汽車雷達在汽車的自適應(yīng)巡航系統(tǒng)中的應(yīng)用原理，F(xiàn)MCW

隨著人們對汽車駕駛過程當中安全性、舒適性要求的不斷提高，汽車雷達被廣泛的應(yīng)用在汽車的自適應(yīng)巡航系統(tǒng)，防碰撞系統(tǒng)以及駕駛支援系統(tǒng)中。其中，毫米波雷達因探測精度高、硬件體積小和不受惡劣天氣影響等優(yōu)點而被廣泛采用。

但是傳統(tǒng)的單一雷達傳感器還是存在著諸如探測范圍小、可靠性低等缺點。特別是在復(fù)雜的行駛狀況下，并線、移線、轉(zhuǎn)彎、上下坡以及道路兩旁的靜態(tài)護欄、標志牌、行人都會使得雷達對主目標的識別十分困難，誤報率很高。

要想完全解決好雷達的誤報問題，還需要采取多傳感器之間的信息融合技術(shù)。通過將各種雷達傳感器集成在一起構(gòu)成的一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)綜合了各種傳感器的優(yōu)勢，實現(xiàn)了信息分析、綜合和平衡，利用數(shù)據(jù)間的冗余性和互補特性進行容錯處理，克服了單一傳感器可靠性低、有效探測范圍小等缺點，有效地降低了雷達的誤報率。由此構(gòu)成的新的、高精度的傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠極大地改善汽車雷達網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能。

雷達網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成原理

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圖1所示的雷達網(wǎng)絡(luò)由四個等距離分布在安全杠上的近距離毫米波雷達傳感器

（Neardistancesensor，NDS）構(gòu)成，每個雷達傳感器均采用FMCW體制。該傳感器網(wǎng)絡(luò)可在35米的范圍內(nèi)實現(xiàn)水平方位角為120°的覆蓋面。這種近距離、大覆蓋面的雷達傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在車速不高，路面狀況比較復(fù)雜的情況下（例如市內(nèi)交通），監(jiān)控汽車前向較大范圍內(nèi)的目標。

如果需要遠距離探測，可以在安全杠中間增加一個遠距離雷達傳感器。隨著77GHz汽車雷達傳感器技術(shù)的成熟，近/遠距離雷達傳感器都傾向于采用77GHzMMIC（毫米波集成電路）技術(shù)實現(xiàn)，采用這種技術(shù)容易做出一體化的設(shè)計方案，使收發(fā)模塊的成本大為降低。

在圖2所示傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖中，基于77GHzMMIC技術(shù)的雷達傳感器是構(gòu)成汽車雷達網(wǎng)絡(luò)的前端關(guān)鍵硬件，后端的信息處理需要用數(shù)字信號處理器等高速運算單元來完成。傳感器、數(shù)字信號處理單元以及數(shù)據(jù)融合決策系統(tǒng)之間采用以太網(wǎng)、高速串行連接的方式傳送數(shù)據(jù)，以滿足高數(shù)據(jù)率的傳輸要求。

數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)采用分布式體系結(jié)構(gòu)，即每個近距離傳感器對獲得的回波信號先進行局部處理，然后送入融合中心進行融合以獲得目標的方位、速度信息。控制器是整個雷達網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最終決策機構(gòu)，它負責識別目標的距離和速度信息是否對行車安全構(gòu)成威脅，并通過聲光的形式提示駕駛員或者直接作用于車載控制系統(tǒng)加以調(diào)整。

圖2雷達網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

汽車雷達網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)解決方案

與單個雷達傳感器相比，多傳感器組網(wǎng)的優(yōu)勢在于測量精度高，誤報率低以及多目標識別的優(yōu)越性能。測量精度高、誤報率低源于數(shù)據(jù)融合技術(shù)，這就要求每個傳感器在時間、頻率上精確同步；多目標識別取決于系統(tǒng)自身對目標的識別分類能力。因此，在整個雷達網(wǎng)絡(luò)包括每個雷達傳感器的設(shè)計上都要圍繞著這兩點來進行。

1 近距離傳感器設(shè)計

近距離雷達傳感器主要擔負著汽車前向35米內(nèi)的目標探測，是汽車雷達網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜路況下發(fā)揮效能關(guān)鍵部分。近距離雷達傳感器主要包括射頻單元、接收機和各個傳感器的之間的精確時間同步控制。在天線的設(shè)計上，既要符合所示的波束寬度的要求，同時又不能增大傳感器的體積。因此可以采用印刷體線性陣列天線。

接收機主要由一些低頻元件、抗混疊濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成。這些低頻元件所產(chǎn)生的噪聲可以淹沒微弱的回波信號，是影響探測距離的主要因素之一，因此要盡可能的降低噪聲參數(shù)。此外，模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣頻率應(yīng)該依據(jù)近距離傳感器的性能參數(shù)來確定。近距離傳感器的原理圖如圖3所示。

圖3近距離傳感器結(jié)構(gòu)圖

2 同步控制

雷達組網(wǎng)后，同樣是通過測量發(fā)射信號和回波信號之間的頻率差來確定目標的位置。但不同于單個雷達探測，汽車雷達網(wǎng)絡(luò)測量目標的距離和速度是通過對每個傳感器測得的目標信息進行數(shù)據(jù)融合而得到的。為了測量目標距離以及產(chǎn)生一致的波形，發(fā)射機和接收機要有統(tǒng)一的時間標準，這就是時間上的同步。

為了能接收和放大回波信號，雷達傳感器的發(fā)射機和接收機必須工作在相同的頻率，當發(fā)射機頻率捷變時，接收機本振要作相應(yīng)的變化，即要實現(xiàn)頻率上的同步。汽車雷達網(wǎng)絡(luò)對傳感器之間的時間同步控制誤差要求在10ns內(nèi)。所以高精度時間頻率同步系統(tǒng)是汽車雷達傳感器組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。

圖4同步系統(tǒng)框圖

圖4給出了基于DDS同步時鐘源的配置，各個收發(fā)單元上的DDS同步時鐘源的參考頻率源應(yīng)采用高穩(wěn)定度的原子鐘（如銣、銫原子鐘）。各收發(fā)單元的原子鐘要定期的用同一時間基準來校準。用作校準的時間基準的精度要更高一些，它們可以是GPS（導(dǎo)航星全球定位系統(tǒng)），羅蘭C或彩色電視發(fā)射臺發(fā)射的時間基準信號。

3 汽車雷達網(wǎng)絡(luò)的目標分類算法

目標分類系統(tǒng)的主要任務(wù)是針對目標回波信號特征計算給定向量的分類關(guān)系，分類器定義了一組不同的目標類別。分類器的工作可以分為研究階段和分類階段，在研究階段分類器對若干特征和經(jīng)過獨立標記的特征向量進行自動分析；在分類階段，要對每個被檢測到的目標生成特征向量。

與此同時，識別算法采用最大似然方法進行判決，以判別特征向量屬于哪個類，如圖5所示。在汽車應(yīng)用中，由于分類任務(wù)很復(fù)雜，通常一個給定的向量需要考慮幾個特征，因而要采用多個分類器，其優(yōu)點是在研究階段能夠在一次迭代過程中評估某個特征對決策過程的影響，并自動剔除對決策過程影響較小的項目。

基于汽車雷達傳感器的目標分類系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號處理過程，它可以識別六種不同的雷達目標的類別，包括：步行者、騎自行車的人、車輛、人群、樹木和交通標志等。

4 運動目標位置估算算法

圖5汽車雷達對目標的分類處理過程

FMCW雷達的基本原理是利用發(fā)射和回波信號之間的頻率差來確定目標的距離和速度［5］。傳統(tǒng)體制的FMCW采用等周期調(diào)頻，在測量單個目標的情況下，簡單可行，表現(xiàn)了良好的實時性和測距測速功能。但是當前方出現(xiàn)多個目標的時候，雷達就會出現(xiàn)判斷上的困難。為了識別多個目標的距離和速度，可以采用變周期的FMCW波形作為發(fā)射信號。文獻［6］給出了采用變周期的發(fā)射信號測量目標的距離和速度的算法。

圖6汽車雷達網(wǎng)絡(luò)對單目標實現(xiàn)測量

對于本文所討論的雷達網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言，四個近距離雷達傳感器即是發(fā)射機又是接收機。如圖6所示，通過電掃開關(guān)的控制，其中的一個NDS擔當發(fā)射機，反射信號被四個NDS同時接收。經(jīng)過信號處理之后，因各個NDS之間位置的不同，可以得到四組關(guān)于被測目標的距離和相對速度值（r1，1v1，1）、（r1，2v1，2）、（r1，3v1，3）、（r1，4v1，4）。這種采用單基地發(fā)射多基地接收的雷達網(wǎng)絡(luò)體制，盡管對傳感器之間的時間同步控制要求很高，但是可以避免鄰近傳感器之間的相互干擾。

汽車雷達網(wǎng)絡(luò)測量目標的距離和速度是通過對每個傳感器測得的目標信息進行數(shù)據(jù)融合而得到的。在一個測量周期中，每個NDS輪流擔當一次發(fā)射機。因此有16種距離和相對速度的組合，用向量表示為：

在笛卡爾坐標系中用目標的狀態(tài)向量來表述目標的位置矢量和相對速度矢量：

每個傳感器在笛卡爾坐標系中的位置用向量表示為：

對于每個傳感器而言，如果已知該傳感器和目標在坐標系中的位置，那么距離可以由下面的非線性方程來計算：

同理，得到關(guān)于目標的相對速度的方程：

（5）綜合方程（1）、（2）、（4）、（5），可以得到目標的狀態(tài)向量與四個傳感器測得的目標的距離速度的多個非線性方程，用向量函數(shù)表示成：

其導(dǎo)數(shù)矩陣，也就是雅可比矩陣為：

（7）對方程（7）采用高斯-牛頓迭代算法可以精確計算出目標狀態(tài)向量的參數(shù)值，繼而可以得到目標的位置和相對速度值。由于上述運算能夠給出運動目標位置的笛卡爾坐標，因此很方便確定位置估算的精度和分辨率［7］。

毫米波汽車雷達網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，盡管國際上將毫米波汽車雷達網(wǎng)絡(luò)的77GHz頻段的研究很充分，但是，具體采用什么頻段，每個國家還有差異，目前關(guān)于汽車用近距離雷達傳感器的爭論焦點之一是采用24GHz頻段還是77GHz頻段。爭論的原因是77GHz雷達器件的成本和技術(shù)成熟度問題。因此，77GHz雷達傳感器的成本和技術(shù)成熟度是汽車雷達網(wǎng)絡(luò)是否能夠在市場上取得普及應(yīng)用的關(guān)鍵。

在77GHz雷達傳感器的研發(fā)方面，關(guān)鍵技術(shù)是如何采用GaAs（鎵砷）器件的工藝技術(shù)來設(shè)計和制造低成本的汽車近/遠距離雷達傳感器，進而降低整個汽車雷達網(wǎng)絡(luò)的成本。國外GaAs器件制造業(yè)發(fā)展的速度很快，已經(jīng)出現(xiàn)了一些極具性價比的汽車雷達傳感器，一些報道甚至預(yù)言在2007年末2008年，汽車雷達網(wǎng)絡(luò)的市場將啟動，并有望成為普及型轎車的基本配置。

汽車雷達網(wǎng)絡(luò)相對于其它系統(tǒng)，技術(shù)門檻要低得多。目前，中國汽車雷達的開發(fā)還主要集中在汽車倒車雷達、汽車雷達測速器的層面上，所使用的技術(shù)和頻段差別很大，還沒有從器件、頻率分配、汽車雷達網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、近距離和遠距離雷達傳感器、運動目標位置估算算法、運動目標的分類、汽車專用信號處理器等多層次、系統(tǒng)和產(chǎn)業(yè)鏈的角度來研究和開發(fā)汽車雷達網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這與國際上日益普及的汽車雷達研究與應(yīng)用相比，還存在很大的反差。這種狀況與中國作為全球的汽車消費大國的地位是不相適應(yīng)的。