來源：微計算機信息，作者：鮑吉龍；應延治；趙洪霞；沙濟彰

一．引言

隨著汽車工業和高速高架公路的飛速發展，汽車撞車事故也隨之日益嚴重，汽車防撞報警是迫切需要解決的問題。歐洲的一項研究表明：駕駛員只要在有碰撞危險的0.5秒前得到預警，就可以避免至少60％的追尾撞車事故，30％的迎面撞車事故和50％的路面相關事故;若有1秒鐘的“預警”時間，則可避免90％的事故。若在夜、雨、雪、霧等的惡劣天氣的條件下，能見度低，司機視距小，汽車中、高速行駛時，很難及時發現前方障礙物并采取必要的措施。從經濟方面來說，我國的橋梁、高速公路的運行受天氣條件影響較大，為保證車輛運行的安全，遇到惡劣天氣時以限制車速或關閉來達到安全的目的，這樣毫無疑問將影響道路的通過能力，除造成巨大的經濟損失外，使本來就擁擠的道路更加阻塞。近幾十年來，美、日、西歐等國家的多家汽車公司投入巨資，先后研究成功了24GHZ，60GHZ，76.5GHZ的單脈沖和調制連續波兩種體制的雷達系統。這兩種體制的雷達系統已經在國外的一些汽車公司的高檔轎車中應用，但由于其成本高昂而未得到廣泛的應用。近年來，價格低廉的高性能DSP芯片的出現極大的推動了汽車防撞雷達技術研究，使汽車防撞雷達系統在普通汽車中的實現和普及成為可能。

由于受經濟技術發展水平等因素的影響，我國在汽車防撞技術上的研究起步較晚，因此，相對于國外的防撞研究水平，我國的車用防撞系統的研制水平仍然較低。但這方面的研究已得到業界的高度重視。本文簡要介紹和比較汽車防撞的幾種探測方式，重點介紹雷達的工作原理。在此基礎上，提出了一種基于DSP的FMCW防撞雷達設計方案，實現FMCW雷達低成本，高精度的測距測速功能，具體介紹了DSP在系統中的作用。

二．汽車防撞的幾種探測方式

目前汽車防撞系統按目標探測方式主要有激光、超聲波、紅外等一些測量方法，不同的目標探測方式其工作過程和原理有不同之處，但它們的主要目的都是通過前方返回的探測信息判斷前方車輛和本車間的相對距離，并根據兩車間的危險性程度做出相應的預防措施。下面對不同的探測方法進行介紹和比較。

1．激光方式

激光具有高單色性，高方向性和相干性好等特點，因此激光波束近似直線性，很少擴散，波速能量集中，傳輸距離遠。汽車防撞采用激光探測技術時，其工作原理為：首先利用本車裝備的激光雷達發射激光束照射到前車的反光鏡，然后檢測反射回來的激光速的到達時間，根據激光束從發射到返回的時間差來判斷兩車的距離。

激光測距的測量精度很高，技術上已經有了很大的進步。但是，在汽車防撞領域，激光測距的應用具有局限性，主要是因為激光測距方式受天氣狀態、汽車的震動及反射鏡表面磨損、污染等因素影響較大，測距精度難以保證。所以在汽車防撞領域激光測距方式沒有得到發展。

2．超聲波方式

超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸的基本物理特性——反射、折射、干涉等等，超聲波測距就是利用其反射特性，工作原理和聲納回聲定位的原理基本相同。超聲波發射器不斷發射出某一頻率的超聲波，遇到被測物體后反射，當超聲波接收器接受到反射信號，將其轉變為電信號，測出發射波和反射波的時間差，根據聲速即可求得距離。但是超聲波測距的最大問題就是探測距離短，而且天氣狀態對它影響很大，所以超聲波測距主要運用于倒車雷達等近距離測距。

3．紅外線方式

紅外線測距和激光、超聲波測距在原理上基本相同，均是根據發射波和反射時間來判斷目標的距離，紅外線測距在技術上難度不大，構成的測距系統成本低廉，但是在惡劣的天氣和長距離探測方面仍然不能滿足汽車防撞的要求。

4．毫米波方式

毫米波是指波長介于1～10mm之間的電磁波，毫米波雷達測距在原理上和以上幾種測距方式類似，但它克服了其他幾種探測方式在汽車防撞運用中的缺點。

毫米波雷達的主要特征有：

1） 穩定的探測性能。不受被測物體表面形狀、顏色等的影響；對大氣紊流、氣渦等具

有適應性。

2） 良好的環境適應性。毫米波雷達的穿透能力很強，其測距精度受雨、雪、霧及陽光

等天氣因素和雜音、污染等環境的影響較小，可以保證車輛在任何天氣下的正常運行。

從以上比較可以明顯看出毫米波雷達比其他方式有更大的優越性，能夠適應汽車防撞系統的要求。同時，更令人感興趣的是，毫米波雷達不僅可以測量目標距離，而且還可以測量目標物體的相對速度及方位角等參數，使汽車在惡劣氣候條件下實現盲行成為可能。此外，在相同的測量條件下毫米波雷達結構簡單、分辨率高、天線部件尺寸小。

三．雷達目標探測的工作原理

根據測距原理的不同，毫米波雷達測距有脈沖雷達和調頻連續波（FMCW）雷達兩種。

1． 脈沖雷達

脈沖測距的原理（如圖1所示）是通過判斷發射脈沖信號與目標反射脈沖信號之間的時間差τ，結合毫米波的傳播速度，計算兩車的間距R［3］。

脈沖測距方式原理雖然簡單，主要是判斷發射信號和反射信號之間的時間差，但是在具體的技術實現上存在一定的難度。主要問題在于：對于脈沖雷達系統，當目標距離很近時，發射脈沖和接收脈沖之間的時間差非常小，這就要求系統采用高速信號處理技術，從而使近距離測距變得十分復雜，成本也大幅上升。因此該方式實用性不強。

2. 調頻連續波（FMCW）雷達

與脈沖雷達相比，FMCW具有所需發送功率低，信號處理復雜程度低及成本低廉的顯著優點。目前在汽車防撞研究中得到廣泛的應用和研究。因此，本文將重點介紹調頻連續波（FMCW）雷達。

1）測距原理

雷達系統通過天線向外發射一列連續調頻毫米波，并接收目標的反射信號。發射波的頻率隨時間按調制電壓的規律變化。反射波與發射波的形狀相同，只是在時間上有一個延遲τ，τ與目標距離R的關系同樣可用式（1）表示。

2）測速原理

如果反射信號來自一個相對運動的目標，則反射信號中包括一個由目標的相對運動所引起的多普勒頻移fd。

根據多普勒原理，目標的相對運動速度可用式（2）表示：

四．基于DSP的汽車防撞探測技術

車載微波探測雷達設計的目的就是及早探測到路況復雜、能見度差的地段上有潛在的危險目標，將測得的信息轉換為指令，為駕駛員提供減速、制動、轉向、停車等警示信息。由于車輛行駛過程中雷達接收的信號十分復雜，包含多種雜波成分，需要進行大量復雜的數字信號處理運算，對雷達視域內的多個目標進行檢測、分類、識別、跟蹤，同時報警，所以考慮采用高性價比的DSP芯片來完成。該系統可分為兩個部分組成：FMCW前端和DSP單元。FMCW前端將安裝在車輛的外面，DSP單元則安裝在駕駛員旁邊，兩者用隱蔽的電線相連，不影響車輛的性能和外觀，方便實用。

整個系統框圖如圖2所示：

1．信號發射/接收單元

壓控振蕩器（VCO）在DSP編碼產生的三角波電壓控制下，產生調頻連續波信號經天線向外輻射。由于本系統利用雷達回波信號來測量距離和速度，對發射信號的頻率穩定性和線性度要求很高，因此采用集成微波組件作為發射/接收單元。回波信號與發射波信號進行混頻，得到中頻差拍信號并輸出。

2．回波信號放大、濾波單元

由于發射/接收單元的發射功率較小，當信號在空中傳播時，能量減弱的很快，到達目標并反射的雷達回波信號功率非常小，需要進行足夠的放大才能進行后續處理。因此回波信號先經過高增益對數放大器進行放大，再經過隔離、濾波、放大后送至A/D轉換器。

3．A/D轉換單元

DSP系統只能對數字信號進行處理。因此，要對模擬信號進行A/D轉換，即在規定的時間內把模擬信號在時刻t的幅度值轉為一個相應的數據，再把數據送到DSP進行處理。

4．DSP模塊

1）DSP產生調制信號使VCO工作，產生調頻連續波信號向外輻射。調制信號是一系列三角波。如圖3所示：

上圖表示的是理想的三角波，最大幅度是5V，周期為1000μS。但是實際直線性并不理想，可以采用一些平滑的方法來改善調制信號的直線性。

2）VCO經調制向外發射的是一系列三角波，回波信號也是三角波，兩者關系如圖4所示：

3）確定信號的頻率及對信號進行頻譜分析。信號的頻譜分析主要有FFT法和非FFT法，所謂FFT法，就是對被分析的信號進行傅立葉變換，將其從時域變換到頻域，在頻域進行分析，必要時再通過傅立葉逆變換，變回時域的分析方法。而非FFT變換方法則是通過其他的途徑，獲得信號的頻率參數，如最大熵法，各有特點。綜合考慮方法的實時性，復雜性，穩定性，對于汽車雷達而言，應首選FFT法，而且對于DSP來說，FFT法比較成熟，更容易實現。

4）DSP通過控制步進電機來控制天線的掃描，從而可以得到障礙物相對于雷達的方位信息。天線的掃描不是360度，而是根據給定的角度，不停的從左到右，再從右到左不斷循環。

DSP通過一個方波信號來控制掃描方向，方波信號是高電平的時候從左向右掃描，低電平的時候從右向左掃描。而DSP通過另一個有延遲的方波信號來確定天線掃描的位置，高電平表示在右邊區域，低電平表示在左邊區域。

5．顯示報警模塊

將數據處理結果顯示在LED上，給駕駛員提供信息，當障礙物距離超過危險距離時，通過發光二極管報警，使駕駛員能夠及時采取措施，防止事故的發生。

五．結束語

隨著智能交通系統研究的不斷發展，汽車巡航控制和防撞控制領域會需要越來越多的雷達傳感器，FMCW體制的毫米波雷達則是最具潛力的一種，特別是隨著DSP的發展，將DSP應用在FMCW雷達中，將促進它的發展。

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