过一个 线性系统时无用的成分就可以滤掉。对于信号中的噪声频谱与信号频谱混杂在一起相 互重叠的清况，通过经典滤波器是无法去除噪声或干扰的。 ( 2 ) 现代滤波器理论研究的主要内容是从含有噪声的记录中估计出信号本身，进 而解决上述问题，它是把信号和噪声都视为随机信号，利用它们的统计特征( 如自相 关函数，功率谱等) 导出一套最佳的估计算法，然后用硬件或软件予以实现。 3 3 自适应滤波器 3 3 1 自适应滤波器 自适应滤波器属于现代滤波器，它是2 0 世纪4 0 年代发展起来的，在自适应信号处 理领域中发挥着重要的作用。自适应滤波器是相对固定滤波器而言的，当输入信号 的统计特性未知，或者输入信号的统计特性变化时，自适应滤波器能够自动地迭代调节 自身的滤波器参数，以满足某种准则的要求，从而实现最优滤波【l0 1 。因此，自适应滤波 器具有“自我调节”和“跟踪”的能力，即根据不同的信号环境实现自身参数的调 整。实际情况中，信号和噪声的统计特性常常未知或无法获知，因此自适应滤波器的 应用空间非常广泛。如系统辨识、噪声对消、自适应均衡、线性预测、自适应天线 阵列等很多领域。 自适应滤波器可以分为线性自适应滤波器和非线性自适应滤波器。非线性自适应滤 波器包括v o l t e 玎a 滤波器和基于神经网络的自适应自适应滤波器。非线性自适应滤波器 具有更强的信号处理能力，但是非线性自适应滤波器的计算比较复杂，因而在实际中用 得最多的仍然是线性自适应滤波器。故系统选用线性自适应滤波器及其算法。图3 1 为 自适应滤波器的一般形式。 江苏大学硕士学位论文 x ( 玎) 为自适应滤波输出； 形( ，1 ) 为自适应滤波器的冲激响应； y 伽) 为自适应滤波器的输出； y ( 刀) = r ( 刀) x ( 刀) = w ( 胛) x ( 刀一f ) ( 3 2 ) f = o 图3 2 中，要使自适应滤波器自动调整自身参数，得到有效的输出，则它必须满足 某种最佳准则要求。不同的准则，可以产生不同的自适应算法，目前主要有两种基本 的算法：最小均方误差( l m s ) 算法和递推最小二乘( i 也s ) 算法。下面分别论述最小 二乘算法和最小均方误差算法。 3 3 2 递推最小二乘算法 其代价函数是加权误差平方和，它是以最小二乘法为基础【l 。其中误差定义为期望 响应与实际滤波器输出之差。可以看作是卡尔曼滤波器的一个特例。卡尔曼滤波器的特 点是状态概念，它提供了特定时刻加到滤波器抽头所有输入的一个量度。于是在卡尔曼 滤波算法的核心部分，存在一种递推关系。用文字表述为： 状态递推值= 旧的状态值+ ( 卡尔曼增益) 木( 新息向量) 其中新息向量表示在计算时刻进入滤波过程的新的信息。 最小二乘算法具有随m 2 增加的计算复杂度，其中m 是算法中可调权值的数目( 自 由度数) 。故这种算法通常被称为d ( m 2 ) 算法，其中d ( x ) 代表x 的数量级。当m 很大 时，从硬件实现的观点来看，d ( m 2 ) 算法的计算复杂性将会变得不可接受。并且r l s 算法是模型相关的，这意味着其跟踪性能可能比随机梯度算法来得差。这些局限性不利 于在数字信号处理器上实现，这里由于本文采用的是下一种算法，就不多介绍。 3 3 3 最小均方误差l m s 算法 最小均方误差l m s 算法，其代价函数是均方误差，即使输出的误差序列 p ( ，z ) = d ( 咒) 一j ，仍) 的均方值最小，误差序列的均方值又叫“均方误差”m s e ( m c a i l s q 啪r ce 唧) ，即： g = 纽= e lp 2 ( 以) i = e i ( d ( ，2 ) 一y ( ，1 ) ) 2l ( 3 3 ) ljlj 2 2 江苏大学硕士学位论文 这些因素的影响表现在如下方面： ( 1 ) 较小时，自适应速率减慢，它等效于朋稆滤波器有长的记忆。因此，自适 应后平均额外均方误差较小，这是因为滤波器使用大量数据估计梯度向量。另一方面， 当较大时，自适应速率相对较快，但以自适应后平均额外均方误差的增加为代价。在 这种情况下，较少数据进入估计，故滤波器误差性能恶化。因此，参数的倒数可以看 作为删s 滤波器的记忆。 ( 2 ) 输入信号相关矩阵尺的特征值广泛散开时， 拈滤波器的额外均方误差主要 是由最大特征值决定的，平均抽头权向量研w ( ，z ) 的收敛时间则受到最小特征值的限 制。然而均方误差的收敛速率受特征值扩散影响的程度小于研形( ，z ) 收敛所受影响的