ft f 0
df f t f0 t dt Tm / 4
fr f0
4 f 2R (t ) T c
8fR Tm c 式(1)
差频 f b 为:
fb ft f r
调制频率处于下降阶段的半个周期内, df / dt 的值小于零, f r 大于 ft ,但是两个信号的频率差依然满足式(1)。 然而与雷达相距为 R的目标返回的电磁信号,在时间上忽略掉 2 R0 / c 这段时间之后(在 2 R0 / c 区间当中出现的差频频率分量很小)余下的这部分差频是一 个固定值。 因此在三角波调制的 Tm 的时间内差频均值 f bav 有:
1 汽车防撞雷达发展历程
国外对毫米波汽车防撞雷达的研究始于20世纪60年代,研究主 要以美国、 德国和日本为代表的发达国家内展开。 截止目前,从时间 上大致可分为两个阶段。 第一阶段:从20世纪60年代至70年代末期,此阶段的特点是微 波理论水平较低,电子器件集成技术落后,系统加工成本高,各国对 于防撞雷达的性能要求缺少统一的标准,各国研制出的防撞雷达样 机的应用效果差异较大。 1969年,英国Lucas公司研制出中心频率为 24GHz的FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave,调 频连续波)毫米波雷达,但由于技术的限制,雷达尺寸较大,受当时微
P x , y, C (
i 1 n
p
i
) 1
1
1
n
pi
Байду номын сангаас
。
mn
因此,传感器节点集C所覆盖的像素面积之和就是该节点集中 所有节点覆盖像素点的并集,记为Sarea,则 Sarea P x , y,Cdxdy。 无线传感
0 0
网络节点部署的优化目标是使网络的覆盖率最大, 即 定义适应值函数如下: fitnessfun x max 。 当 Sarea m n 。
4f 2R (t ) Tm c f d 表示多普勒频率,正号表示三角波调制信号前半周斜率为正 的方面, 负号表示三角波 调制信号后半 周斜率为负的 方面。 当 fd fbar 时,获得的差频为: fr f0 fd
fb f t f r
8f R fd Tm c
c fb f b 8f 2 f m 如果测量得到 fb 和 f b 的值,便可通过计算得到运动目标径 向速度: R
v / 4( f b f b )
4 汽车防撞雷达技术突破方向
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2015年5月下 第10期 总第214期
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2 汽车主动防撞预警系统构成
汽车主动防撞预警系统所采集的信息包括自车信息和前方目 标信息。 自车信息包括:自车车速、 方向盘角度、 制动踏板位置、 节气 门开度和路面附着状况等信息;目标信息包括:利用毫米波雷达传 感器对前方目标进行精确定位和分类信息。 将自车信息和目标信息 发送到CAN总线上,传递到车辆电子控制单元(ECU)的防撞系统控 制模块,防撞系控制模块根据所采集的信息,作为输入信号输入到 模块的规避控制模块,对所检测目标进行危险等级分类。 根据危险 等级的不同,ECU发出三类不同危险程度的指令,控制执行机构的 动作。 临界危险目标发出报警信号,报警系统工作;危险目标发出减 速信号,减速系统工作;极限危险目标发出制动信号,制动系统工 作。 最终达到提醒或协助驾驶员做出合理的驾驶行为,对车辆的控 制还是由驾驶员自己决定。 在汽车主动防撞预警系统中,毫米波雷达测量前方车辆、 护栏、 人员的距离和速度,分辨出不同的目标,哪些是危险目标、 哪些是安 全距离目标等是防撞预警系统的关键技术,目标识别的正确与否可 大幅降低虚警的数量,避免影响汽车的正常行驶,因此,车用测距雷 达是各大整车企业、 研发机构正在努力突破的关键技术。
fb f r ft
8 f R fd Tm c
可求出目标的距离为:
3.2 测距测速原理
FMCW 信号的载波频率与时间呈线性关系,通过对称三角波 对信号进行调制来获得所需的信号波形。 发射频率通过三角波调制 之后得到的频率变化规律如图3所示: 图中 ft 表示雷达信号发射机产生的较高频率的发射频率,其在
ITS(Intelligent Transportation System,智能交通系统)是通 过现代化信息、 通信等技术使用户、 车辆和道路密切配合,和谐统 一,是目前世界上交通运输科学的前沿技术,能够使人们或货物更 高效、 更快捷的流动。 美国交通部研究认为,该系统每年可减少120 万次交通事故,大约可节省260亿美元因交通堵塞及事故造成的损 失。 近年来,雷达技术在汽车主动安全系统得到了较好的应用,自适 应巡航系统、 侧向辅助系统是可以主动辅助司机进行安全驾驶的主 动安全系统,也是ITS中非常重要的组成部分,汽车前防撞雷达是其 核心部件,能够准确测出前方目标的速度和距离,按照已设定的报 警参数向司机发出警报,并可以自动采取措施消除危险,对提高交 通安全,降低交通事故发生、 减少生命财产损失将起到重要作用,成 为近年来研究与发展汽车安全系统的主流技术。 国际上主要整车生 产企业如丰田、 宝马、 福特和通用等公司投入大量资金和技术研制 汽车防撞雷达系统,并成功开发出能够商业化的系统产品。 随着中 国汽车产业的快速发展,汽车消费的普及,交通拥堵已成为各大城 市的普遍现象,加之经常出现的雾霾、 大雾天气,能见度低,造成我 国交通事故频发,制约中国交通运输的发展,汽车防撞雷达技术的 突破及产业化应用将大幅减少交通事故,提高交通运输效率。
fbav
8fR fb Tm c
上式便可以得到目标距离 R 为:
R c fbav 8f f m
在式中 fm 1/ T ,为调制的频率。 当目标运动时,如果目标与雷达相距 R ,目标拥有的径向速度 为 v ,则运动目标返回的信号频率为:
3.1 防撞雷达的系统结构
毫米波雷达一般由四部分构成,包括收发装置,传输装置,信号 处理装置和预警装置。 如图1所示,为毫米波雷达的系统结构图。 其中,收发装置指的是发射天线和接收天线;传输装置包括信 号源、 压控振荡器、 定向耦合器、 发射机、 接收机和混频器;信号处理 装置包括放大器、 滤波器、 A/D 转换和信号处理;预警装置包括报 警和显示。 防撞预警雷达的收发装置采用双天线结构形式。 双天线结构拥 有发射和接收两个天线,很好的实现了收发隔离,对探测性的影响 较小。 如图2所示,为双天线毫米波雷达的结构框图。
信息技术与应用
China Science & Technology Overview
雷达技术在汽车防撞安全系统的应用
付晓海 (上海航天技术研究院,上海 201109)
【摘 要】 随着社会的进步,汽车是越来越普及,它给人们带来便利的同时危害也越来越大。 为了提高行车的安全性能,各种先进技术应用在汽车 上。 本文重点研究了雷达技术在汽车主动安全领域的应用,对毫米波雷达应用到汽车安全系统的优势、 工作原理、 工作方式做了详细的分析,并指出 了汽车防撞雷达的技术突破方向。 【关键词】 防撞雷达 汽车安全 测距测速
波技术发展的限制,到70年代发展一直很缓慢。 第二阶段:从80年代中期至今,随着微波技术理论及其器件集 成技术的高速发展,以及微处理器价格的降低,研制低成本、 高性能 的防撞雷达成为可能。 各个国家的ITS计划全面启动,对于防撞雷达 的性能要求也大致达成了共识。 进入90年代后,德国在该领域的研 究处于领先地位。 1997年Benz公司的汽车防撞雷达系统荣获了德国 的工业革新大奖。 该雷达系统采用FMCW体制,工作频率76GHz,发 射功率3MW。 雷达接收的目标反射信号通过信号处理器进行分析, 根据信号处理结果自动控制汽车减速,跟前方目标保持一定距离。 该雷达的有效探测距离为150米,能够同时跟踪30个目标。 此外,美国TRW公司、 Delco公司、 日本丰田公司、 三菱公司和 Denso公司、 法国AutoCruise公司也开发出防撞雷达产品。 由于该系 统研制成本高,目前世界上装配防撞雷达的汽车产品不多,仅在少 量高档豪华汽车上配备使用,如Benz的S系列、 捷豹的XKR系列、 Lexus的430系列、 Audi的A8系列,以及凯迪拉克的DTS系列。 国内对汽车防撞雷达系统的研究起步较晚,目前,在汽车防撞 方面只局限于倒车雷达的研究与生产,至于前向探测雷达,尚处于 初级阶段。 我国于 20 世纪 90 年代开始进行智能交通系统(ITS) 的研究,并在 2000 年成立了政府协调领导机构—全国智能运输系 统(ITS)协调指导小组及办公室,旨在发展中国的 ITS,与此同时还 成立了智能交通系统专家咨询委员会。 很多国内研究学者也对此进
一个周期内的均值频率为 ft 0 ,三角波变化的周期和 f t 0 变化的周期 同为 Tm 。f r 表示目标截获发射电磁波之后反射回来的信号频率, f r 和 ft 有着相同的变化规律,但从时间方面来看 f r 相对于 ft 会有 tR 的延迟, tR 2 R0 / c 。ft 经过三角波调制后获得的频率偏移的最 大值为 f , fb 表示发射和接收信号的频率差值, f bav 来代表其频 率差值的均值: 如上图所示, ft 与 f r 的关系为:
图 1 毫米波雷达的系统结构图
图 2 双天线毫米波雷达的结构框图
图 3 三角波频率调制雷达工作原理图
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2015年5月下 第10期 总第214期
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信息技术与应用
行了深入的研究,研究内容主要围绕行车安全距离模型展开,并取 得了一定的成果。 目前国内有中国科学院上海微系统与信息技术研 究所、 清华大学、 南京理工大学、 山东大学等研究机构正在对汽车防 撞系统进行研究,但尚处于起步阶段,研制的样机大多处于实验室 阶段,雷达系统的体积、 功能和可靠性与国外都有较大的差距,达到 市场应用阶段还有一定距离。