图 1 脉冲多普勒雷达组成框图 发射部分由脉冲调制器和射频振荡器组成 ,通过收发开关 发射高频调制脉冲 ,反射信号通过收发开关进入相干检波器 , 射频振荡器的另一种信号经多普勒校正后加到相干检波器作 为相位基准 ,与反射信号比较 ,检出多普勒频率分量 ,然后经视 频处理电路处理后送入单片机 ,经单片机运算后获得距离及速 度数据 ,根据距离 、速度数据判断危险程度 ,并通过声光报警电 路发出提示信号 。 相干检波器输入端两个电压为基准电压 uk = Ukcos (ω0 t + <0)( 先假定多普勒校正分量为零 ,其频率和起始相位与发射 信号相同) ,反射信号 ur = Urcos[ω0 ( t - tr) + <0 ], tr 为雷达至 目标的往返距离 ,雷达工作于脉冲体制时 , 信号只在一定延迟
1 引言
近几年来 ,国内汽车拥有量和交通事业发展很快 ,但随之 而来的是交通事故和行车安全问题 。据有关资料显示 ,在公路 交通碰撞事故中 ,有 86% 为双车或多车碰撞事故 。因此 ,如何 减少碰撞事故的发生成为当务之急 。汽车工业比较发达的美
微波雷达与其他两种方式相比具有显著的优点 ,因为其工 作频率高 、波长短 ,可有效地缩小波束角度 、减小天线尺寸 ,尤 其适合在恶劣气候条件下工作 。应用微波雷达测速测距 ,应防 止雷达之间以及与其他通信系统之间的电磁干扰 。
DesignofMicrowaveVelocityandDistanceMonitorSystem
ZHANGDa2biao,WANGYan 2ju
( HebeiNormalUniversity,Shijiazhuang050031,China )
Abstract:Measuringvelocityanddistancebetweenvehiclesisacrucialtechnologyinautomotivecollisionpreventionsystem.Ithad
(2) 中心频率的选取应考虑 ,天线尺寸与波束宽度因素 ,对 于固定测速系统 ,由于对尺寸要求较宽松 ,其频率多在 Ku 波 段如 :1015GHz,13 15GHz,24 11GHz. 而对于车载式测速测距系 统 ,要考虑车体外形 ,天线尺寸应尽量小 ,为了减少道路两旁地 物干扰 ,天线波束应尽量窄 (2～3°) ,为解决两者之间的矛盾只 有提高中心频率 。目前国外已研制出 24GHz,35GHz,60GHz, 7615GHzFMCW 前端 ,国内对 35GHz,94GHz 前端研究已有成 功报道 。
2. 2 微波雷达测速 、测距系统
国 、欧洲和日本开始运用先进的信息技术 ,开发研制用于汽车
微波雷达汽车避撞系统工作在 mm 波段 ,毫米波在通信 、
的安全避撞系统 。根据国外汽车电子化的发展和国内交通状 遥感 、导弹制导等领域得到了广泛应用 。近年来 ,美国 、日本和
况 ,提出一种利用微波雷达及计算机技术实现车辆速度 、距离 欧洲多家著名汽车公司投入巨资研究开发汽车避撞系统并取
脉冲多普勒雷达系统具有测量精度高 、数据刷新快的优 点 ,在对远距离目标测量时具有明显的优势 , 但是目标距离较 近时 , 要求调制脉冲宽度很窄 ( R <15m 时 ,调制脉宽应小于 011μs) ,近距离时要求信号处理芯片的速度更高 ,因此系统复 杂程度及成本都比较高 。
2. 2. 2 调频连续波系统 调频连续波测速测距系统具有电路简单 、成本较低的优
点 。其组成如图 2 所示 ,系统由单片机 、发射接收前端 、调制信 号产生中频信号处理及警示电路组成 。调制信号产生电路形 成一低频三角波 ,此三角波送入压控振荡器 (VCO) 控制其中心 频率 f0 ,经调制的微波信号通过定向耦合器 、环形器 、天线以一 定波束宽度向空间辐射电磁波 ,遇到目标后的反射信号加到混 频器 ,与定向耦合器来的发射信号混频 ,差频信号经中频放大 后送信号处理电路 ,单片机与信号处理电路配合计算出相对距 离和速度 ,并根据危险程度发出相应的警示信号 。信号频率变 化波形如图 3 所示 。
2. 1 测量方案的对比
超声波测速测距的基本原理是利用其反射特性 。超声波
种频率的雷达系统 。其中 24GHz 雷达系统主要用于集装箱货 车和长途客运大巴士 ,它可探测车辆前向距离 ,并可发出声光 报警 ;60GHz (主要用于日本) 和 7615GHz (欧 、美用) 主要用于 小轿车 。微波雷达汽车避撞系统主要有两种体制 :脉冲多普勒 体制和调频连续波 (FMCW) 体制 。 2. 2. 1 脉冲式测量系统
脉冲多普勒雷达组成框图如图 1 所示 。
发生器发射 40kHz 超声波遇到障碍物后产生反射波 ,超声波 接收器接收到反射波信号 ,并将其转换成电信号 ,测量发射波 与回波之间的时间间隔ΔT ,并根据公式 R = (ΔT·v) / 2 计算距 离 ( v 为超声波传播速度) ,再根据距离变化量与两次测量时间 间隔之比计算车辆运动速度 。超声波的特点是对雨 、雾 、雪的 穿透能力强 ,可以在恶劣气候条件下工作 ,系统制作简便 ,成本 低 。其主要缺点是测量反应时间长 ,误差大 ,波束发散角大 ,分 辨率低 ,衰减快 ,有效测量距离小 ,常用于倒车后视雷达 。
analysedthesystemschemeandhadstudiedtheprincipleofthemeasuringsystemofFMCWradar.Thedesignmethodofchiefcircuits
hadbeengiven.Thissystemcanmonitorforwardvehicleinafoggydayoratnight.Furthermore,itcangivethealarmwhenthevelocity
号带宽 ; R 为目标与雷达之间距离 。 对于运动目标 ,反射信号中包含多普勒频率 f d , f d = 2 v/λ,
λ为发射信号波长 , v 为目标运动速度 。在调制信号的上升段 f I + = (4 B / TC) R - f d ; 在调制信号的下降段 f I- = (4 B/ TC) R + f d ,将 f I+ 与 f I- 分别相加和相减得到 :
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InstrumentTechniqueandSensor
Apr12004
时间脉冲宽度内存在 , 在相干检波器中 uk 和 ur 进行比相 , 其 输出电压为 u = U0 (1+ mcos <) , U0 为直流分量 , m = Ur/ Uk , U0 mcos < 为检波后的信号分量 , 即回波信号的包络 。对于固 定目标 , 相位差为常数 , 即 :Φ = ω0 tr = ω0 (2 R0/ c)( R0 为雷达 至目标距离 , c 为光速) 合成信号为等幅脉冲串 。对于运行目 标 ,相位差随时间变化 : < = ω0 tr = ω0 [2 R ( t) / c ] =2 (2π/λ)( R0 - vr t)( λ为工作波长 , vr 为目标相对速度) , 经检波并隔去直 流分量后 ,合成信号脉冲包络为 U0 mcos < = U0 mcos(ωd t - <0) (ωd =2πf d t , f d 为目标多普勒频率) ,即回波包络受多普勒频率 调制 。视频处理电路与单片机配合将多普勒频率转换成速度 ( vr =2 f d/λ) ,将发射脉冲与反射信号的间隔Δt 转换成距离 ( R =Δt·c/ 2) 。
andthedistancebetweenvehiclesreachtheedgeofsecurity,sosometrafficaccidentswillbeavoided.
KeyWords: MeasuringVelocity;MeasuringDistance;MicrowaveRadar;AutomotiveCorrelationPrevention.
3. 3 中频放大器及带通滤波器的设计
中频放大器组成如图 4 (a) 所示 。
图 2 调频连续波测速 、测距系统框图
图 3 调频连续波系统波形图 对于固定目标 ,发射信号与回波信号相差 ΔT ,ΔT =2 R/
C ,混频器输出的中频信号为
f I = [ B/ ( T/ 2) ] (2 R/ C) = (4 B/ TC) R 式中 : T 为调制三角波周期 ; C 为电磁波传播速度 ; B 为发射信
测量的应用系统 ,给出了主要电路的设计方法 。
得了一定的成果 ,先后研制成功 24GHz,60GHz,76 15GHz 等 3
2 系统方案选择
汽车的安全避撞系统是以测距 、测速为基础的 。在各种环 境条件下 ,准确测量前方车辆速度和距离是系统设计的关键 。 目前测定汽车之间距离和速度的方法主要有超声波法 、激光法 和微波雷达法 。
3. 2 调制信号参数确定
根据给定的距离分辨率 D ,利用公式 B = C/ 2 D 求发射信 号带宽 B ,根据数据刷新频率要求确定三角波周期 T , 根据距 离测量范围ΔR , 利用公式计算中频信号频率范围 Δf I ,Δf I = (4 BΔR) / ( TC) ,当 D =0 15m 时 , B =300MHz, T =0 15ms, ΔR =5 ～200mm, Δf I =40 ～1600kHz.
(3) 发 射 功 率 选 取 。根 据 雷 达 方 程 R4max = ( PtG2λ2σ) / [ (4π) 2 Si min ] (式中 : Rmax为最大作用距离 ,按设计要求为 200 m; G 为天线增益 ;λ为载频波长 ,采用 35GHz 系统时 λ=8 16 mm;σ为目标有效散射面积 ; Si min为雷达接收机灵敏度) ,考虑 到雷达系统损耗以及实际电路对作用距离的改善等因素 ,发射 功率通常取 20～40mW.
2004 年 第 4 期
仪表技术与传感器 InstrumentTechniqueandSensor