針對汽車防撞雷達的信號處理

馬蕾 趙雨虹

摘要 當今，汽車雷達技術的應用范圍很廣泛，它不僅能在防撞系統中使用，還能在自適應巡航控制系統和無人駕駛系統中得到應用，這證明了雷達技術具有很高的研究價值。與其它技術相比，微波防撞雷達具有非同尋常的優點，我們將在后文中進行詳細說明其具有的適應性強、范圍寬、精準度高以及反應速度快等優點。經過前人長期的研究與發展，防撞雷達及其相應的信號處理技術也逐漸成為這一領域的研究熱點，理論和技術的發展也都越來越成熟。我們將從汽車防撞雷達的現狀以及雷達網絡系統構造等方面進行簡要的論述，在已有研究成果的基礎上，探索雷達信號技術的應用前景和發展方向。

【關鍵詞】汽車防撞雷達 信號研究 雷達網絡系統

1 研究背景與意義

長久以來，交通安全問題都是一個關注度頗高的話題，因為每年都有很多交通事故發生。近年來，國家部門針對交通安全問題的法律法規也在不斷完善，交通事故的總體發生數量在不斷縮小，但是縮小的幅度并不明顯，總體交通事故的數量依然不容樂觀。另外，交通事故引起的人員傷亡和財物損失也是不能忽視的。根據相關的數據資料研究可以看出，超過百分之八十的交通事故是由于駕駛員無法及時反應或在判斷問題上出現失誤造成的。尤其是在汽車碰撞和追尾的交通事故中，事故發生的部分原因是由于天氣或其他原因使駕駛員無法明確前方是否存在障礙物，而更多情況下是因為駕駛員針對危險情況沒有時間進行安全防范。因此，單單從交通安全宣傳層面上降低交通事故的效果是極其有限的。我們應從源頭考慮，并從技術層面上著手處理這類問題。如果某種設備可以預先感知到汽車前方的危險情況并提醒駕駛員，或汽車自行采取相應的安全舉措，這樣就可以有效杜絕汽車碰撞和追尾交通事故的發生。本文就是基于這種汽車防撞雷達，對信號處理的方式進行研究。

2 汽車防撞雷達的研究現狀

當前，想要提升汽車行駛的安全性，汽車防撞雷達是必不可少的存在。通過系統的雷達信號對目標進行觀察，接收并分析目標所反饋的信號，可以獲得目標的地理位置、速度以及準確方位。根據目標信息，系統可以協助駕駛員完成針對危險的預判，有效提升行車安全。同時，汽車雷達還可以應用于車道變換輔助系統和盲點檢測系統，在車輛變道時對周圍車輛情況進行探測，可以對駕駛者看不到的視野盲區進行探測和預警，可見汽車防撞雷達系統是一種廣泛應用于車輛安全系統的關鍵技術。在智能汽車科研領域，如果缺少汽車防撞雷達，汽車無人駕駛功能也只是空想。因此，對車輛防撞雷達及其相應的信號系統進行研究有著長遠的意義。

現階段，汽車防撞雷達中用于探測的信號包括激光、紅外、超聲波和微波信號四種。激光具有測量距離長的優點，同時也表現出高精度的特點。但是激光信號在近距離測量中表現出嚴重的不足，因為需要特殊的光學窗口，因此探測面小，且設備探測空容易被灰塵和污物堵住，對探測效果造成嚴重影響。相比而言，紅外線探測在近距離測量中具有優勢，而他的缺點也很明顯，因為紅外信號受溫度變化的干擾嚴重，也會受到探測目標顏色變化的影響。超聲波信號的特點是適合三米內的較短距離測量工作，在倒車雷達中有廣泛的應用，但是響應速度較慢，而且也和紅外信號一樣，容易受到溫度變化的影響。而微波雷達的出現，使我們看到了希望，微波雷達能夠克服惡劣天氣，對環境的依賴程度很低，能夠在各種環境條件下穩定工作，微波的自身性質也決定了微波雷達有反應速度快的優勢。因此，微波雷達在未來汽車防撞雷達發展趨勢中必定占據主流市場。此外，微波雷達在車輛防撞系統中的應用逐漸受到高校、科研院所的重視，這也將成為未來研究的熱點。

3 汽車防撞雷達信號處理概述

3.1 微波信號雷達概述

微波信號雷達在許多領域都有應用，實踐中的應用技術也有較成熟的發展，具有扎實的理論基礎，信號處理的方式也很多。但并不是所有的信號處理方式都能適用于汽車防撞雷達的研究，在此之前我們需要結合汽車防撞雷達在實際應用中的狀況，對微波信號進行更加深入的研究，對雷達信號的適用性進行研究，進而探索信號的處理方式和雷達網絡系統的構造。汽車雷達信號具有連續性的特點，從分析可以看出，汽車領域的防撞雷達主要有兩種，脈沖型雷達和連續波型雷達。在脈沖雷達中，可以共用其收發信號的天線，在信號收發和轉換過程中會存在一定的時間差，這會使雷達在探測距離方面將存在盲區。而在連續波雷達中具有獨立的收發天線，發射和接收信號所使用的設備可以同時工作，發射出的信號波在到達目標時會產生延時，這可以在一定程度上抵消脈沖雷達本身所具有的誤差。因此，在汽車防撞雷達的應用領域，更多的采用連續波雷達。從汽車防撞雷達信號的波形我們可以發現，汽車防撞雷達信號可以采用調頻或者連續波。連續波在測量物體速度方面具有優勢，而在測量物體距離上存在不足。而線性連續波在測試過程中能夠兼顧物體的速度和距離，雷達探測信號模式的選擇也很簡單，在應用實踐中的發展也相對成熟，因此在防撞雷達的研究和應用領域占據著主流的地位。

3.2 雷達信號處理的干擾因素

雷達接收的信號為隨機信號，經過混頻之后的信號也具有隨機性。混頻之后的信號中不僅包含隨機目標的信號，還包括其它范圍內的噪聲信號，因此會對后續的測頻工作造成巨大的障礙。在實踐應用過程中，這種信號的發送和接收方式本身有其復雜性和專業性，不容易理解，因此需要對相關技術理論進行研究，以汽車防撞雷達信號處理為目標，研究信號處理方式和雷達網絡系統的結構。

在雷達接收到的信號中，除了接收機內部的運行產生的熱噪聲會對信號造成干擾外，信號還可能會受到地雜波、氣象雜波等外界環境的干擾。不同的環境會對雷達信號造成不同程度的干擾，在進行雷達探測和接收時使用的方法也有所差別。雜波干擾信號的強度較大，區域性特征明顯。雜波干擾信號經過處理之后，其頻帶往往只占據接收機中頻帶顯示較寬的一部分。對于這種情況，雷達對于雜波干擾信號不能簡單作為其他探測雷達獨立信號的疊加。因為可以從雷達發射信號的頻率上做出區分。因此，對于這類雷達的噪聲與雜波信號疊加形成的干擾因素非常復雜。

4 汽車防撞雷達的信號網絡系統

4.1 雷達信號網絡系統構成

在汽車雷達的實踐應用過程中，由于道路的復制性，車輛前方目標也會相應的呈現出多樣性等特定，要在復雜的道路狀況中完成對汽車前方多目標的觀測，對雷達信號及時跟蹤有一定的難度，不能僅利用單一雷達對目標發射探測信號。針對這種情況，雷達網絡系統結構具有其特殊的優勢。理論上可以看出，雷達網絡系統包含多種構成模式，其中集中式和分布式的應用范圍很廣，在實踐中表現出良好的適應性，而混合式和多級式的結構模式具有新興技術特點，可以應對更多實踐中出現的復雜情況。在汽車防撞雷達應用較多的集中式雷達系統中我們可以發現，首先通過目標觀測的時間先后順序可以完成對測量點的分類，合理的進行時間順序上的融合處理。在完成時間因素的設置之后，可以通過對處于同一探測時間的多個雷達進行空間范圍上的分布安排，進行空間融合處理，這一過程包括了雷達網絡系統對目標進行綜合跟蹤的全面記錄，同時也體現了雷達探測系統對目標狀態特點的全過程捕捉和記錄。這種分布式的雷達網絡系統可以在各個雷達按照系統預先設定完成觀測程序之后，將信號反饋數據傳送到汽車中心控制系統，然后由中心控制系統把接收到的雷達信號進行合理的整合，對雷達探測到的外界環境進行推測。如今的混合式和多級式雷達也是在這兩種方式基礎上的發展。這種由四個雷達構成的分布式網絡結構如圖1所示。

4.2 雷達信號網絡系統的優勢

同集中式雷達系統相比，分布式機構具有造價低、可靠性高等特點，并且擁有與之相當的性能。汽車雷達信號網絡系統的目標是基于各傳感器分離觀測信息，通過對信息的優化組合導出更多的有效信息。這是最佳的信號處理方式，它的最終目的是利用多個傳感器共同或聯合操作的優勢，來提高整個傳感器系統的有效性。在汽車雷達系統所工作的復雜環境中，要獲得前方多目標的距離測量和跟蹤，只有通過對來自多個雷達所提供的數據進行數據融合處理，才能獲得滿意的結果。與單個雷達相比，雷達網絡系統的復雜性大大增加，由此會產生一些不利因素，如成本的提高和設備尺寸以及功耗的增大。但是總的說來，雷達網絡系統有著單個雷達不可比擬的優勢。主要表現為系統應用能力和使用壽命的增加，在有部分雷達不能利用或受到干擾，或某個目標不在覆蓋范圍時，總還會有一部分雷達可以提供信息，使系統能夠不受干擾繼續運行，這樣可以使檢測概率大大增加。同時信號網絡系統實現了空間覆蓋范圍的拓展，因為多個雷達交疊覆蓋的作用方式，空間覆蓋范圍得到擴大，部分雷達可以探測其他雷達所無法探測的地方，進而增加了系統的監測范圍和有效性。此外，信號網絡系統也增加了雷達系統的整體可信度，多個雷達的配合工作能夠同時確認同一目標，在空間分辨力方面也有所提高，多個雷達可以獲得比任何單一雷達更高的分辨力，多雷達相互配合使用，具有內在的容錯率，這也在一定程度上改善了系統的可靠性。

5 結論與展望

綜上所述，汽車防撞微波雷達在信號處理方面，相比其他技術的防撞雷達具有環境適應能力強，測量范圍廣，精度高，響應時間快等特點。一直以來它都是各企業單位、科研院所的研究熱點。汽車雷達作為一種可行的輔助裝置，需要同時對多個目標實現高分辨測距、以及范圍監測，而且有成本低、體積小的特點。由于汽車雷達一般安裝在距離地面一米左右的高度，地雜波的影響很大，這一點有待提高，除此以外，道路上除了車輛外，各種交通標志及路邊行人、樹木都增加了有用目標檢測的難度，對未來的研究工作提出了新的挑戰。

展望未來，需要做的工作主要是在信號處理功能實現的基礎上降低成本。隨著集成度和軟件設計性能的不斷提高，在具體設計時可以考慮采用合適的技術來實現信號處理部分。另外，任何一種傳感器都不是萬能的，汽車安全設計還需要對信號處理的手段進行探索和優化，這樣能得到更為滿意的結果。

參考文獻

[1]王秀春.汽車防撞雷達的發展前景[J].江蘇交通，2003 （03）.

[2]劉昭度，何瑋，張景波車用測距雷達研究進展[J].傳感器與微系統，2006.

[3]張建輝，劉國歲，顧紅，蘇衛民.編碼步進調頻連續波信號在汽車防撞雷達中的應用[J].電子學報，2001（07）.

[4]陳伯孝.現代雷達系統分析與設計[M].西安：西安電子科技大學出版，2012.

[5]承德寶.雷達原理[M].北京：國防工業出版社，2008.

[6]張明友，汪學剛，雷達系統（第三版）[M].北京：電子工業出版社，2011.

[7]王文欽，防撞雷達關鍵技術研究[D]，成都：電子科技大學，2005.