0 引言

    隨著社會的發(fā)展，汽車成為人們出行交通工具的首選。出行人口眾多的復(fù)雜交通狀況導(dǎo)致我國車輛碰撞類交通事故頻發(fā)。車輛碰撞類交通事故已經(jīng)成為我國交通安全治理的難題。此難題同樣困擾著國際上主要發(fā)達國家，為了解決此難題，國際各主要國家投入大量人力、物力對汽車防撞系統(tǒng)進行研制，而車載測距雷達的研制無疑是汽車防撞系統(tǒng)研制的核心。微波測距相比于超聲波、激光和攝像等測距方式，不易受天氣因素影響，抗干擾性能強，已成為車載測距雷達研制的首選^[1]。美國、英國、德國、日本和瑞典先后研制出測量距離大于100 m的車載防撞雷達，已經(jīng)投入實用化^[2]。我國車載測距雷達的研究起步稍晚，目前國內(nèi)市場上實用防撞雷達系統(tǒng)還較少見，各大研究機構(gòu)都在開展車載雷達系統(tǒng)的研究^[3-7]，因而進行車載測距雷達系統(tǒng)研制的意義重大。工業(yè)和信息化部于2012年發(fā)布了《24 GHz頻段短距離車載雷達設(shè)備使用頻率的通知》，明確規(guī)定了24 GHz車載雷達的設(shè)計標準。本文基于異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管NE3514研制車載雷達射頻電路模塊，設(shè)計并實現(xiàn)車載測距雷達系統(tǒng)。

1 測距原理

    調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達的工作原理：雷達發(fā)射微波信號，微波信號被探測物反射，回波信號被原雷達接收機接收，比較接收時刻的雷達接收信號與發(fā)射信號之間的頻差，能夠獲得探測物的距離信息。

    雷達與目標物無相對速度的情況下，雷達發(fā)射信號與接收信號的時間頻率關(guān)系如圖1所示。

其中，波形f_t表示發(fā)射信號的時間與頻率的關(guān)系，波形f_r表示接收信號的時間與頻率的關(guān)系。由圖可知，接收信號相對發(fā)射信號在時間上延遲Δt，如果用R表示雷達相對目標的距離，c表示光速，則：

    當雷達與探測目標存在相對速度時，雷達波形的時間與頻率關(guān)系如圖2所示。

    由于探測目標與回波信號之間存在相對速度，產(chǎn)生多普勒頻移，表現(xiàn)在同一時刻接收信號和發(fā)射信號的頻差相對于探測目標與雷達靜止時接收信號和發(fā)射信號的頻差有所升高或者降低。在調(diào)制三角波上升半周期內(nèi)，中頻信號可以表示為：

其中Δf為探測物與雷達相對靜止時的中頻頻率，f_d為多普勒頻移，由式(4)與式(5)可以求得多普勒頻移：

其中，λ為發(fā)射電磁波的波長，當目標與雷達相向運動，v的符號為正；當目標與雷達背向運動，v的符號為負。

2 車載測距雷達系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

    車載雷達系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖3所示，系統(tǒng)包括3個電路模塊，分別是雷達射頻模塊、中頻信號處理模塊和數(shù)字基帶處理模塊。雷達模塊用于雷達射頻信號收發(fā)；中頻信號處理模塊用于中頻信號放大與濾波；數(shù)字基帶處理模塊用于中頻信號的采集與分析，同時完成系統(tǒng)控制。

2.2 雷達射頻模塊

    如圖4所示，雷達射頻模塊為108個陣元構(gòu)成的非對稱窄波束遠距離雷達傳感器，該傳感器模塊包含1個射頻低噪聲放大器(RF LNA)，I、Q兩通道一共4個中頻電路預(yù)放大器(IF preamplifiers)、2個混頻器和1個壓控振蕩器(VCO)。其中VCO的輸出信號頻率由FM input端口直接控制。在本文中， 由DAC產(chǎn)生的三角波被放大與直流電平調(diào)整，控制VCO產(chǎn)生受控頻率信號通過發(fā)射天線陣列發(fā)射，發(fā)射信號被探測車輛反射，反射信號為接收天線所接收，接收信號通過RF LNA放大，并與當前時刻VCO產(chǎn)生信號相混頻得到中頻信號，中頻信號經(jīng)過IF preamplifiers放大后輸入中頻信號處理模塊進行處理。

2.3 中頻信號處理模塊設(shè)計

    中頻信號處理模塊電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。該模塊主要包括3個部分：高通濾波器、可變增益放大器和低通濾波器。由于射頻電路模塊各端口無法完全隔離，由射頻模塊I、Q兩路中頻輸出接口輸出的中頻信號中存在泄露的三角波信號，為此需要高通濾波器將中頻信號中泄露的三角波濾除。高通濾波器采用TLV2374運算放大器構(gòu)成多路反饋二階濾波電路實現(xiàn)，濾波電路低頻3 dB截止頻率為30 kHz?？勺冊鲆娣糯箅娐分饕褂肨LV2374運算放大器實現(xiàn)反向放大電路，通過MCP42100數(shù)字電位器對普通電阻替代達到增益控制的目的，可變增益放大器的放大倍數(shù)范圍為1～500倍。低通濾波器的主要作用是濾除輸入信號自身攜帶的高頻噪聲與中頻信號處理模塊產(chǎn)生的高頻噪聲，同時使輸入信號帶限，為后級ADC采樣做準備。低通濾波器采用AD8532運算放大器構(gòu)成無線增益多路反饋二階濾波電路來實現(xiàn)，濾波電路的3 dB截止頻率為103 kHz。中頻信號處理模塊的最大放大倍數(shù)為5 000倍(74 dB)。

2.4 數(shù)字基帶處理模塊設(shè)計

    數(shù)字基帶處理模塊主要完成數(shù)字信號特征信息的提取與電路系統(tǒng)整體控制，如圖6所示。

    數(shù)字基帶處理模塊主要由STM32F407微處理器與外圍模塊電路構(gòu)成。本文中MCU首先通過DMA1+DAC的模式產(chǎn)生三角波，三角波通過放大與直流電平調(diào)整，作為調(diào)制信號直接接入雷達射頻模塊的VCO控制輸入口FM input進行信號調(diào)制； DMA1的半傳輸中斷和傳輸完成中斷作為ADC采樣開始的標志，ADC1與ADC2分別對I、Q兩路信號進行采集。為保證ADC對信號以固定采樣率進行采集，采用ADC+DMA2的模式進行設(shè)計；MCU通過控制數(shù)字電位器MCP42100的阻值來控制中頻電路模塊的可變增益放大器放大倍數(shù)；信號采集完成后，MCU需要對ADC采集后的信號進行數(shù)字信號特征信息提取。在本文中，信號特征信息的提取為信號頻率信息提取，本設(shè)計采用離散傅里葉變換的快速算法(FFT算法)對信號的頻率信息進行提取，該算法需要進行大量浮點數(shù)運算，而STM32F407微處理器內(nèi)部集成浮點運算器(FPU)，該模塊能夠快速進行大量浮點數(shù)運算，計算出最終的測量結(jié)果在OLED屏上實時顯示。

3 系統(tǒng)功能測試

    系統(tǒng)測試電路如圖7所示。該測試電路包括正反兩面，其中圖7(a)上方為數(shù)字基帶處理模塊，下方為中頻信號處理模塊；圖7(b)上方為雷達射頻模塊，下方為電源。

    典型的測試回波信號如圖8所示。該圖展示了54 m處目標回波信號與信號的頻譜幅值，從圖8（a）中能夠清晰觀測出回波信號，對圖8（a）中回波信號進行離散傅里葉變換分析，得到如圖8（b）所示的回波信號頻譜幅度值，可以分辨出目標的距離信息為53 m。

    系統(tǒng)測試電路對目標物距離測量結(jié)果如表1所示，在12 m～90 m范圍內(nèi)測量誤差不超過10%。

4 結(jié)論

    本文介紹了一款24GHz FMCW車載測距雷達系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、體積小，可滿足雷達測距基本要求，能夠作為車載防撞雷達原型機進行車載防撞雷達系統(tǒng)的研發(fā)。

參考文獻

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