刘月园 董国宇

摘要：随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，汽车总量呈现不断上升的趋势，这也对有限的空间资源提出了更高的要求，如何保证汽车驾驶的安全性成为社会关注的热门话题。本文主要对防撞雷达系统的设计进行分析。

关键词：汽车；单片机；防撞雷达；设计

1.雷达技术在汽车防撞安全系统中的意义

在汽车防撞安全系统中，雷达技术包含了雷达、超声波、红外线、信号接收器等，能够接收雷达装置发射的安全预警信号并向汽车驾驶员发出安全预警信号。

雷达技术在汽车防撞安全系统应用中，以其安全性、准确性、全天性发挥着越来越重要的作用。雷达技术能够在大雨、暴雪、强光、浓雾等不良天气下依然作出准确及时的安全预警，并且在电磁波、各种无线信号和噪音环境下能够稳定地工作，具有良好的抗干扰性。雷达发出的辐射能够保证在相对合理的范围内，不会对汽车驾驶员产生不良的生理损害。同时，兼具有快速的感应敏感性，在对汽车行驶中的距离、速度、方向等方面的探测中具有高度的准确性，特别是雷达安装装置采用天线阵列和高频器件的体积不大，占有的空间有限，非常适合于应用在汽车系统中。

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；危險目标发出减速信号，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。

3.防撞雷达测距测速的原理

随着电子技术的快速发展，先后出现的车用雷达有红外线雷达、激光雷达、超声波雷达、机器视觉雷达和毫米波雷达。红外线雷达、激光雷达、超声波雷达容易受外部环境影响产生偏差；机器视觉雷达价格高昂、较慢的成像速度及对软、硬件的高要求阻碍了其发展。毫米波雷达测量距离的理论基础是电磁波反射原理，毫米波是一种电磁波，其波长较短一般小于10mm，频率很高介于30GHz到300GHz之间。根据电磁波形式的不同，毫米波雷达分为脉冲式和调频连续波（FMCW）式两种。一般情况下，车辆防撞预警系统采用的是30GHz以上的调频连续波式毫米波雷达。它具有波长短，穿透能力强的特点。即当所发射的斜率一定的连续调频波信号遇到前方测量目标时会反射包含目标信息回波，系统通过将往返信号进行混频处理得到差频信号，从而计算得到目标的速度和相对距离。

3.雷达波形设计

雷达的波形选择要充分考虑抗干扰性和可实现性、多目标识别以及回波处理中算法的快速简单性。FMCW方式具有适于探测近距离目标，具有峰值功率低、射频结构简单、测量时间短等优点。因此，它一直是汽车防撞雷达的首选。但其缺点也很明显，如：线性调频度不易获得，导致距离分辨率变坏：多目标场景下，三角波调制调频连续波会产生虚假目标，从而影响防撞雷达的工作性能。

FMCW雷达系统在信号发射过程中能够进行三种不同方式的调制，矩形波调制、三角波调制和正弦调制，由于FMCW雷达系统对于信号的调制不同，能够进一步丰富雷达系统应用的多样性，但是由于系统在结构模型上具有一致性，因而在信号的处理过程中，三者区别性明显。FMCW雷达系统模型中能够在天线接收中，对发射信号进行处理，在滤波器中对接收信号进行处理，然后实现混合信号的处理，通过发射天线将接收信号和发射信号实施混频导出后，处理滤波信号，然后通过调制解调器进行信号调制，以加窗和补零的形式使频谱的不连续性降低，最后执行额外的信号后处理。

在FMCW雷达系统频率源设计中，需要注意DDS信号输出变频速度较快、信号分辨率较高，同时具有体积小、线性度高和功耗小等优势，在设计过程中，方案的重点是对超低相位噪声进行波段混频处理，这主要是因为后级混频器的本振信号，能够同时作为DDS的参考时钟，系统参数在经过精确计算后，对于系统中的主要器件进行合理选择，设计x波段的频率源。

4.FMGW雷达系统频率源主要设计方面

4.1仿真设计

FMCW雷达系统频率源在设计过程中，需要设置仿真基础，在此过程中，主要是使用三角波调制为基础，运用FMCW系统和Matlab系统进行仿真，分析三角波调制类似于对锯齿波调制的分析，这主要是因为调制三角波信号的前半周期t值在0～T/2之间，因而只能将其看作是仅有1/2周期的锯齿波信号，由于后半周期t值在2/T～T之间，因而信号属于2/T～T范围内的反向信号。设计FMCW雷达系统频率源时进行信号混频，在回波信号的频谱中会出现高频信号和低频信号，对于这些信号内容进行目标求解，包括距离和速度的测量计算等。设置FMCW雷达系统频率源设计的仿真基础，需要对系统的基础参数进行设置，然后对法神信号频率进行处理，在回波信号频率以及混合信号频率混频处理中，调制解调器，使信号输出更加合理。

4.2信号处理系统设计

设计FMCW雷达系统频率源，需要在相对理想的状态下进行信号处理系统的仿真，系统理想状态下，将信号当作FFT之后产生的高频率和低频率两个频率，应用这两个频率对多普勒数据和信号距离等进行测算。基带信号中的两个高低频率在实际应用中是用作FFT的一维傅里叶变换，三角波调制后的FMCW雷达系统在雷达探测中的应用，两个频率峰值一般出现在24.51KHZ和64.66KHZ中，对这两个频率进行数据分析也能够计算出速度和距离。由于在FMCW雷达系统频率源的信号处理系统设计中，受到相位误差和噪声的影响，因而需要根据时域中的混频信号，加入相位噪声和白噪声，进一步塑造随机性的相位误差。在一维FFT中，相位误差和白噪声能够提高旁瓣电平，因而多普勒信息和距离不会有明显的扭曲产生，这对于FMCW雷达系统频率源设计中保持较为平坦的功率谱密度具有重要的影响作用。

FMCW雷达系统频率源在设计过程中，通过仿真分析能够对FMCW在三角波调制下的系统性能以及基本的应用效用进行研究与分析，仿真设计中通过Matlab作为FFT获得信号差频的频谱图像，在连续性频谱的分析中，增加补零、加窗和抽样等处理，能够直接影响到FFT后频谱中所显示的信号分辨率，这与雷达系统中实际信号分辨率不同。在FMCW雷达系统频率源设计中通过三角波调制的办法，能够实现多普勒信息调制以及距离提取等，从而进一步实现对较为理想的仿真状态下的FMCW雷达系统频率源设计。需要注意的是，FMCW雷达系统频率源设计对于系统中输入的数据需要核对准确，保证速度信号和信号距离恢复，减小频率峰值与实际计算之间的误差。