小型高精度防撞雷達信號處理系統實現

車　俐，白云浩，蔣留兵

(廣西無線寬帶通信與信號處理重點實驗室(桂林電子科技大學)),　桂林 541004)

?

·信號處理·

小型高精度防撞雷達信號處理系統實現

車俐，白云浩，蔣留兵

(廣西無線寬帶通信與信號處理重點實驗室(桂林電子科技大學)),桂林 541004)

針對國內汽車防撞雷達領域存在問題，研究小型化高精度防撞雷達信號處理系統實現方案，詳細分析信號處理流程，確定合適的雷達信號處理方法。結合系統結構和處理方案計算出適合駕車環境的系統參數，通過系統仿真驗證其有效性。并在小型化和低成本的條件下，提出基于Super-SVA方法實現目標距離分辨率的提高。確保雷達系統不會因為成本問題限制其檢測性能。最后，對實例化樣機進行外場功能測試，測試數據分析結果驗證了系統方案的可行性。

小型化；高精度；防撞雷達；Super-SVA

0　引　言

隨著經濟的發展，公路交通運輸量日益增大，汽車保有量也不斷增加，在它給人類社會帶來便利的同時，隨之而來的問題是:隨著汽車數量的快速增加，交通事故頻繁發生，由此導致的生命財產損失數目驚人。對公路交通事故的研究表明，80%以上的車禍是由于駕駛員反應不及所引起。奔馳汽車公司對各類交通事故的研究表明，若駕駛員能夠提早1 s意識到事故危險并采取相應的正確措施，則絕大多數的交通事故都可以避免。因此，大力研究汽車防撞主動輔助安全裝置是非常必要的。

雷達能夠在雨天、霧天、黑夜等惡劣環境中探測目標，不受天氣狀況的影響全天候地工作，并且能夠完成高精度的目標距離和相對速度信息的檢測任務。汽車上采用雷達作為防撞的系統可以大大降低交通事故發生率[1-2]，同時也為汽車自動駕駛技術的實現做鋪墊。目前，汽車防撞雷達主要由美國、歐洲以及日本為首的發達國家占據領導地位，市面上已有數款產品應用在汽車上。自從2000年以來博世推出第一代汽車防撞雷達，至今已經研制到第三代，其尺寸相對于第一代減小了三分之二，并且成本也降低了，這使得防撞雷達走進小型轎車成為可能。在24 GHz的防撞雷達產品中，德國的HELLA公司極具代表性，該公司雷達采用FMCW信號體制[3-5]，信號最小帶寬為200 MHz，重復周期小于50 ms，測距范圍為0.75 m～70 m，距離分辨率為1 m。

在汽車防撞雷達領域，國內與國外技術相比有較大差距，并且沒有比較成熟的市場產品。主要問題在于：

(1) 目前國內的研究主要參照國外現有的雷達體

制進行仿制，并沒有從雷達系統角度進行完整的理論設計及研究。

(2) 性能方面與國外相比分辨率低。

(3) 在小型化方面受工藝影響實際體積遠大于國外成熟產品。

隨著微波器件和集成技術的發展，24 GHz頻段的微波集成芯片技術已經相當完善，集成的商用24 GHz前端收發芯片已出現，成本更低，體積更小，國內測試設備也比較完善，因而24 GHz是我國汽車雷達應用頻段的較好選擇。并且工業和信息化部于2012年正式發布《工業和信息化部關于發布24GHz頻段短距離車載雷達設備使用頻率的通知》，將24.25 GHz～26.65 GHz頻段規劃用于24 GHz短距離車載雷達設備使用。為了實現小型化和低成本的集成應用，本文選用24 GHz頻段作為汽車防撞雷達頻段。

本文圍繞24 GHz FMCW汽車防撞雷達信號處理系統展開，從提高雷達的檢測能力，實現低成本、小型化產品兩個方面著手開展研究并予以實現。

1　汽車防撞雷達信號處理方案

汽車防撞雷達必須達到以下要求：系統穩定性能好；有較高的測距、測速精度；成本較低；體積小和功耗低。因此，信號處理方案設計應遵循以下三點：

(1) 在保證良好的目標檢測概率的條件下應選用簡單易行的算法，降低系統復雜度，提高系統穩定性。

(2) 在傳統雷達測距方法的基礎上，適當對算法進行優化以實現同條件下有較高的測距精度。

(3) 信號處理方案選擇時應適當考慮到實現過程中的硬件設計復雜程度，應盡量提高功能的集成化程度，減少芯片的使用數目，以達到降低成本、減小體積和功耗的目的。

雷達系統的信號處理流程，如圖1所示。由三角波調制產生器生成數字的三角波調制電壓信號，經過數模轉換芯片得到模擬信號控制壓控振蕩器(VCO)輸出中心頻率為24.5 GHz帶寬為150 MHz的兩路三角波調頻信號，一路送至射頻放大器后，接入天線發射，另一路引入接收之路作為下混頻本振。接收部分，天線接收到的目標回波經過射頻放大后進行正交下混頻得到I、Q兩路零中頻信號，經中頻放大后進入帶通濾波器濾除帶外干擾并進行自動增益控制后對其進行采樣量化，進入數字處理器進行信號處理。信號處理部分首先對信號進行復數FFT運算得到快時間維的目標信息；經過N個周期的脈沖積累后對慢時間維進行動目標檢測(MTD)處理實現回波信號的雜波抵消；最后經過求模和數據重排后通過閾值檢測實現目標判決得到目標信息。

圖1　雷達系統信號處理流程圖

2　系統參數設計

24 GHz汽車防撞雷達主要應用于中短距離的目標探測任務，主要指標要求如表1所示，要求雷達作用距離大于5 m小于150 m。主要探測目標為汽車，因此相對運動速度最高為120 km/h，即33.3 m/s，分辨率要求小于5 km/h，即1.4 m/s。

表1　汽車前向防撞雷達主要指標

因為三角調頻連續波信號實現復雜度低，系統可靠性好，所以本系統采用三角調頻連續波信號作為發射信號。三角調頻連續波信號其本質可以看作兩個LFMCW信號的拼接，其中上掃頻信號與下掃頻信號的距離速度耦合方式相反。因此，通過和差進而實現距離速度去耦合。根據式(1)可知，要達到1 m的分辨率信號帶寬B需要150 MHz。綜合考慮接收機中頻輸出頻帶寬度對系統參數設計和系統實現復雜度的影響，本文最大中頻帶寬Fmax取500 kHz，根據式(2)得到三角調頻連續波信號重復周期最小不得小于0.2 ms。其中，B取150 MHz，Rmax取100 m，c為光速。

(1)

(2)

為保證信噪比的提高，取相干積累時間(CPI)為16個周期。參考文獻[6]得到式(3)粗略計算出16個脈沖近似的信噪比(S/N)n約為4.05 dB。

lg(A+0.12AB+1.7B)

(3)

其中

式中：n為相干積累周期數；Pfa為虛警概率；Pd為檢測概率。雷達的距離分辨率與采樣率有關系，如式(4)

(4)

實際快速傅里葉變換(FFT)的運算點數通常取512。根據上式計算得到所需要的采樣頻率fs為512 kHz。采樣頻率的確定為CPU的容量以及AD芯片采樣速率的選擇奠定基礎。

3　小型化信號處理模塊的設計與實現

數字信號處理模塊主要包括AD、DA以及CPU器件，其主要功能是完成模擬信號和數字信號之間的轉換和數據處理計算等任務。

在小型化設計時，由于各元件間距較小所產生電磁干擾問題增大，同時該模塊是數模混合電路。因此，在印制電路板(PCB)設計時對各個模塊加以電磁屏蔽，以保證各模塊間的干擾最小。PCB布線時對重點模塊AD、DA、時鐘、現場可編程門陣列(FPGA)假裝屏蔽罩，對整個數字板加入屏蔽環路以提高電路的抗電磁干擾能力。圖2為PCB布局圖和信號處理模塊實物圖。信號處理模塊長寬尺寸為80 mm × 80 mm。

圖2　PCB布局及實物圖

4　高分辨率多目標檢測算法

針對多目標檢測問題，從發射波形改進和雷達信號處理兩方面著手解決。設計易于產生、抗干擾性能強、具有良好多目標檢測性能的雷達發射波形，配以相應的多目標判決算法，以達到準確進行多目標檢測的目的。本系統采用改進型變周期LFMCW雷達進行目標識別。先采用MTD抑制雜波，簡化目標環境，并進行恒虛警處理。根據同一目標在上、下掃頻段的頻譜以實際位置為對稱軸的偏離，按多普勒通道是否相同對目標進行分組，這樣可以減少后續目標配對的復雜度。

雷達系統的距離分辨率本質上受波形自身帶寬的限制。若信號帶寬越寬則雷達距離分辨率越高。但是發射信號帶寬受多方面制約，在低成本和小型化車載防撞雷達設計中發射機帶寬相對較小，使得雷達系統的距離分辨率不理想。為實現有限帶寬下的超分辨率檢測，本文將Super-SVA[7-9]應用到防撞雷達系統。

5　Super-SVA算法在防撞雷達中的應用

Super-SVA是在SVA的基礎上發展起來的超分辨率方法，其通過基帶回波信號脈壓后，進行SVA處理抑制旁瓣。由于只保留了主瓣信息，等同于時域截斷，因此頻譜被擴展。再通過頻譜幅度反加權函數對頻譜幅度進行修正。最后經過逆快速傅里葉變換(IFFT)后，就得到超分辨率的目標。其信號處理流程如圖3所示。

圖3　Super-SVA的算法流程圖

其步驟為：

(1)發送一個LFM信號或單頻信號。

(2)若發送LFM信號，則②為回波經過脈沖壓縮后的結果。若發送為單頻信號，則②為回波經過FFT后的結果。

(3)此時，通過SVA等算法，將旁瓣去掉。

(4)由于③中信號在時域被截斷，導致信號在頻域被展寬。此時，對其進行反向加權和截斷。(目的在于將其頻譜幅度再次轉化為矩形包絡)。

(5)此時，這里表示已經進行了頻域幅度修正后的結果，可以看到頻譜兩邊都拓寬了40%。

(6)將頻譜拓展后的信號轉換到時域，脈沖寬度就被縮小了。(因為脈沖寬度為帶寬的倒數，此時脈沖寬度為原來的0.71倍)。

結合在汽車防撞雷達的應用，場景中有兩個目標，分別與雷達相距50 m、50.8 m目標相對靜止，根據第4節所設計得到的雷達系統帶寬為150 MHz，差頻輸出采樣頻率選擇512 kHz，重復周期為1 ms。如果采用該設計參數無法識別出距離差小于1 m的兩個目標。現將Super-SVA算法應用于系統內，采集到I、Q兩路輸出如圖4所示，圖中含有較高的噪聲并不能有效分辨出目標，根據信號處理方案經過FFT后得到的結果，如圖5所示，近距離的位置為近地雜波，同時發現真實目標出現譜峰分裂情況，出現該情況是由于兩個目標十分接近兩譜峰沒有完全分辨導致。根據Super-SVA算法產生標準的反加權函數，實現原有信號頻域外推。再經過第二次FFT結果如圖6所示。與圖5對比可以看出該算法有效地提高了目標分辨能力。

圖4　時域回波信號

圖5　差頻信號FFT結果

圖6　經過Super-SVA的輸出結果

6　外場測試及結果分析

圖7所示為防撞雷達樣機的實物照片，主要分為五個部分：天線、射頻模塊、中頻模塊、數字模塊以及外殼。

圖7　系統實物圖

為了全面有效地評估設備實際性能，分別進行了以下兩種場景的實驗：

(1)在開闊環境下，用汽車作為被測量對象檢驗系統作用距離以及距離測量精度，并分析誤差來源。

(2)較為復雜的環境下，周圍環境有大量綠化帶、樓宇等，用汽車作為被測量對象檢驗雷達在該環境下的性能衰減程度。

對開闊環境和復雜環境下的測量數據(表2)進行詳細分析得到在開闊環境下的均方誤差為0.7 m，強雜波環境下均方誤差為1.26 m。可以看出開闊環境下的均方誤差較小，說明在該環境下有良好的檢測精度，達到并優于系統設計要求。而在復雜環境下均方誤差較大，出現該現象的主要原因是在環境中的綠化帶、樓宇等導致回波雜波增強，回波的信雜比下降所致，在強雜波環境下最遠可探測距離以及分辨率有所下降。圖8為開闊環境下的的測試圖，圖9為強雜波環境下的的測試圖。

表2測量結果m

實際值開闊環境測量值強雜波環境測量值2019.919.53030.531.24039.939.45049.549.36062.361.67069.467.98079.181.79089.388.910099.498.1110109.5-120118.6-130127.2-

圖8　開闊環境測試圖

圖9　強雜波環境測試

測試結果表明：系統達到設計要求，具有小型、高精度的特點，適應產品化的需求。今后，進一步對雜波消除算法做改進，以保證雷達系統對強雜波應用環境的適應能力。

7　結束語

本文緊密結合產品化需求，研究小型化、低成本的汽車防撞雷達信號處理系統。根據信號處理流程對系統主要參數進行設計，并對信號處理系統的硬件實例化進行研究和實現。在寬帶限制的條件下，結合頻譜外推的方法擴展虛擬帶寬實現超分辨率測量的方案。最后，基于外場實際采集數據對該信號處理系統進行功能驗證和性能測試，測試數據分析結果驗證了本文的系統實現方案的可行性。

[1]蔣留兵，許騰飛，楊昌昱，等. 一種汽車防撞雷達多目標識別方法[J]. 現代雷達，2014，36(6)：54-58.

JIANG Liubing, XU Tengfei, YANG Changyu, et al. A method of automobile anti-collision radar to identify multi-target[J]. Modern Radar，2014，36(6)：54-58.

[2]陳勇, 黃席樾, 楊尚罡. 汽車防撞預警系統的研究與發展[J]. 計算機仿真, 2007, 23(12): 239-243.

CHEN Yong, HUAGN Xiyue, YANG Shanggang. Research and development of automotive collision avodance system[J]. Computer Simulation，2007,23(12): 239-243.

[3]禾剛, 譚賢四, 王紅, 等. 三種不同體制雷達的比較[J]. 艦船電子對抗, 2008, 31(1): 82-84.

HE Gang, TAN Xiansi, WANG Hong, et al.Comparison among three kinds of radar with different system[J]. Shipboard Electronic Countermeasure, 2008, 31(1): 82-84.

[4]高香梅, 張鑒. 調頻連續波雷達及其在汽車防撞系統中的應用[J]. 信息技術, 2012(5): 106-108.

GAO Xiangmei，ZHANG Jian. FMCW radar and application in automotive anti-collision systems[J]. Information Technology, 2012(5): 106-108.

[5]GRUBERT J. Fully integrated automotive radar senor with versatile resolution[J]. IEEE MetZ, 2001,49(12): 2560-2566.

[6]VOSSIEK M, VKERSSENBROCK T, HEIDE P. Signal processing methods for millimeter wave FMCW radar with high distance and Doppler resolution[C] // 27th European Microwave Conference.[S.l.]: IEEE Press, 2010: 1127-1132.

[7]STANKWITZ H C, KOSEK M R. Sparse aperture fill for SAR using Super-SVA[C]// Proceedings of the 1996 IEEE National Radar Conference. [S.l.]: IEEE Press, 1996: 70-75.

[8]周啟榮, 黃春琳, 周陽輝. 基于SVA 的步進頻率探地雷達距離旁瓣抑制[J]. 電子設計工程, 2013, 20(21): 48-52.

ZHOU Qirong，HUANG Chunlin, ZHOU Yanghui. Range side-lobe suppressing in stepped-frequency ground penetrating radar based on SVA[J]. Electronic Design Engineering, 2013, 20(21): 48-52.

[9]倪崇, 王巖飛, 徐向輝, 等. 一種基于改進SVA的SAR旁瓣抑制算法[J]. 中國科學：技術科學, 2010, 40(12): 1485-1494.

Ni Chong, Wang Yanfei, Xu Xianghui, et al. A SAR sidelobe suppression algorithm based on modified spatially variant apodization[J]. Science China: Technology Science, 2010,40(12): 1485-1494.

車俐女，1977年生，高級實驗師。研究方向為雷達信號處理。

白云浩男，1990年生，碩士研究生。研究方向為雷達信號處理。

蔣留兵男，1973年生，研究員。研究方向為雷達信號處理。

Implementation of Small High Precision Signal Processing System of Collision Avoidance Radar

CHE Li，BAI Yunhao，JIANG Liubing

(Guangxi Wireless Broadband Communication and Signal Processing Key Laboratory,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004, China)

The implementation approach of small high precision signal processing system of collision avoidance radar is studied directing against the existing problems in domestic automotive anti-collision radar field, and signal processing flow is analyzed in detail and appropriate signal processing methods of radar is determined. System parameters suitable for driving environment are computed combining with the system structure and processing scheme and their effectiveness is verified through system simulation. Under the condition of miniaturization and low cost it is proposed to improve the targets range resolution based on Super-SVA method. It is assured that the detection performance of radar system will not be limited by costs problem. Finally the outfield functional testing with the prototype has been achieved and the feasibility of system scheme is verfied by the analysis results of the test data.

miniaturization; high precision; collision avoidance; Super-SVA

國家自然科學基金項目(61561010)；廣西自然科學基金項目(2013GXNSFAA019323)；廣西科學研究與技術開發計劃項目(桂科攻14122006-6)；廣西教育廳科研立項項目(KY2015LX096)

車俐Email：jlrql@163.com

2016-03-24

2016-05-30

TN959.71

A

1004-7859(2016)07-0032-04

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.07.008