車用毫米波雷達(dá)傳感器組網(wǎng)技術(shù)研究

1引言

隨著人們對汽車駕駛過程當(dāng)中安全性、舒適性要求的不斷提高，汽車?yán)走_(dá)被廣泛的應(yīng)用在汽車的自適應(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)因探測精度高、硬件體積小和不受惡劣天氣影響等優(yōu)點而被廣泛采用。但是傳統(tǒng)的單一雷達(dá)傳感器還是存在著諸如探測范圍小、可靠性低等缺點。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)護欄、標(biāo)志牌、行人都會使得雷達(dá)對主目標(biāo)的識別十分困難，誤報率很高。

種雷達(dá)傳感器集成在一起構(gòu)成的一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)綜合了各種傳感器的優(yōu)勢，實現(xiàn)了信息分析、綜合和平衡,利用數(shù)據(jù)間的冗余性和互補特性進行容錯處理,克服了單一傳感器可靠性低、有效探測范圍小等缺點,有效地降低了雷達(dá)的誤報率。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?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能[1].

2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)由四個等距離分布在安全杠上的近距離毫米波雷達(dá)傳感器(Near distance sensor，NDS)構(gòu)成，每個雷達(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)控汽車前向較大范圍內(nèi)的目標(biāo)。如果需要遠(yuǎn)距離探測，可以在安全杠中間增加一個遠(yuǎn)距離雷達(dá)傳感器。隨著77 GHz汽車?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77 GHz MMIC(毫米波集成電路)技術(shù)實現(xiàn)，采用這種技術(shù)容易做出一體化的設(shè)計方案，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[2]，基于77GHz MMIC技術(shù)的雷達(dá)傳感器是構(gòu)成汽車?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)字信號處理器等高速運算單元來完成。傳感器、數(shù)字信號處理單元以及數(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)，即每個近距離傳感器對獲得的回波信號先進行局部處理,然后送入融合中心進行融合以獲得目標(biāo)的方位、速度信息?？刂破魇钦麄€雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最終決策機構(gòu)，它負(fù)責(zé)識別目標(biāo)的距離和速度信息是否對行車安全構(gòu)成威脅，并通過聲光的形式提示駕駛員或者直接作用于車載控制系統(tǒng)加以調(diào)整。

圖1汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域

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

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

與單個雷達(dá)傳感器相比，多傳感器組網(wǎng)的優(yōu)勢在于測量精度高，誤報率低以及多目標(biāo)識別的優(yōu)越性能。測量精度高、誤報率低源于數(shù)據(jù)融合技術(shù)，這就要求每個傳感器在時間、頻率上精確同步；多目標(biāo)識別取決于系統(tǒng)自身對目標(biāo)的識別分類能力。因此，在整個雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)包括每個雷達(dá)傳感器的設(shè)計上都要圍繞著這兩點來進行。

2.1 近距離傳感器設(shè)計

近距離雷達(dá)傳感器主要擔(dān)負(fù)著汽車前向35米內(nèi)的目標(biāo)探測，是汽車?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、接收機和各個傳感器的之間的精確時間同步控制[2]。在天線的設(shè)計上，既要符合所示的波束寬度的要求，同時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)生的噪聲可以淹沒微弱的回波信號，是影響探測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)來確定[2]。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

圖4 同步系統(tǒng)框圖