雷達技術在汽車防撞安全系統的應用

付曉海

(上海航天技術研究院,上海 201109)

雷達技術在汽車防撞安全系統的應用

付曉海

(上海航天技術研究院,上海 201109)

隨著社會的進步,汽車是越來越普及,它給人們帶來便利的同時危害也越來越大。為了提高行車的安全性能,各種先進技術應用在汽車上。本文重點研究了雷達技術在汽車主動安全領域的應用,對毫米波雷達應用到汽車安全系統的優勢、工作原理、工作方式做了詳細的分析,并指出了汽車防撞雷達的技術突破方向。

防撞雷達 汽車安全 測距測速

ITS(Intelligent Transportation System，智能交通系統)是通過現代化信息、通信等技術使用戶、車輛和道路密切配合，和諧統一，是目前世界上交通運輸科學的前沿技術，能夠使人們或貨物更高效、更快捷的流動。美國交通部研究認為，該系統每年可減少120萬次交通事故，大約可節省260億美元因交通堵塞及事故造成的損失。近年來，雷達技術在汽車主動安全系統得到了較好的應用，自適應巡航系統、側向輔助系統是可以主動輔助司機進行安全駕駛的主動安全系統，也是ITS中非常重要的組成部分，汽車前防撞雷達是其核心部件，能夠準確測出前方目標的速度和距離，按照已設定的報警參數向司機發出警報，并可以自動采取措施消除危險，對提高交通安全，降低交通事故發生、減少生命財產損失將起到重要作用，成為近年來研究與發展汽車安全系統的主流技術。國際上主要整車生產企業如豐田、寶馬、福特和通用等公司投入大量資金和技術研制汽車防撞雷達系統，并成功開發出能夠商業化的系統產品。隨著中國汽車產業的快速發展，汽車消費的普及，交通擁堵已成為各大城市的普遍現象，加之經常出現的霧霾、大霧天氣，能見度低，造成我國交通事故頻發，制約中國交通運輸的發展，汽車防撞雷達技術的突破及產業化應用將大幅減少交通事故，提高交通運輸效率。

1 汽車防撞雷達發展歷程

國外對毫米波汽車防撞雷達的研究始于20世紀60年代，研究主要以美國、德國和日本為代表的發達國家內展開。截止目前，從時間上大致可分為兩個階段。

圖1 毫米波雷達的系統結構圖

第一階段：從20世紀60年代至70年代末期，此階段的特點是微波理論水平較低，電子器件集成技術落后，系統加工成本高，各國對于防撞雷達的性能要求缺少統一的標準，各國研制出的防撞雷達樣機的應用效果差異較大。1969年，英國Lucas公司研制出中心頻率為24GHz的FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave，調頻連續波)毫米波雷達，但由于技術的限制，雷達尺寸較大，受當時微波技術發展的限制，到70年代發展一直很緩慢。

第二階段：從80年代中期至今，隨著微波技術理論及其器件集成技術的高速發展，以及微處理器價格的降低，研制低成本、高性能的防撞雷達成為可能。各個國家的ITS計劃全面啟動，對于防撞雷達的性能要求也大致達成了共識。進入90年代后，德國在該領域的研究處于領先地位。1997年Benz公司的汽車防撞雷達系統榮獲了德國的工業革新大獎。該雷達系統采用FMCW體制，工作頻率76GHz，發射功率3MW。雷達接收的目標反射信號通過信號處理器進行分析，根據信號處理結果自動控制汽車減速，跟前方目標保持一定距離。該雷達的有效探測距離為150米，能夠同時跟蹤30個目標。

此外，美國TRW公司、Delco公司、日本豐田公司、三菱公司和Denso公司、法國AutoCruise公司也開發出防撞雷達產品。由于該系統研制成本高，目前世界上裝配防撞雷達的汽車產品不多，僅在少量高檔豪華汽車上配備使用，如Benz的S系列、捷豹的XKR系列、Lexus的430系列、Audi的A8系列，以及凱迪拉克的DTS系列。

圖2 雙天線毫米波雷達的結構框圖

圖3 三角波頻率調制雷達工作原理圖

國內對汽車防撞雷達系統的研究起步較晚，目前，在汽車防撞方面只局限于倒車雷達的研究與生產，至于前向探測雷達，尚處于初級階段。我國于 20 世紀 90 年代開始進行智能交通系統(ITS)的研究，并在 2000 年成立了政府協調領導機構—全國智能運輸系統(ITS)協調指導小組及辦公室，旨在發展中國的 ITS，與此同時還成立了智能交通系統專家咨詢委員會。很多國內研究學者也對此進行了深入的研究，研究內容主要圍繞行車安全距離模型展開，并取得了一定的成果。目前國內有中國科學院上海微系統與信息技術研究所、清華大學、南京理工大學、山東大學等研究機構正在對汽車防撞系統進行研究，但尚處于起步階段，研制的樣機大多處于實驗室階段，雷達系統的體積、功能和可靠性與國外都有較大的差距，達到市場應用階段還有一定距離。

2 汽車主動防撞預警系統構成

汽車主動防撞預警系統所采集的信息包括自車信息和前方目標信息。自車信息包括：自車車速、方向盤角度、制動踏板位置、節氣門開度和路面附著狀況等信息；目標信息包括：利用毫米波雷達傳感器對前方目標進行精確定位和分類信息。將自車信息和目標信息發送到CAN總線上，傳遞到車輛電子控制單元(ECU)的防撞系統控制模塊，防撞系控制模塊根據所采集的信息，作為輸入信號輸入到模塊的規避控制模塊，對所檢測目標進行危險等級分類。根據危險等級的不同，ECU發出三類不同危險程度的指令，控制執行機構的動作。臨界危險目標發出報警信號，報警系統工作；危險目標發出減速信號，減速系統工作；極限危險目標發出制動信號，制動系統工作。最終達到提醒或協助駕駛員做出合理的駕駛行為，對車輛的控制還是由駕駛員自己決定。

在汽車主動防撞預警系統中，毫米波雷達測量前方車輛、護欄、人員的距離和速度，分辨出不同的目標，哪些是危險目標、哪些是安全距離目標等是防撞預警系統的關鍵技術，目標識別的正確與否可大幅降低虛警的數量，避免影響汽車的正常行駛，因此，車用測距雷達是各大整車企業、研發機構正在努力突破的關鍵技術。

3 防撞雷達測距測速的原理

隨著電子技術的快速發展，先后出現的車用雷達有紅外線雷達、激光雷達、超聲波雷達、機器視覺雷達和毫米波雷達。紅外線雷達、激光雷達、超聲波雷達容易受外部環境影響產生偏差；機器視覺雷達價格高昂、較慢的成像速度及對軟、硬件的高要求阻礙了其發展。毫米波雷達測量距離的理論基礎是電磁波反射原理，毫米波是一種電磁波，其波長較短一般小于 10mm，頻率很高介于30GHz 到300GHz之間。根據電磁波形式的不同，毫米波雷達分為脈沖式和調頻連續波(FMCW)式兩種。一般情況下，車輛防撞預警系統采用的是30GHz 以上的調頻連續波式毫米波雷達。它具有波長短，穿透能力強的特點。即當所發射的斜率一定的連續調頻波信號遇到前方測量目標時會反射包含目標信息回波，系統通過將往返信號進行混頻處理得到差頻信號，從而計算得到目標的速度和相對距離。

3.1 防撞雷達的系統結構

毫米波雷達一般由四部分構成，包括收發裝置，傳輸裝置，信號處理裝置和預警裝置。如圖1所示，為毫米波雷達的系統結構圖。

其中，收發裝置指的是發射天線和接收天線；傳輸裝置包括信號源、壓控振蕩器、定向耦合器、發射機、接收機和混頻器；信號處理裝置包括放大器、濾波器、A/D 轉換和信號處理；預警裝置包括報警和顯示。

防撞預警雷達的收發裝置采用雙天線結構形式。雙天線結構擁有發射和接收兩個天線，很好的實現了收發隔離，對探測性的影響較小。如圖2所示，為雙天線毫米波雷達的結構框圖。

3.2 測距測速原理

FMCW 信號的載波頻率與時間呈線性關系，通過對稱三角波對信號進行調制來獲得所需的信號波形。發射頻率通過三角波調制之后得到的頻率變化規律如圖3所示：

圖中tf表示雷達信號發射機產生的較高頻率的發射頻率，其在一個周期內的均值頻率為 ft0，三角波變化的周期和 ft0變化的周期同為 Tm。 fr表示目標截獲發射電磁波之后反射回來的信號頻率，fr和 ft有著相同的變化規律，但從時間方面來看 fr相對于 ft會有tR的延遲， tR= 2 R0/c。 ft經過三角波調制后獲得的頻率偏移的最大值為 ± Δ f， fb表示發射和接收信號的頻率差值， fbav來代表其頻率差值的均值：

如上圖所示，tf與rf的關系為：

差頻bf為：

調制頻率處于下降階段的半個周期內， d f/dt的值小于零， fr大于 ft，但是兩個信號的頻率差依然滿足式(1)。然而與雷達相距為R的目標返回的電磁信號，在時間上忽略掉 2 R0/c這段時間之后(在2 R0/c區間當中出現的差頻頻率分量很小)余下的這部分差頻是一個固定值。因此在三角波調制的 Tm的時間內差頻均值 fbav有：

在實際的雷達測距應用中，應當保證距離測量值的單一性，因此mT應當滿足如下條件：

上式便可以得到目標距離 R為：

在式中 fm= 1/T，為調制的頻率。

當目標運動時，如果目標與雷達相距 R，目標擁有的徑向速度為 v，則運動目標返回的信號頻率為：

fd表示多普勒頻率，正號表示三角波調制信號前半周斜率為正的方面，負號表示三角波調制信號后半周斜率為負的方面。當fd＜ fbar時，獲得的差頻為：

可求出目標的距離為：

如果測量得到bf+和bf-的值，便可通過計算得到運動目標徑向速度：

4 汽車防撞雷達技術突破方向

············

隨著社會的發展和汽車數量的逐年增加，特 別是未 來智能汽車的出現，將極大的改變我們現有的生活方式。智能汽車是建立在汽車巡航雷達的基礎之上的，因此汽車防撞雷達是今后一個重要的發展方向。但由于環境的復雜性，汽車防撞雷達系統面對道路情況更多也更加復雜，需要考慮道路的平整性、崎嶇山路、急轉彎、涉水道路、隧道、橋梁、周邊行人、護欄、綠化帶、樹木、廣告牌等復雜情況以及道路的各種突發情況等做出正確的反應，這些都是汽車雷達需要考慮的問題。因此，如何提高汽車雷達在實際運行當中的準確度、穩定度和實時性，成為了防撞雷達數據處理所面臨的問題，未來的技術突破方向主要有：

(1)汽車防撞雷達在實際測試當中接收到多種噪聲的干擾，特別是當目標距離較遠時情況會變得更加嚴重，甚至影響目標的識別，出現虛假目標等情況，因此需要對噪聲的抑制進行更深入的研究。

(2)由于汽車在實際工作當中時常遇到各種突發情況，對于汽車防撞雷達來講實時性的要求非常高，因此在實時性方面也需要有進一步的提升。

(3)汽車雷達的探測不能單一地獲得前方目標的信息，還應獲得汽車周邊物體的多種信息才有助于提高系統的安全性。因此，在汽車的左右方向與后方都應有相應的雷達設備，最大限度地保證系統的安全性與可靠性。

5 結語

汽車防撞雷達技術含量高、涉及學科門類廣，需要國內各領域的企業通力合作，突破關鍵技術，尤其要開展機械掃描、透鏡、相控陣等天線形式的雷達及微波組件的研制。同時，雷達組件的研制是建立在國家微電子產業的基礎之上的，而我國的微電子產業發展滯后，無法為國內提供高質量、低成本的微電子產品。而向國外定制采購將大幅提高產品成本，影響國內企業的競爭力。因此，需要我國加快提升微電子生產、組裝的技術水平，與國內汽車防撞雷達研發單位同步發展，為我國開展汽車防撞雷達的生產提供基礎條件，研制出具有自主國內知識產權的汽車防撞雷達，順利參與全球競爭。

[1]戎輝,龔進峰,等.智能安全車輛技術前沿跟蹤.中國汽車技術研究中心,天津:2010.

[2]鄧湖明.汽車巡航雷達信號處理單元研究與實現.西安:西安電子科技大學,2014.

[3]韓星.基于毫米波雷達的汽車主動防撞預警目標識別.吉林:吉林大學,2013.

[4]姚丁茂.大客車防撞預警系統仿真平臺的開發研究.長安:長安大學,2014.