汽车防撞雷达概述

第22卷第4期

2011年12月广西工学院学报广西工学院学报JOURNALOFGUANGXIUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.22No.4第卷Dec.222011文章编号1004-6410（2011）04-0054-05

汽车防撞雷达概述

韩峻峰，张惠敏，潘盛辉，林川

（广西工学院电子信息与控制工程系，广西柳州545006）

摘要：为发挥雷达技术在提高道路交通安全的重要性，总结国内外汽车防撞雷达技术领域的发展情况，介绍了汽车

防撞雷达技术的发展现状及雷达技术在汽车防撞上的应用，以及汽车防撞雷达系统、调制方式及其基本原理，最后对

汽车防撞雷达技术的发展作出了展望.

关键词：汽车防撞；雷达技术；FMCW

中图分类号：U492.8文献标志码：A

0引言

随着汽车工业的不断发展和汽车数量的快速增加，汽车相撞事故频繁发生.研究表明：如果驾驶员在碰撞危险出现的0．5s前得到预警，就可避免至少60％的追尾撞车事故，30％的迎面撞车事故和50％的路面相关事故；若有1s钟的预警时间，则可避免90％的事故［1-2］；因此，研究如何利用汽车防撞雷达的先进避撞技术，减少汽车相撞事故的发生，对道路交通的安全行车具有重要意义.

本文通过对汽车防撞雷达技术研究从不同方面进行了综述.阐述了雷达技术在汽车防撞方面的可行性研究，提出了雷达技术与数字硬件［3］结合在参数方面能满足产品的要求，对汽车防撞雷达技术的研究具有一定的参考价值.

1国内外发展情况

随着各种电子设备和技术的不断成熟，汽车防撞雷达的研究阶段表现各不相同.

从60年代至70年代末，因微波理论及其器件集成水平低，系统硬件成本高，对于防撞雷达系统的性能要求没有客观的标准，因而各国研制出的防撞雷达样机应用效果差.从80年代中期至今，随着微波技术理论［4］及其集成电路工艺制造技术的高速发展，以及微波处理器性价比的突飞猛进，使得研制出低成本、高性能的汽车防撞雷达成为可能.

进入90年代以后，德国在开发研究汽车防撞雷达技术领域方面有所突破.如奔驰汽车公司和英国劳伦斯电子公司联合研制的汽车防撞雷达，工作频率为35GHz，探测距离为150m，信号处理系统可以计算出前方车辆或障碍物的距离及相对速度，并根据本车速度计算出必要的安全距离，当两车距离小于计算的安全距离时，雷达系统通过灯光和声音发出报警信号.该装置已安装在小汽车、客车和卡车上试用多年，性能良好.另外，日本在先进安全车辆控制与安全系统方面的研究比较早，主要代表是由EatonVORADTechnologies公司设计的60GHz的汽车防撞雷达，工作体制为FMCW，频带宽度为150MHz，作用距离为120m，可以分辨前方汽车的距离速度和角度，判断是否有碰撞的危险，若有危险，可向司机发出警报信号和自动校正汽车行驶方向.以美国汽车防撞技术为主要代表性的Eaton公司研制出EVT－300防碰撞报警雷达系统［2，5］，该系统通过单脉冲雷达实时监控行驶环境，可同时跟踪多达20个目标［4］，但它只报告同一车道上的危险目标.如果出现危险情况，雷达系统根据目标距离的不同分别用不同的声音和光信号进行报警.

由于受经济、技术发展的制约，国内对汽车雷达的研究尚处于起步阶段.车用防撞系统的研制水平相比收稿日期：2010-06-28

基金项目：广西科学基金项目（桂科自0832066，桂科青0991012）资助.

作者简介：韩峻峰，博士，教授，研究方向：智能信息处理与智能控制,E－mail：hanjf＠139．com.

第4期韩峻峰等：汽车防撞雷达概述55于国外仍然较低.但国内微电子和毫米波技术的发展已相当成熟，有多家研究机构正在进行毫米波天线和收发组件的研究［2］.喇叭天线和波导结构收发前端已进入实用化阶段，为汽车毫米波雷达的研究奠定了基础.平面天线和前端集成化研究已经展开.而且数字处理技术的飞速发展也为复杂信号的处理和噪声的抑制提供了强大的支持.

中国科学院上海微系统所研制出的毫米波雷达系统［2］具有重量轻、体积小和全天候等特点，工作频率为35GHz，测距范围＞100m，测速范围＞100km／h，采用了先进的DSP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38GHz毫米波技术和高速DSP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20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1％，最小作用距离为1m.2005年，微系统所在国内首次研制出24GHz全芯片集成的小型防撞雷达，其中关键雷达前端芯片MMIC混频器和MMICVCO也是国内首次研制成功，其芯片采用国际先进的GaAsx25um工艺加工，拥有独立的知识产权.

总体来说，目前国内雷达技术上还不够成熟，没有研制出可供装车使用的产品［6］，各方面的研究还需下功夫，以期拉近与国外雷达技术的差距.

2雷达技术在汽车上的应用

在汽车防撞技术的应用方面有雷达、超声波、红外、激光以及视频等，通过比较，雷达具有如下优点：能够适应雨、雾、雪、强光等不良天气［7］,也能适应杂音、污染等环境，并能在这些恶劣环境中稳定工作；其抗干扰性能较强，辐射能量能够保证在相对合理的范围内；拥有较好的相对速度感应，在探测距离、速度、方向等各参数方面的精度较高；采用平面天线阵列［8］及高频器件体积较小，适于安装在汽车装置系统上.

在实际应用中，按照安装位置和防护避让的目标不同可分为前视雷达、侧视雷达、后视雷达.汽车防撞雷达，其具有探测距离相对较远［9］；探测方位角为十几度或更小；适用于运动目标的探测.

3汽车防撞雷达系统

汽车防撞雷达通过探测静止或运动目标的距离，速度和方向等［10］，当有危险目标时，雷达系统即通过报警方式使司机及时做出反应，从而达到有效减少事故的发生，保证了交通安全的正常运行.

3．1汽车防撞雷达系统介绍

汽车防撞雷达系统组成包括天线，信号源，混频输出，信号收发，

天线信号处理和报警6部分［11］.如图1所示.

汽车雷达系统采用高效率的微带阵列天线［3，9，12］，天线由直线微

带线馈送和矩形辐射单元组成，为了得到低线损的馈入，直接将其与

无分频器和阻抗变压器的微带线拐角处连接.该天线的效率及增益比

一般的毫米波微带阵列天线高［13］信号收发信号源报警.混频器信号处理

雷达信号的产生为VCO（压控振荡器）发出经三角调制或锯齿波图1汽车防撞雷达系统调制，频率随时间变化的调频连续波，一路进入混频器作为本振信号，一路经发射天线向外辐射.前方有障碍物的时候，目标回波被接收天线接收形成回波信号，本振信号与回波信号经射频前置放大进入混频器，混频器输出一个频率较低的中频信号［14-15］.此信号包含了障碍物和雷达天线之间的目标距离和速度信息.中频信号再经过放大，高通或带通滤波器，滤掉调制信号及其他干扰和噪声，将滤波后的信号经AD转换后送入DSP处理装置，即可分析得到目标的距离和速度信息.

信号后端处理采样可以采用脉冲压缩［16-17］等技术或者提高FFT（快速傅立叶变换）采样点数来提高距离测量时的测距精度，频率的测量可以通过取消未定义区域和计算零交叉来测量.但这仅包含一个反射物体时可行，一旦天线方向图中存在多个物体，则接收到的各目标差频将相互叠加；因此，在多个目标的情况下，可用FFT对数字信号进行分析.

56广西工学院学报第22卷汽车防撞雷达系统的功能是在危险的情况下系统通过发出声光报警信号来提醒司机注意安全.司机可以通过显示器来获得目标距离和速度等相关信息.

3．2汽车防撞雷达的调制方式

汽车防撞雷达所采用的调制方式有简单矩形脉冲雷达，a

脉冲压缩雷达和调频连续波雷达3种调制方式.其调制波形

如图2中a，b，c所示［18］.

简单矩形脉冲雷达的特点为在脉冲期间载波频率恒定

不变；脉冲压缩主要是为了达到高平均发射功率及高效距离

分辨力，并使雷达所接收到杂波量小.其特点为在脉冲期间载

波频率线性递增，测距精度高，但技术复杂度高；调频连续波

雷达系统利用在时间上改变发射信号的频率并测量接收信

号相对于发射信号的频率的方法来测定目标距离.调频连续

波雷达在整个周期内载波频率为递增或递减.cb（a）简单矩形脉冲雷达调制波形（b）脉冲压缩雷达调制波形（c）调频连续波雷达调制波形汽车防撞雷达的调制方式一般有脉冲多普勒和连续波两种方式.脉冲多普勒方式的特点为适合长距离探测，发射峰值功率［4，19］大，测量多目标困难.连续波方式可分为恒频连续波、FSK（频移键控）、PSK（编码调相连续波）和LFMCW（线性调频连续波）等.

3．3汽车防撞雷达的基本原理

汽车防撞雷达的原理有FMCW雷达、CW多普勒雷达等方式，线性FMCW（frequencymodulationcon-tinuouswave）雷达结构简单，比较适宜测量近距离目标，故作fftransmit为目前车用防撞雷达［20］的普遍选择方式.fDfreceive3．3．1FMCW雷达

1）对静态物体进行距离测量的FMCW雷达

对于测量静态物体到传感器的距离，选用线性升坡或降

坡作为发射频率的时间相关函数.图3是带有锯齿形调制方

案的FMCW雷达发射和接收信号的时间相关曲线.

发射频率曲线（实线）与接收频率曲线（虚线）的唯一区别

是时间延迟.如图3在某一时刻t0时的瞬时接收信号，其频率

低于瞬时发射频率，原因是传感器［21］t0t图3FMCW雷达发射和接收信号的时间曲线freceive为雷达接收信号的频率.注：fD为差频；ftransmit为雷达发射信号的频率；

在同一时刻的发射频率

已经升高.如果在混频器中混合发射信号和接收信号，就会生成一个恒定的差频信号，其中包含所需的距离信息.此频率越高，目标的距离越远.目标距离与差频的关系如式（1）所示，

fR=cT2△f

式中，fD为差频；△f为振荡器发射频率的变化范围；T

为锯齿重复周期；R为目标的距离；c0为光速.（1）2）对运动物体的距离和速度同步测量的FMCW雷达

对于一个运动物体，若速度和距离待定，则其目标距

离和速度信息可由多普勒效应和时间延迟效应叠加产生.

通过选用一个三角函数，解带有两个未知数的两个方

程式，就可以计算出R（距离）和V（速度）.图4显示了在被

散射物体反射后，用三角调制微波信号的发射和接收［22］情

况.

如图4，在上坡区域，延迟效应与多普勒效应相互抵

消；在下坡区域，这两种效应相互叠加.由此可计算出三角图4△t-传播引起的延迟未定义区域△f-多普勒效应引起的移频三角波调制FMCW雷达发射和接收信号频率的时间相关图注：ftransmit为雷达发射信号频率；freceive为雷达接收信号频率；fdiff＿up为三角调制信号上升部分的接收信号差

频；fdiff＿down三角调制信号下降部分的接收信号差频.

第4期韩峻峰等：汽车防撞雷达概述57调制信号升、降部分的接收信号差频.由此可得到速度V的计算公式如式（2）所示，

·（fdiff＿up+fdiff＿down）v=c0

·0

以及可得到距离R的计算公式如式（3）所示，

（·c0T）R=·（4△f）（2）（3）

如上所述，部分雷达参数可由雷达本身的操作参数得到，但频率fdiff＿up和fdiff＿down必须在雷达操作过程中测量.如图4所示存在一个相交区域，其中无fdiff＿up和fdiff＿down的恒定值，因此此部分不能作为真正的频率测量.在这些升坡和降坡区域，可形成恒定差频，其独立的频率可在可用的时间窗口中测量.

3．3．2CW多普勒雷达

多普勒频率与目标速度的对应关系如式（4）所示：

（4）fD=2f0cosαc0

式中，fD为多普勒频差频；f0为雷达的发射频率；v为运动物体的速度范围；c0为光速；α为运动的实际方向与传感器－目标连线之间的角度.

将24GHz选定为发射频率，通过公式（4），可以计算出期望的多普勒频率［23-25］以及预测的中频信号放大器的通带，并得到多普勒频率与径向运动速度的对应关系.

运动方向的识别，经过参考信号与回波信号的混频，双通道传感器输出两个频率幅度相同、相位差为90°的中频信号，根据90°相位引导的信号类型，可识别物体的运动方向（远离或靠近）.

4结束语

从以上论述可以得出，国外在汽车防撞雷达技术方面的研究已实现产品化.随着科学技术的迅猛发展，面对我国的道路交通，车辆运输，人口等情况的不断更新而出现的各类问题，迫切需要提出一种装置能够实现高效率，低价格，高准确度，性能良好，轻便，且探测距离能够达到要求的产品.而汽车防撞雷达技术正是能满足这一要求的装置［26-29］.

就目前而言，将雷达技术与数字硬件结合应用于汽车防撞，该系统在性能，尺寸，价格和高更新率等方面能满足产品的主要参数要求.在国内已经发展起来，并且在高速公路方面的探测结果也能得到满意的结果［30-31］.但是，该系统要获得高精确稳定的结果，数据融合处理［3］将是完成整个过程的重要组成部分；因此，更可靠、更稳定的探测结果需要不断去软件仿真、实车测试，才能更好的应用于道路交通.高科技技术将渗透汽车防撞雷达技术，这一过程的实现需要专家不断深入的研究.

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ReviewofAutomotiveAnti-collisionRadarTechnology

HANJun-feng，ZHANGHui-min，PANSheng-hui，LINChuan

（DepartmentofInformationandControlEngineering，GuangxiUniversityofTechnology，Liuzhou545006，China）Abstract：Radartechnologyplaysanimportantpartintheimprovingroadsafety．Itissummarizedforareviewofautomotiveanti-collisionradartechnology．Thedevelopmentofradartechnologyanditsapplicationinautomotiveanti-collisionsystemarebrieflyintroduced．Andtheautomotivecollisionavoidanceradarsystems，modulationmodeanditsbasicprinciplesaredescribed．Finally，itgivesanexpectationforthedevelopmentofautomotiveanti-collisionradartechnology．

Keywords：automotivecollision；radartechnology；FMCW

（责任编辑李捷）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/a1k4.html