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汽车防碰撞预警执行系统的设计,汽车,碰撞,预警,执行,系统,设计
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本科生毕业设计（论文）开题报告论文(设计)题目汽车防碰撞预警执行系统的设计作者所在系别机电工程学院作者所在专业车辆工程作者所在班级B13141作 者 姓 名郝鹏飞作 者 学 号201322370 指导教师姓名许文娟指导教师职称讲师完 成时 间2017年3月北华航天工业学院教务处制说明1根据学校毕业设计(论文)工作暂行规定，学生必须撰写毕业设计（论文）开题报告。开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。2开题报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业教研室论证审查后生效。开题报告不合格者需重做。3毕业设计开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。4开题报告中除最后一页外均由学生填写，填写各栏目时可根据内容另加附页。5阅读的主要参考文献应在 10 篇以上（土建类专业文献篇数可酌减）， 其中外文资料应占一定比例。本学科的基础和专业课教材一般不应列为参考资料。6参考文献的书写应遵循毕业设计（论文）撰写规范要求。7开题报告应与文献综述、一篇外文译文和外文原文复印件同时提交， 文献综述的撰写格式按毕业设计（论文）撰写规范的要求，字数在 2000 字左右。毕业设计(论文)开题报告学生姓名郝鹏飞专 业车辆工程班 级B13141指导教师姓名许文娟职 称讲师工作单位北华航天工业学院课题来源教师自拟课题课题性质应用设计课题名称汽车防碰撞预警执行系统的设计本设计的科学依据（科学意义和应用前景，国内外研究概 况，目前技术现状、水平和发展趋势等）一、科学意义和应用前景目前汽车防撞预警执行系统主要有激光防撞、毫米波雷达防撞、超声波、DGPS 防撞和红外防撞。其基本原理为通过传感器的实时信号采集传输给单片机，当单片机检测出危险距离时实行相应的警报或执行。随着我国经济的高速发展，汽车拥有量呈现逐年增加的局面。与此同时由汽车带来的种种安全问题也成为国内乃至世界所面临的巨大挑战，本系统将信号采集与前进危险执行结合起来，可以很好的辅助驾驶员安全行驶。二、国内外研究概况1、国外研究状况汽车防撞预警系统主要分为红外防撞、激光防撞、超声波和可视倒车雷达防撞四种系统。全球每年基本都要对新型汽车进行碰撞试验， European New Car Assessment Programme（欧洲新车安全评鉴协会）还有就是 Institute of Integral Handwriting Studies(美国高速公路安全保险协会)公布的数据是期中比较有公信力两家汽车碰撞试验。这些数据显示了在汽车运行过程中危险因素对于生命的安全。由此可见防碰撞系统还是十分有应用的理由，目前很多汽车厂商将防碰撞系统采用到汽车上。日本的 Smartway 智能公路方案提出，通过 DSRCH 和先进的汽车导航系统来辅佐驾驶员安全驾驶，同时在车辆上采用诸如车道行驶道路稳定、实时转播前方天气状况、车距保持等车辆主动安全技术。Smartway 计划在2015 年将在日本全国范围内应用。美国的 In-VehicleInfotainment 打算联合其它汽车厂商发展自身碰撞预警系统和相应的试验室。欧洲代理基金对于防碰撞技术的研究也持赞同的意见。根据美国安全部称：在美国平均每年因汽车追尾导致受伤人数高达五十万人，期中死亡的人数达到一千七百人，当汽车装备防碰撞预警系统后，可以减少百分之八十以上的人员伤亡，为减少追尾事故及人员伤亡，提议各大汽车制造商为所有乘用车和商用车安装防碰撞预警系统。第 5 页 共 5 页2、国内研究状况汽车在 21 世纪的概念将是一个根本性的变化。汽车将由原先的以机械为主的机电一体产物向更多的电子设备转换。中国汽车工业将面临巨大的发展机遇和挑战。我国汽车保有量已达到 1.2 亿辆，道路车辆的行驶密度大幅增加，交通事故发生的频率也随之增加，为减少财产损失和人员伤亡，汽车防碰撞系统显得尤为重要，我国的汽车倒车防碰撞系统已经有了很长时间的研究从一开始的汽车倒车喇叭提醒到现在的超声波测距，技术上也达到了一定的可靠性。东风公司的“蓝鸟至尊”采用了更为先进的导航防碰撞系统。目前市场上的倒车雷达品牌主要有跃众、铁将军、豪迪、瑞路、贝奥斯、福莱特、征服者。国内外对于汽车防碰撞预警的方法一般为雷达防碰撞和后成像技术，两者各有优缺点，前者在测距方面比较有优势但一些坑洼地则会检测不到使驾驶员误判产生很严重的后果比如下大雨后陷入深水区淹没汽车，后者可以很清楚的看到后方的视野但距离就很难测出，如果在能见度低的环境下汽车行驶时突遇危险状况往往来不及躲避，造成非常大的损失。同时如果在有一定的车速下，缺少对障碍物的提前判断， 可见对汽车行驶途中遇障碍物减速制动这方面的研究也刻不容缓。三、技术现状汽车的发展往往会体现了一个国家经济的活力水平，而与汽车相关的配套设施则更加表现出人们生活质量的好坏，如今我国的经济发展已处于相对稳定状态人们日益增长的消费需求迫使对于汽车的安全稳定产生了更高的要求，拥有一辆更加安全美观性能强的车是每一个汽车拥有者的心声。并且随着微机技术、先进制造业和控制理论迅猛发展，为防碰撞执行的实现提供了物质基础，预警执行将代替驾驶人自身反应不及时所带来的危害。对该系统的研究需要走理论指导和仿真、实验相结合的道路，但是现在的防碰撞系统还需进一步的创新突破。执行机构更加准确的工作，防碰撞预警系统的价格合理性、可靠性，以及更多高性能电子设备技术应用领域的增加将使汽车防碰撞预警执行系统更有意义。设计内容和预期成果（具体设计内容和重点解决的技术问题、预期成果和提供的形式）一、设计内容1、设计一种基于单片机防碰撞预警执行系统，适合于家用轿车；2、设计基于单片机的倒车遇障碍报警执行系统，可以辅助驾驶员安全行驶，外观性好，驾驶安全性提高。3、汽车防碰撞执行系统在遇到紧急情况，同时驾驶员未作出相应的减速或者制动时采取紧急制动的措施二、预期成果电路部分电路设计部分，以单片机为例，要求提供以下设计资料，并装订成册：1）装置结构图2）单片机硬件电路3）完整的程序资料，包括程序流程图、程序代码及注解4)所用器件、元件的明细表5)操作原理简要说明拟采取设计方法和技术支持（设计方案、技术要求、实验方法和步 骤、可能遇到的问题和解决办法等）一、设计方法查阅资料，设计电控悬架系统的参数并运用 caxa、solidworks 画出产品的零件图和装配图。用 caxa 画出单片机硬件电路图、装置结构图和程序流程图，采用 visual c6.0+编写程序。二、技术要求通过防碰撞预警执行系统可以实现辅助驾驶员安全行驶，在突遇危险的时刻当驾驶员未作出相应的措施时可以自动减速制动三、可能遇到的问题若编写单片机程序不正确，可以请教老师； 若装配图有问题，可以查阅资料或请教同学；实现本项目已具备的条件（包括过去学习、研究工作基础，现有主要仪器设备、设计环境及协作条件等）汽车设计参数可参考相关书籍自己拟定1-4 周完成开题报告5-6 周查阅资料，确定设计方案7-8 周计算所需参数9-10 周画出各个零件图和装配图11-12 周画出单片机硬件电路并编写程序13-14 周细节工作，准备答辩各环节拟定阶段性工作进度(以周为单位)开 题 报 告 审 定 纪 要时 间地点主持人参会教师姓 名职 务（职 称）姓 名职 务（职 称）论证情况摘要记录人：指导教师意见指导教师签名： 年月日教研室意见教研室主任签名： 年月日本科生毕业设计(论文)文献综述设计 (论文)题目汽车防碰撞预警执行系统的设计作者所在系别机电工程学院作者所在专业车辆工程作者所在班级B13141作 者 姓 名郝鹏飞作 者 学 号201322370 指导教师姓名许文娟指导教师职称讲师完 成时 间2017年3月北华航天工业学院教务处制说明1根据学校毕业设计(论文)工作暂行规定，学生必须撰写毕业设计(论文)文献综述。文献综述作为毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。2文献综述应在指导教师指导下，由学生在毕业设计(论文) 工作前期内完成，由指导教师签署意见并经所在专业教研室审查。3文献综述各项内容要实事求是，文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。4学生撰写文献综述，阅读的主要参考文献应在 10 篇以上（土建类专业文献篇数可酌减），其中外文资料应占一定比例。本学科的基础和专业课教材一般不应列为参考资料。5文献综述的撰写格式按毕业设计(论文)撰写规范的要求，字数在 2000 字左右。文献综述应与开题报告同时提交。汽车防碰撞预警执行系统的设计文献综述摘要：为减少汽车的交通事故特别是最易发生的追尾事故，设计出一种基于超声波测距，以单片机为 CPU 的汽车防碰撞预警执行系统，本系统包括传感器测距发散接受装置，CPU 中央处理装置，执行制动装置，通过传感器的实时数据传送 CPU 作出相应的预警或制动。本产品设计理念：简单、方便、易通用化。关键词汽车碰撞防撞预警超声波微处理器行车安全Summary of Design Literature of Anti - collision Early Warning Execution System for AutomobileAbstractAbstract：To reduce car traffic accidents, especially the most frequent rear-end accident, ananti-collision early warning execution system based on ultrasonic ranging and single-chip CPU is designed. The system includes sensor ranging divergence receiving device, CPU central processing unit , The implementation of the brake device, through the sensors real-time data transfer CPU to make the appropriate warning or braking. The product design concept: simple, convenient, beautiful, easy to use.Key works：Car crashAnti-collision warningUltrasonicmicroprocessor Driving safety一、汽车防碰撞预警执行系统意义及目的到 2016 年我国的私家车拥有量突破 1.2 亿，日益增加的汽车基数所带来的交通安全也不容小视，尤其在上下班的高峰期中，由于车辆增多导致的长时间堵车容易让人麻痹大意追尾的风险也会随之增加，降低汽车的碰撞率，有效的保护驾驶人及行人的生命安全和财产安全是研究防碰撞执行系统的根本目的。本系统可以更好的辅助驾驶员行驶，在遇到障碍物(其他车辆、行人、树木、以及路边设施等)的同时可以及时的作出警报和采取相应的措施，减少由事故带来的损失和伤害。据以往研究人员统计不同危险工况下驾驶员制动反应时间平均分布在 1.02-1.36s 之间，可见如果可以提前几秒对驾驶员进行危险预警，驾驶员可以提早终止加速，就会大大降低事故的发生第 5 页 共 4 页二、汽车防碰撞预警执行系统的国内外现状（一）国外研究现状汽车防撞预警系统主要分为红外防撞、激光防撞、超声波和可视倒车雷达防撞四种系统。全球每年基本都要对新型汽车进行碰撞试验，European New Car Assessment Programme（欧洲新车安全评鉴协会）还有就是 Institute of Integral Handwriting Studies(美国高速公路安全保险协会)公布的数据是期中比较有公信力两家汽车碰撞试验。这些数据显示了在汽车运行过程中危险因素对于生命的安全。由此可见防碰撞系统还是十分有应用的理由，目前很多汽车厂商将防碰撞系统采用到汽车上。日本的 Smartway 智能公路方案提出，通过DSRCH 和先进的汽车导航系统来辅佐驾驶员安全驾驶，同时在车辆上采用诸如车道行驶道路稳定、实时转播前方天气状况、车距保持等车辆主动安全技术。Smartway 计划在 2015年将在日本全国范围内应用。美国的 In-VehicleInfotainment 打算联合其它汽车厂商发展自身碰撞预警系统和相应的试验室。欧洲代理基金对于防碰撞技术的研究也持赞同的意见。根据美国安全部称：在美国平均每年因汽车追尾导致受伤人数高达五十万人，期中死亡的人数达到一千七百人，当汽车装备防碰撞预警系统后，可以减少百分之八十以上的人员伤亡，为减少追尾事故及人员伤亡，提议各大汽车制造商为所有乘用车和商用车安装防碰撞预警系统。（二）国内研究现状汽车在 21 世纪的概念将是一个根本性的变化。汽车将由原先的以机械为主的机电一体产物向更多的电子设备转换。中国汽车工业将面临巨大的发展机遇和挑战。我国汽车保有量已达到 1.2 亿辆，道路车辆的行驶密度大幅增加，交通事故发生的频率也随之增加，为减少财产损失和人员伤亡，汽车防碰撞系统显得尤为重要，我国的汽车倒车防碰撞系统已经有了很长时间的研究从一开始的汽车倒车喇叭提醒到现在的超声波测距，技术上也达到了一定的可靠性。东风公司的“蓝鸟至尊”采用了更为先进的导航防碰撞系统。目前市场上的倒车雷达品牌主要有跃众、铁将军、豪迪、瑞路、贝奥斯、福莱特、征服者。国内外对于汽车防碰撞预警的方法一般为雷达防碰撞和后成像技术，两者各有优缺点，前者在测距方面比较有优势但一些坑洼地则会检测不到使驾驶员误判产生很严重的后果比如下大雨后陷入深水区淹没汽车，后者可以很清楚的看到后方的视野但距离就很难测出，如果在能见度低的环境下汽车行驶时突遇危险状况往往来不及躲避，造成非常大的损失。同时如果在有一定的车速下，缺少对障碍物的提前判断，可见对汽车行驶途中遇障碍物减速制动这方面的研究也刻不容缓。三、汽车防碰撞预警执行系统的发展趋势随着车辆技术的不断发展，由于汽车高速行驶的安全性要求，以及人们对驾驶及行人人身安全的要求，具有安全、简便和美观的基于单片机的超声波汽车防碰撞预警执行系统将是今后车辆悬架发展的趋势。并且随着控制理论、微机技术和先进制造业的迅猛发展， 为防碰撞执行的实现提供了物质基础，预警执行将代替驾驶人自身反应不及时所带来的危害。对该系统的研究需要走理论指导和仿真、实验相结合的道路，但是现在的防碰撞系统在一些关键技术上还未取得实质性的突破。执行机构的实时响应能力、传感器的成本和可靠性以及适用的车辆控制技术、高性能微处理器技术等领域将是防碰撞预警执行系统走向实用化的突破口 。四、总结汽车防碰撞预警执行系统的研究与开发是车辆安全与控制领域的重要研究项目。随着相关学科和科学技术的迅猛发展，使得微机辅助驾驶员成为现实。汽车防碰撞预警执行系统基于超声波测距单片机作出相应反应，可以更加及时的作出遇行人障碍报警制动。我国的汽车行业将面临着前所未有的发展机遇和挑战，使我国进行汽车防碰撞报警系统的研究与发展显得尤为重要。五、参考文献1 吴妍.汽车倒车雷达预警系统研究D.武汉：武汉理工大学.20072 T.Bosch and M.Lescure, Editors. Selected Papers on Laser Distance Measurement, Volume MS 115 of SPIE Milestone. 19953 韩赞东.超声定位技术在汽车安全预警系统中的应用J.测控技术2002.21 卷.8 期：1000 -8829（2002 ）08-0010-034 苗汇静,唐诗,韩博学.超声波汽车倒车报警器的设计D.山东理工大学学报(自然科 学版).20055 Rangwala S, Dornfeld D A. Sensor Integration Using Neural Networks for Intelligent Tool Condition Monitoring. Trans of ASME, Journal of Engineering for Industry, 19906 黄丽萍.车载可视倒车雷达预警系统的研制D .哈尔滨：哈尔滨工业大学 .20097 张伟伟. 基于激光测距技术的汽车防追尾预警控制系统的研究D . 江苏： 江苏大学 .20118 王治修.一种新型的倒车多媒体可视测距终端技术的研究D.科技论坛. 2007:249 张培仁基于 c 语言编程 MCS 一 51 单片机原理与应用M北京：清华大学出版社，200310 张翠平.电控汽油机燃油喷射及点火控制系统的设计与实验研究D.太原：太原理工大学.200711 王彦苏.汽油机 16 位 ECU 的设计研究D.太原：太原理工大学.200212 郝小林.高速公路汽车防碰撞安全距离模型的仿真研究D.安徽：安徽工业大学.201413 刘玲. 空间网壳结构作动杆元动力稳定性的理论与试验研究D. 西安建筑科技大学.201114 王克朋. 汽油机 ECU 监控系统的设计与实现D.长安大学.201315 潘 金 坤 .基 于 iSIGHT 的 鼓 式 制 动 器 多 目 标 优 化 设 计 J. 制 造 业 自 动 化 ,2011(9):120-122.16田颖常明.汽车防碰撞报警系统的发展现状J. 汽车运用, 2006(5):17-17.指导教师意见指导教师： 年月日专业教研室审查意见负责人： 年月日基于数字信号处理的脉冲激光测距技术汽车防撞应用的方法王志辉*北京理工大学航天科学与工程学院 中国北京市中关村南街 5 号，100081简介：针对汽车防碰撞应用设计并实施了 1.55m 数字激光雷达系统。 为了减少有雾，多雨和多雪的天气对激光检测的影响，采用了数字信号处理方法。 多脉冲相干平均算法用于将回声的信噪比提高 N 倍。 采用相关检测算法来估计飞行时间。 多时间延迟相关方法用于改善飞行时间估计分辨率。 实验结果表明，本文的数字信号处理方法可以减少恶劣天气条件的影响，并获得高范围精度。关键词：汽车防碰撞，距离测量，激光测距，激光雷达，飞行时间估计，数字信号处理，弱信号检测，相关检测 1.介绍交通事故频繁发生，随着汽车数量和速度的增加。安全驾驶越来越受到关注，汽车防撞系统的研究也变得越来越热。汽车防碰撞系统采用毫米波雷达或激光雷达检测前进车辆，障碍物，行人和测量物体的距离。当距离小于安全距离时，系统自动警告驾驶员或制动器。因此，在恶劣的天气条件例如雨天，雪天，雾气中的驾驶安全性增强，并且可以避免交通事故。与毫米波雷达相比，激光雷达的主要优点是更成熟，可靠，更便宜。然而，激光雷达的缺点是其不能穿透雨和雾， 并且还存在关于使用高功率脉冲激光器的眼睛安全的问题，因此激光雷达长时间没有遇到汽车制造商的良好意见。最近，随着激光二极管，光电探测器以及信号处理技术的制造技术的进步，汽车激光雷达的弱点被克服。一些公司如 IBEO， 欧姆龙汽车电子，大发已经开发了先进的汽车激光雷达，它们的性能与 mm 波雷达一样好1-3。本文针对汽车防碰撞应用设计并实现了 1.55m 数字激光雷达系统。 通过比较 1.55m 激光和 0.9m 激光，1.55m 激光对眼睛是安全的，其检测和穿透雾的能力更强。 系统采用高速模数转换器（ADC）对脉冲回波信号进行采样， 然后采用数字信号处理方法进行信号预处理和飞行时间估计。 实验结果表明， 弱回波信号的检测能力增强，系统的测距精度提高。 因此，数字激光雷达系统在恶劣天气条件下的性能得到提高。2.汽车激光雷达系统概述。2.1 工作原理汽车激光雷达系统的工作原理如图 1 所示。当前方车辆 R 的距离小于 S1（报警范围）时，系统警告驾驶员减速; 当范围 R 小于 S2（制动范围）时，系统警告驾驶员自动制动或制动。图 1.汽车激光雷达系统的工作原理基于激光脉冲的发送之间的经过时间计算前行车辆 R 的行驶距离接收反射光4。 已知激光脉冲以光速 c（m / s）行进并测量激光脉冲t 的飞行时间，范围 R（m）由下式给出R=ct/2(1)激光雷达测距方程是设计系统和评估系统性能的基础。 假设目标大于光束并且具有朗伯反射分布，则等式为5PtrtripD2r2Pr=(2)注解：Pr=以瓦为单位接收的功率Pt=以瓦特为单位传输的功率t=传输光学效率r=接收光学效率 =反射率 D=入口瞳孔直径以米为单位 a=大气透射系数（单程）= exp(-R), =大气衰减系数，单位为 km -1 R=范围以米为单位a4R2从等式（2）可以看出，几个因素影响激光雷达系统的性能。 一般来说，什么时候研究性能; 激光雷达测距方程通常以信噪比（功率）的形式表示：信噪比=( Pr )2=( Pt )2(rtrrpD2eth (t2tRt)2(3)NtPNtP4R2注解：NEP 是以瓦特为单位的噪声等效功率，它被解释为加性噪声的高斯分布的标准偏差。 NEP 通过检测器和前置放大器中的噪声组合在一起NtP2detector+ NtP2hreah浔iierNEP=注解：NEPdetector=检测器的噪声等效功率NEPpreamplifier=前置放大器的噪声等效功率(4)等式（3）将信噪比（SNR）与给定硬件参数，天气条件和目标特性的范围相关联。SNR 是评估激光雷达系统的性能的重要参数。检测的概率是另一个重要参数，基于使用匹配滤波器的白噪声中的脉冲检测，检测的概率是Pd=1 + 1 er ( SNRtNR t(5)注释：Pd=检测概率 erf（x）=单向误差函数t 2浔n (2 3rFtRtTNR=阈值 - 噪声比，表示如下：TNR=注释：=脉冲宽度，FAR=平均误报率= P fa. PRF,222(6)Pfa=单脉冲误报率，PRF=激光脉冲重复频率2.2 0.9m 和 1.55m 激光雷达之间的比较通常，0.9m 激光雷达仅在良好的可见度条件下具有协作障碍才表现出良好的性能; 为了检测非合作障碍并改善恶劣天气条件下的性能，需要 I 类以外的设备6，并且引起眼睛安全的问题。 与 0.9m 激光器相比，1.55m 激光器对眼睛安全，雾化能力更强; 因此允许的发射激光脉冲能量增加，并且提高了低可见度的检测能力。从等式（2）可以看出，大气效应限制了激光雷达系统的性能。 双向大气透射系数 Ta7aTa=r2=exp(-2R)(7)注解：大气衰减系数为7=3th1 ( 入t-qRv0t(8)注解：=激光波长（m） RV=可见距离（km） q=散射颗粒的尺寸分布=1.6 高可见度（R v 50 公里）=1.3 对于平均可见度（6km R v 50km）=0.585V1/3 低可见度（R v 6 公里）图 2 示出了对于 0.9 和 1.55m 激光器的双向大气透射因子对范围的图，因为可见距离 R v 为 0.5km，这表示中度有雾的天气条件。 从图 2 可以看出，1.55 m 激光的雾能力比 0.9m 激光强。比较 0.9 和 1.55m 激光雷达之间的检测能力，以检测低反射的行人在中度有雾的天气条件（可见距离 R v = 0.5km）中具有高概率（P d = 0.999，P fa = 10-13）。如激光脉冲宽度= 100ns，激光脉冲重复频率 PRF = 10KHz，从公式（5）和式（6），所需的 SNR 为计算，SNR12dB。 如图 3 所示，水平线是实现高概率所需的信噪比。Si-APD 和 InGaAs-APD 分别用作 0.9 和 1.55m 激光雷达的检测器。噪声等效功率的 APD（NEP 检测器）为8NEPdetector=NEPHZ B(9)注释：NEPHZ 是以 Hz 为单位的 APD 的噪声等效功率，B 是以 Hz 为单位的噪声带宽。4tBN RLR2et前置放大器（NEP 前置放大器）的噪声等效功率为9NEPpreampl=注释：k=玻尔兹曼常数T=温度以开尔文计N=前置放大器的噪声因子Res=APD 的响应性RL=负载电阻= 1 /2BC,B=噪声带宽（Hz）C=APD 的电容(10)从公式 （3）（4）（8）（9）（10），可以得到 0.9 和 1.55m 激光雷达系统的 SNR，具有以下参数：Pt=50 W；; = 0.15(0.9 m)或 0.25 (1.55 m) 基于行人为目标；D =0.04 m; Rv=0.5 km; k =1.3810 -23 J / K ; T=295 K (22C); N=2; C= 1 pF;B=35 MHz; NEP Hz =10 -14 W/ H/ ( Si-APD) 或 0.1510 -15 W/ H/(InGaAs-APD)R es =9.4 A/W (Si-APD) 或 9 A/W (InGaAs-APD);图 3 是出于对 0.9 和 1.55m 激光雷达系统的 SNR 范围的图，其中可见距离 R v =0.5km。以概率（P d = 0.999，P fa = 10 -13），所需的 SNR12dB; 从图中可以看出，最大检测 0.9m 激光雷达系统的射程约为 150m，而对于 1.55m 激光雷达系统则为 200m。 理论比较结果表明，在恶劣的天气条件下，1.55m 激光雷达的检测能力更强。 所以，开发 1.55m 激光雷达可以提高低能见度的性能，如雾条件，如果先进行采用信号处理方法，可以进一步提高性能。2.3 1.55m 数字激光雷达系统施工如图 4 所示，1.55m 数字激光雷达系统由以下三个部分组成：变送器驱动脉冲参考信号并发射脉冲激光; 接收器，其聚集反射光，经历光电对话和弱脉冲信号放大; 信号处理系统，其通过高采样脉冲回波信号并通过数字信号处理方法进行信号预处理和飞行时间估计。信号处理系统基于现场可编程门阵列（FPGA） 和数字信号处理器（DSP）。 FPGA 用于完成时序控制功能，如激光脉冲参考信号生成，高速 ADC 采样，数据缓冲和中断信号产生。 DSP 用于实现信号预处理和飞行时间估计算法。图 4. 1.55m 数字激光雷达系统框图1.55m 数字激光雷达系统的工作原理如下：DSP 启动 FPGA 产生脉冲参考信号， 脉冲宽度为 100 ns，重复频率为 10 KHz，激光驱动电路放大脉冲参考信号控制二极管激光器发射脉冲激光，然后传输光学器件成形激光光束窄波束和向前传输。接收光学器件会聚从反射物体反射回来的光，光电检测器将其转换为电流脉冲信 号，然后跨阻抗放大器转换弱电流脉冲信号转换成电压脉冲信号，可变增益放大 器进一步放大适合的电压脉冲信号 ADC 的输入电压范围。在产生激光脉冲参考信号的同时，ADC 采样脉冲回波信号在 200 MHz 等效频率下在 FPGA 的控制下，FPGA 将数据存储在其内部随机存取存储器（RAM），当需要采集数据时，FPGA 中断 DSP; DSP 响应中断并读取数据，并实现多脉冲相干平均算法以增加脉冲的 SNR 回波信号，然后采用相关检测方法估计飞行时间，进一步提高分辨率通过多次延迟相关法来估计飞行时间。3.脉冲回波信号采样采用了具有 10 位分辨率和 100 MHz 采样频率的双通道 ADC。 脉冲回波信号被采样交替地由通道 A 和 B 在反相时钟的控制下，并且等效采样频率加倍200MHz。 工作原理如图 5 所示。交替采样对时钟的时间序列是严格的，交替采样的反相时钟信号是由 FPGA 产生。 然后采样的数据存储在 FPGA 的内部 RAM 中。 抽样控制原则和数据通过 FPGA 的缓冲如图 6 所示，并且该过程由 Verilog-HDL 语言编程实现。 如如图 6 所示，FPGA 的输入时钟频率为 50 MHz; 两个 100 MHz 反相时钟由片上产生锁相环（PLL）。双通道 ADC 的时钟和数据连接到 ADCLOCKA，ADCLOCKB，DBA，和 DBB。 采样的数据存储在 FPGA 的两个 RAM 中。 因为双通道 ADC 工作或者，采样数据应当由总线控制器重新组合。 当总线地址为偶数时，数据为输出通道 A; 当总线地址为奇数时，输出通道 B 的数据。图 5.双时钟并行采样示意图图 6.并行高速 ADC 控制原理图4.多脉冲相关平均从图 2 和图 3 可以看出，尽管 1.55m 激光雷达在有雾天气下的性能优于其0.9m 激光雷达，随着距离的增大，大气衰减变得严重，脉冲回波信号弱有时甚至淹没在噪音。 为了提高脉冲回波信号的 SNR，多脉冲相干平均算法。 多脉冲相干平均算法的基本原理是：对多个脉冲回波进行采样高速 ADC，然后对应于它们的相对位置累积采样值。脉冲回波信号可表示如下：x(t)=As(t)+w(t)(11)注释：s(t)= 归一化脉冲信号 A=脉冲回波信号的幅值 W(t)= 零均值高斯白噪声及其均方根值.N 个脉冲回波被采样，如果每个回波中有 M 个采样点，采样间隔为t，则值为脉冲回波 i（i = 0,1，.，N-1）中的采样点 j（j = 0,1，.，M-1）t ti + /Jt = tt ti + /Jt + (ti + /Jtt(12)注释：t i 是脉冲回波 i 的采样开始时间，并且需要不同脉冲回波的采样开始时间同样， （12）可以简写为：ti = tSi + wi（13）当 N 时，脉冲回波的 M 个采样值分别与最后脉冲回波的 M 个采样值相加并相加脉冲回波已被采样和累积，点 j 的相干平均值为1 INt1 ti = t INt1 ti + 1 INt1 wi(14)Ni=0Ni=0Ni=0等式（14）可以进一步写为1 INt1 ti = tt + 1 tNi=0N(15)图 7。 多脉冲相干平均算法的实验结果输入 SNR（功率）定义为SNR=t2it2(16)然后输出 SNR（功率）SNR0=NSNRi（17）从等式（17），可以看出脉冲回波信号的 SNR 在多脉冲处理后提高 N 倍相干平均算法。 多脉冲相干平均算法的实验结果如图 7 所示; （a）是高速 ADC 采样的脉冲回波信号图，噪声高; （b），（c）和（d）是处理结果当相干平均时间 N =10,50,100 时，从图 7 可以看出，脉冲回波信号的 SNR 得到改善逐渐作为相干平均次数增加。 然而，处理时间随着相干时间变长增加。 因此，选择相干平均时间是 SNR 改进和处理时间之间的折衷。5.飞行时间估计5.1 相关检测从等式（1），可以看出目标范围是基于飞行时间估计来计算的。 和测距精度主要取决于飞行时间估计精度。 有几种飞行时间估计方法：前沿检测，过零检测，峰值检测，恒定分数检测和相关检测10-11。 与其他检测方法相比，相关检测是性能最好的，受影响较小噪声12。 在本文中，相关检测方法用于估计飞行时间。脉冲回波信号的数学模型可以表示为tn=Asn-n0+wn0: n : M t 1(18)注释：n0 是时间延迟上的采样点，M 是采样长度，其他参数与公式（11）相同。相关检测方法使用互相关函数 r（k）的峰值位置作为估计n0n =arg maxr(k)r(k)=IMt1 t n tn t k(19)0n=0计算范围R=1 c/Jt = 1 cn0(20)22注释：t 是飞行时间估计，是采样间隔。从等式（20）可以看出，通过相关检测方法的测距分辨率取决于采样频率的ADC，高采样频率提供更好的范围分辨率。 在本文中使用 200 MHz ADC，飞行时间估计分辨率为 5ns，测距分辨率为 0.75m。 以提高测距分辨率此外，采用具有更高采样频率的 ADC 是一种选择，但问题是电路变的复杂了，难以实施，成本高。 因此本文提出了多次延迟相关方法以改进测距分辨率而不使用较高采样频率 ADC。5.2 多时延相关法通过相关检测方法的飞行时间估计是计算互相关峰的位置。 什么时候飞行时间是采样间隔的整数倍，可以采样互相关峰值; 否则，邻居的峰值被采样， 并且产生飞行时间估计误差。如果互相关峰延迟了峰值可以被采样的某些时间， 则延迟的特定时间可以修改由以下引起的飞行时间估计误差采样。 延迟互相关函数是n=0r(k+d)=IMt1 t n tn t (k + dtn=0=IMt1 tn t n t d t k(21)注释：d 是一定时间延迟，并且小于采样间隔。从等式（21）可以看出，计算延迟互相关函数，只需要延迟参考信号为 a一定时间 d，然后计算互相关。Sdn=sn-d和 rd(k)=r(k+d), 那么方程 （21）可以表示如下：n=0rd(k)=IMt1 t n tdn t k当 d=0, 延迟参考信号为 如图 8 所示。（22）图 8 多时延相关法原理图延迟互相关函数是Mt1r0 k = I t n t0n t kddn=0 Mt1r1 k = I t n t1n t kddn=0rtt1 k = IMt1 t n tkt1n t k(23)dn=0d如果延迟互相关函数的最大值为, 则飞行时间估计t 为t=n0+a1k(24)从等式（24）中可以看出，基于相关性将飞行时间估计分辨率提高 K 倍检测方法。在本文中，使用了 5 个延迟参考信号，并且飞行时间估计分辨率为提高 5 倍。 当ADC 的采样频率为 200 MHz 时，采样间隔= 5 ns，然后是飞行时间通过多时延延相关法提高的估计分辨率为 1ns，测距分辨率提高到 0.15m。6.当前实验结果目前，已经进行了室内短程测量实验来验证多脉冲相干平均值算法和飞行时间估计算法，目标是白墙。 如图 9 所示，结果是显示在德州仪器 DSP 集成开发环境 CCS。 在每个图中，上面是激光脉冲由 ADC 采样的回波信号; 中间是多脉冲相干平均算法的结果; 较低的是结果的飞行时间估计和距离计算。在图 9 中， 从左到右，真实范围是 0.5m，1.0m，1.5m 和 2.0m; 计算范围分别为 0.25m，1.15m， 1.75m 和 1.9m; 最大范围误差为 0.25 m。 所采用的算法也减小了脉冲回波振幅和形状变化对测距的影响准确性。7.结论图 9.测距的当前实验结果本文设计并实现了 1.55m 数字激光雷达系统，在脉冲激光测距技术中采用了数字信号处理方法，以提高弱信号的检测能力，提高测距精度。介绍了汽车激光雷达的基本工作原理，比较了 0.9 和 1.55m 激光雷达的结果表明后者在恶劣的天气条件下具有更好的性能。结构和工作原理为 1.55m 数字激光雷达系统。200 MHz 等效采样频率通过双通道并行实现采样到采样激光脉冲回波信号。采用多脉冲相干平均算法来提高 SNR 脉冲回波信号 N 次。通
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