24G毫米波雷達在機車測距及避撞應用的探索

最近接到一個項目，需要在機車上設計一款雷達產品，主要用于軌道交通方面的機車測距和避撞。在網上搜尋了一段時間，可以選擇的有激光雷達、超聲波雷達、紅外雷達和毫米波雷達。對比了各個雷達的特點，激光雷達具有探測距離遠，探測精確的特點，但是容易受到雨霧，特別是下雪和粉塵的干擾，這個在軌道交通行業(yè)中適應性不是很好。超聲和紅外雷達，具有價格低，設計簡單的優(yōu)點，但是同樣容易受到溫度變化的影響，在南方和北方會有很大的差別，另外探測的距離也有限。毫米波雷達探測的介質是電磁波，具有探測距離遠、穿透能力強、環(huán)境適應性強以及實時性好等優(yōu)點，尤其是波長較短者。

俗話說萬事開頭難！在搜尋了各大廠商的方案之后，最終選擇了UMS的24G雷達方案，選擇這個方案有幾點好處：

1）方案比較靈活，可以選擇集成度高、設計相對簡單的單發(fā)雙收的雷達芯片。也可利用分立器件自由組合出多個收發(fā)結合的方案，這樣可以探測更加精準和擴展更廣闊的探測范圍。

2）擁有業(yè)界唯一的GaAs工藝，工作溫度范圍為-40度—125度，適用于機車工作環(huán)境。

3）開發(fā)工具和參考資料比較齊全。

在筆者的項目中，選擇的是集成度較高的單芯片方案CHC2442-QPG。從圖 1 CHC2442-QPG的內部架構，可以看出其內部集成了低噪聲的VCO、Tx PA、混頻器、接收LNA和中頻放大器等核心功能。只需加上DSP處理單元就可以完成雷達的功能設計。如圖2 UMS機車24G雷達模塊原理框圖所示，雷達模塊支持單發(fā)雙收和一路視頻，與車載控制單元之間通過CAN總線以及以太網進行通訊。

圖1：CHC2442-QPG的內部架構

圖2：UMS機車24G雷達模塊原理框圖

在實際上車調試時，發(fā)現(xiàn)低速行車容易誤報警，造成急剎車。然而實際場景中，車的前方并沒有任何障礙物。于是把雷達模塊射頻前端的信號取樣分析后發(fā)現(xiàn)，是軌道旁邊的AP桿和信號機的桿子反射的雷達波，造成了芯片誤讀取前方有障礙物信號，從而輸出報警造成急剎車。分析如圖 3雷達探測范圍示意圖所示。

圖3：雷達探測范圍示意圖

找到原因后，經過項目組分析討論分兩個方向來解決：

一是CHC2442-QPG的接收增益可調，在低速行車時調低雷達的接收增益，也就是降低雷達的接收靈敏度來濾掉軌旁的偽障礙物，如AP桿子、信號機等。該方向很容易實現(xiàn)，因為CHC2442-QPG可以通過SPI控制接收增益，這個接收增益可調節(jié)的范圍為24dB，比較寬。

二是優(yōu)化天線設計，縮小水平方向的波瓣寬度，由目前的60度減小到30度。該方向需要重新設計天線，從調整天線輻射單元的布局以及單個輻射單元的形狀兩個方面縮小水平方向的波瓣寬度。圖 4陣列天線的設計對比所示，陣列天線的布局從左邊長條形的布局調整到右邊這種正方形的緊湊布局。天線的單元也由原來的單一輻射結構改為對稱結構，并且在天線單元之間增加了功分網絡，保證阻抗的合理匹配。這種對稱結構可以在保持輻射增益不降的情況下，有效地縮小天線的面積。

圖4：陣列天線的設計對比

通過不斷努力優(yōu)化，從如圖 5的最終版陣列天線的水平波瓣寬度和增益可以看出，天線的水平波瓣寬縮小到30度，比初版縮小了一倍，增益保持在原來的21dBm左右。面積也減小了三分之一左右。最終通過同時控制CHC2442-QPG的接收增益和縮小天線的水平輻射波瓣寬度兩個方面解決了誤報警問題。

圖5：最終版陣列天線的水平波瓣寬度和增益