基于汽車(chē)?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理解析

隨著人們對(duì)汽車(chē)駕駛過(guò)程當(dāng)中安全性、舒適性要求的不斷提高，汽車(chē)?yán)走_(dá)被廣泛的應(yīng)用在汽車(chē)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(dá)因探測(cè)精度高、硬件體積小和不受惡劣天氣影響等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。

但是傳統(tǒng)的單一雷達(dá)傳感器還是存在著諸如探測(cè)范圍小、可靠性低等缺點(diǎn)。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(hù)欄、標(biāo)志牌、行人都會(huì)使得雷達(dá)對(duì)主目標(biāo)的識(shí)別十分困難，誤報(bào)率很高。

要想完全解決好雷達(dá)的誤報(bào)問(wèn)題，還需要采取多傳感器之間的信息融合技術(shù)。通過(guò)將各種雷達(dá)傳感器集成在一起構(gòu)成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)綜合了各種傳感器的優(yōu)勢(shì)，實(shí)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(bǔ)特性進(jìn)行容錯(cuò)處理，克服了單一傳感器可靠性低、有效探測(cè)范圍小等缺點(diǎn)，有效地降低了雷達(dá)的誤報(bào)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(chē)?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能。

雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成原理

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

（Neardistancesensor，NDS）構(gòu)成，每個(gè)雷達(dá)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(shí)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(dá)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在車(chē)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(chē)前向較大范圍內(nèi)的目標(biāo)。

如果需要遠(yuǎn)距離探測(cè)，可以在安全杠中間增加一個(gè)遠(yuǎn)距離雷達(dá)傳感器。隨著77GHz汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器技術(shù)的成熟，近/遠(yuǎn)距離雷達(dá)傳感器都傾向于采用77GHzMMIC（毫米波集成電路）技術(shù)實(shí)現(xiàn)，采用這種技術(shù)容易做出一體化的設(shè)計(jì)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(dá)傳感器是構(gòu)成汽車(chē)?yán)走_(dá)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(hào)處理器等高速運(yùn)算單元來(lái)完成。傳感器、數(shù)字信號(hào)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(mǎn)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(gè)近距離傳感器對(duì)獲得的回波信號(hào)先進(jìn)行局部處理，然后送入融合中心進(jìn)行融合以獲得目標(biāo)的方位、速度信息。控制器是整個(gè)雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最終決策機(jī)構(gòu)，它負(fù)責(zé)識(shí)別目標(biāo)的距離和速度信息是否對(duì)行車(chē)安全構(gòu)成威脅，并通過(guò)聲光的形式提示駕駛員或者直接作用于車(chē)載控制系統(tǒng)加以調(diào)整。

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

汽車(chē)?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)解決方案

與單個(gè)雷達(dá)傳感器相比，多傳感器組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量精度高，誤報(bào)率低以及多目標(biāo)識(shí)別的優(yōu)越性能。測(cè)量精度高、誤報(bào)率低源于數(shù)據(jù)融合技術(shù)，這就要求每個(gè)傳感器在時(shí)間、頻率上精確同步；多目標(biāo)識(shí)別取決于系統(tǒng)自身對(duì)目標(biāo)的識(shí)別分類(lèi)能力。因此，在整個(gè)雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)包括每個(gè)雷達(dá)傳感器的設(shè)計(jì)上都要圍繞著這兩點(diǎn)來(lái)進(jìn)行。

1 近距離傳感器設(shè)計(jì)

近距離雷達(dá)傳感器主要擔(dān)負(fù)著汽車(chē)前向35米內(nèi)的目標(biāo)探測(cè)，是汽車(chē)?yán)走_(dá)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(dá)傳感器主要包括射頻單元、接收機(jī)和各個(gè)傳感器的之間的精確時(shí)間同步控制。在天線的設(shè)計(jì)上，既要符合所示的波束寬度的要求，同時(shí)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(jī)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(méi)微弱的回波信號(hào)，是影響探測(cè)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(lái)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(dá)組網(wǎng)后，同樣是通過(guò)測(cè)量發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)之間的頻率差來(lái)確定目標(biāo)的位置。但不同于單個(gè)雷達(dá)探測(cè)，汽車(chē)?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量目標(biāo)的距離和速度是通過(guò)對(duì)每個(gè)傳感器測(cè)得的目標(biāo)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合而得到的。為了測(cè)量目標(biāo)距離以及產(chǎn)生一致的波形，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)要有統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，這就是時(shí)間上的同步。

為了能接收和放大回波信號(hào)，雷達(dá)傳感器的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)必須工作在相同的頻率，當(dāng)發(fā)射機(jī)頻率捷變時(shí)，接收機(jī)本振要作相應(yīng)的變化，即要實(shí)現(xiàn)頻率上的同步。汽車(chē)?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳感器之間的時(shí)間同步控制誤差要求在10ns內(nèi)。所以高精度時(shí)間頻率同步系統(tǒng)是汽車(chē)?yán)走_(dá)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(shí)鐘源的配置，各個(gè)收發(fā)單元上的DDS同步時(shí)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(shí)間基準(zhǔn)來(lái)校準(zhǔn)。用作校準(zhǔn)的時(shí)間基準(zhǔn)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(tái)發(fā)射的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。

3 汽車(chē)?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)分類(lèi)算法

目標(biāo)分類(lèi)系統(tǒng)的主要任務(wù)是針對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)特征計(jì)算給定向量的分類(lèi)關(guān)系，分類(lèi)器定義了一組不同的目標(biāo)類(lèi)別。分類(lèi)器的工作可以分為研究階段和分類(lèi)階段，在研究階段分類(lèi)器對(duì)若干特征和經(jīng)過(guò)獨(dú)立標(biāo)記的特征向量進(jìn)行自動(dòng)分析；在分類(lèi)階段，要對(duì)每個(gè)被檢測(cè)到的目標(biāo)生成特征向量。

與此同時(shí)，識(shí)別算法采用最大似然方法進(jìn)行判決，以判別特征向量屬于哪個(gè)類(lèi)，如圖5所示。在汽車(chē)應(yīng)用中，由于分類(lèi)任務(wù)很復(fù)雜，通常一個(gè)給定的向量需要考慮幾個(gè)特征，因而要采用多個(gè)分類(lèi)器，其優(yōu)點(diǎn)是在研究階段能夠在一次迭代過(guò)程中評(píng)估某個(gè)特征對(duì)決策過(guò)程的影響，并自動(dòng)剔除對(duì)決策過(guò)程影響較小的項(xiàng)目。

基于汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器的目標(biāo)分類(lèi)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理過(guò)程，它可以識(shí)別六種不同的雷達(dá)目標(biāo)的類(lèi)別，包括：步行者、騎自行車(chē)的人、車(chē)輛、人群、樹(shù)木和交通標(biāo)志等。

4 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置估算算法

圖5汽車(chē)?yán)走_(dá)對(duì)目標(biāo)的分類(lèi)處理過(guò)程

FMCW雷達(dá)的基本原理是利用發(fā)射和回波信號(hào)之間的頻率差來(lái)確定目標(biāo)的距離和速度［5］。傳統(tǒng)體制的FMCW采用等周期調(diào)頻，在測(cè)量單個(gè)目標(biāo)的情況下，簡(jiǎn)單可行，表現(xiàn)了良好的實(shí)時(shí)性和測(cè)距測(cè)速功能。但是當(dāng)前方出現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)的時(shí)候，雷達(dá)就會(huì)出現(xiàn)判斷上的困難。為了識(shí)別多個(gè)目標(biāo)的距離和速度，可以采用變周期的FMCW波形作為發(fā)射信號(hào)。文獻(xiàn)［6］給出了采用變周期的發(fā)射信號(hào)測(cè)量目標(biāo)的距離和速度的算法。

圖6汽車(chē)?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)對(duì)單目標(biāo)實(shí)現(xiàn)測(cè)量

對(duì)于本文所討論的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言，四個(gè)近距離雷達(dá)傳感器即是發(fā)射機(jī)又是接收機(jī)。如圖6所示，通過(guò)電掃開(kāi)關(guān)的控制，其中的一個(gè)NDS擔(dān)當(dāng)發(fā)射機(jī)，反射信號(hào)被四個(gè)NDS同時(shí)接收。經(jīng)過(guò)信號(hào)處理之后，因各個(gè)NDS之間位置的不同，可以得到四組關(guān)于被測(cè)目標(biāo)的距離和相對(duì)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(dá)網(wǎng)絡(luò)體制，盡管對(duì)傳感器之間的時(shí)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(chē)?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量目標(biāo)的距離和速度是通過(guò)對(duì)每個(gè)傳感器測(cè)得的目標(biāo)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合而得到的。在一個(gè)測(cè)量周期中，每個(gè)NDS輪流擔(dān)當(dāng)一次發(fā)射機(jī)。因此有16種距離和相對(duì)速度的組合，用向量表示為：

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

每個(gè)傳感器在笛卡爾坐標(biāo)系中的位置用向量表示為：

對(duì)于每個(gè)傳感器而言，如果已知該傳感器和目標(biāo)在坐標(biāo)系中的位置，那么距離可以由下面的非線性方程來(lái)計(jì)算：

同理，得到關(guān)于目標(biāo)的相對(duì)速度的方程：

（5）綜合方程（1）、（2）、（4）、（5），可以得到目標(biāo)的狀態(tài)向量與四個(gè)傳感器測(cè)得的目標(biāo)的距離速度的多個(gè)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(duì)方程（7）采用高斯-牛頓迭代算法可以精確計(jì)算出目標(biāo)狀態(tài)向量的參數(shù)值，繼而可以得到目標(biāo)的位置和相對(duì)速度值。由于上述運(yùn)算能夠給出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置的笛卡爾坐標(biāo)，因此很方便確定位置估算的精度和分辨率［7］。

毫米波汽車(chē)?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，盡管?chē)?guó)際上將毫米波汽車(chē)?yán)走_(dá)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(gè)國(guó)家還有差異，目前關(guān)于汽車(chē)用近距離雷達(dá)傳感器的爭(zhēng)論焦點(diǎn)之一是采用24GHz頻段還是77GHz頻段。爭(zhēng)論的原因是77GHz雷達(dá)器件的成本和技術(shù)成熟度問(wèn)題。因此，77GHz雷達(dá)傳感器的成本和技術(shù)成熟度是汽車(chē)?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)是否能夠在市場(chǎng)上取得普及應(yīng)用的關(guān)鍵。

在77GHz雷達(dá)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(lái)設(shè)計(jì)和制造低成本的汽車(chē)近/遠(yuǎn)距離雷達(dá)傳感器，進(jìn)而降低整個(gè)汽車(chē)?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)的成本。國(guó)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?xún)r(jià)比的汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器，一些報(bào)道甚至預(yù)言在2007年末2008年，汽車(chē)?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)的市場(chǎng)將啟動(dòng)，并有望成為普及型轎車(chē)的基本配置。

汽車(chē)?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于其它系統(tǒng)，技術(shù)門(mén)檻要低得多。目前，中國(guó)汽車(chē)?yán)走_(dá)的開(kāi)發(fā)還主要集中在汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)、汽車(chē)?yán)走_(dá)測(cè)速器的層面上，所使用的技術(shù)和頻段差別很大，還沒(méi)有從器件、頻率分配、汽車(chē)?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、近距離和遠(yuǎn)距離雷達(dá)傳感器、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置估算算法、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的分類(lèi)、汽車(chē)專(zhuān)用信號(hào)處理器等多層次、系統(tǒng)和產(chǎn)業(yè)鏈的角度來(lái)研究和開(kāi)發(fā)汽車(chē)?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這與國(guó)際上日益普及的汽車(chē)?yán)走_(dá)研究與應(yīng)用相比，還存在很大的反差。這種狀況與中國(guó)作為全球的汽車(chē)消費(fèi)大國(guó)的地位是不相適應(yīng)的。