摘要：隨著現(xiàn)代社會汽車數(shù)量的日益增多，汽車防撞技術(shù)的研究已成為保障人民生命安全和提高運輸業(yè)的關(guān)鍵。課題旨在研究一種汽車防撞系統(tǒng)，保證在該系統(tǒng)正常運作的情況下既不發(fā)生碰撞事故又不降低道路的通行能力。該系統(tǒng)利用LFMCW的線性調(diào)頻特性及多普勒效應(yīng)的原理既可測量兩車間距又可實現(xiàn)相對運動的判斷，結(jié)合兩者的測量值，實現(xiàn)有效防撞的功能。主要論述了LFMCW雷達(dá)運用于汽車防撞系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)確定及具體實現(xiàn)方法，原理分析。
關(guān)鍵詞：汽車防撞；LFMCW；多普勒效應(yīng)；相對運動

    隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車的數(shù)量日益增多，汽車運輸愈加繁忙，但同時交通事故也屢見不鮮。因此發(fā)展汽車防撞技術(shù)，對提高汽車智能化水平有重要意義。汽車要避撞就必須憑借一定的裝備測量前方障礙物的距離，并迅速反饋給汽車，以在危急的情況下，通過報警或自動進(jìn)行某項預(yù)設(shè)定操作如緊急制動等，來避免由于駕駛員疲勞、疏忽、錯誤判斷所造成的交通事故。本文將防撞技術(shù)的關(guān)鍵點著眼于車輛測距技術(shù)。從測量距離和相對速度兩個角度出發(fā)，實現(xiàn)有效防撞的效果。

1 安全距離的相關(guān)研究與設(shè)定
1．1 參數(shù)確定
    所謂安全行車距離就是指在同一條車道上，同向行駛前后兩車間的距離(后車車頭與前車車尾間的距離)，保持既不發(fā)生追尾事故，又不降低道路通行能力的適當(dāng)距離。由安全距離的計算公式：
    d*=η／(vt+v2／254φ)      (1)
    可知要求得安全行車距離，需要確定的參數(shù)有本車速度v、反應(yīng)時間t、輪胎與道路的附著系數(shù)φ、系統(tǒng)調(diào)整系數(shù)η。
    1)本車速度v
    利用汽車防撞系統(tǒng)的車速傳感器可測得實時值。
    2)反應(yīng)時間t
    據(jù)有關(guān)專家測定，一般來說，大多數(shù)駕駛員的反應(yīng)時間在0．30～1100 s之間，再加上剎車系統(tǒng)發(fā)生作用的時間等因素，總的反應(yīng)時間在1．30～1．98 s之間，即取值為1．30～1．98 s。
    3)輪胎與道路的附著系數(shù)φ
    不同路面的附著系數(shù)如表1所示。

    4)系統(tǒng)調(diào)整系數(shù)η
    為了安全，駕駛員要根據(jù)自己對安全效果的不同要求來設(shè)置調(diào)整系數(shù)η。如果比較保守，要選擇η值大些。η取值范圍為1．05～1．10，通常取1．10。
    5)安全間距d0
    兩車制動停止時應(yīng)保持一定的間距d0以保證安全。d0選擇得是否合理，對系統(tǒng)的虛警率有一定的影響。理想情況最小可以為0，但國內(nèi)外的資料上一般為2～5 m，出于安全考慮取為5 m。
1．2 系統(tǒng)模型的實現(xiàn)過程
    給定一個汽車防撞系統(tǒng)，根據(jù)各參數(shù)的影響因素和取值范圍，設(shè)定相應(yīng)參數(shù)：t=1．8 s；η=1．10；d0=5 m。在行車過程中，根據(jù)路面類型的不同，參照表1的數(shù)據(jù)來設(shè)定輪胎與道路的附著系數(shù)φ。根據(jù)計算可得，在速度相同時，不同的路面情況得到的安全行車距離不同，且速度越大，得出的安全行車距離差值就越大。因此決定安裝一個路面情況選擇開關(guān)，采用點觸式開關(guān)實現(xiàn)，由駕駛員根據(jù)天氣狀況主觀選擇附著系數(shù)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，求出該附著系數(shù)下的安全行車距離。開關(guān)選擇如圖1所示。

2 多普勒頻移的測量
2．1 多普勒信息的提取
    如果反射信號來自一個相對運動的目標(biāo)，則反射信號中包括一個由目標(biāo)的相對運動所引起的多普勒頻移fd。
    根據(jù)多普勒原理，目標(biāo)的相對運動速度可用式(1)表示：
   
    式中，f0為發(fā)射波中心頻率，λ為發(fā)射波波長。
    要從接收信號中取出多卜勒頻率需要采用差拍的方法，即設(shè)法取出f0和fr的差值fd。
    經(jīng)典的差拍法是采用相干解調(diào)，將接受信號與發(fā)射信號通過乘法器相乘，經(jīng)低通濾波器后，即可得到所需的差頻信號。
2．2 相干檢波原理
    相干檢波也叫相干解調(diào)，目的是將調(diào)制信號從接收信號中提取出來。假設(shè)發(fā)射信號和接收信號分別為
    s(t)=Acosω0t           (3)
    r(t)=Bcos(ω0+ωd)t     (4)
    相干解調(diào)的一般模型如圖2所示。

    在接收端與同頻率的信號c(t)相乘后得
    rp(t)=r(t)cosω0t
    =[Bcos(ω0+ωd)t]*cosω0t
    =B[cos(2ω0+ωd)t+cosωdt]／2     (5)
    經(jīng)低通濾波器后得到
    x(t)=Bcosωdt／2                 (6)
    x(t)即為接收信號與發(fā)射信號的差拍信號，多卜勒頻移被提取出來。

3 LFMCW雷達(dá)信號的產(chǎn)生和接收
3．1 LFMCW雷達(dá)信號的產(chǎn)生
    LFMCW雷達(dá)系統(tǒng)基本組成框圖如圖3所示。

    LFMCW是被調(diào)制的射頻信號，由VCO(壓控振蕩器)在調(diào)制信號的作用下產(chǎn)生。VCO輸出信號的頻率隨調(diào)制信號的幅度作線性變化。VCO輸出信號的一部分經(jīng)功率放大器放大后由無線發(fā)射出去，另一部分經(jīng)定向耦合器加到混頻器作為混頻器的本振信號。發(fā)射信號在前進(jìn)過程中如果遇到目標(biāo)則部分被反射，反射信號被接收天線接收與本振信號進(jìn)行混頻，并經(jīng)帶通濾波器輸出中頻信號，后繼的信號處理電路即可從中頻信號中提取出目標(biāo)的距離和速度等信息。

    運用MATIAB編程產(chǎn)生LFMCW信號的波形圖如圖4所示。由圖可知，發(fā)射信號是一個頻率呈線性減小再增大的LFMCW波形，而回波信號與發(fā)射信號波形一致，只是存在一個時延。
3．2 LFMCW雷達(dá)回波信號的雜波處理
    將發(fā)射信號與回波信號耦合至混頻器進(jìn)行混頻，輸出中頻信號，結(jié)合實際考慮到各種背景(如地物、云雨等)的干擾回波信號，雷達(dá)目標(biāo)回波信號往往是混疊在干擾雜波背景中。大多數(shù)雜波都屬于分布雜波，且存在內(nèi)部運動，頻譜較寬。此時就需要對回波信號進(jìn)行動目標(biāo)檢測(MTD)。雷達(dá)信號的動目標(biāo)檢測是利用與相參回波脈沖串匹配的多普勒濾波器組來抑制各種雜波，改善功率信雜比，實現(xiàn)相參積累，以增強(qiáng)雷達(dá)在雜波背景中檢測運動目標(biāo)能力的技術(shù)。其實質(zhì)是相當(dāng)于對不同通道進(jìn)行相參積累處理。其實現(xiàn)方法就是將回波信號通過一組多普勒濾波器組，進(jìn)行信號處理，將動目標(biāo)回波與雜波分別開來。MTD處理的仿真結(jié)果如圖5所示。

3．3 中頻信號處理
    對如圖4所產(chǎn)生的LFMCW信號，對比可只回波信號相對于發(fā)射信號有一定的時延，即使存在多普勒頻移，對于中頻信號的前向和后向頻差也必然存在相對于變化周期來說比較長的恒定差值階段，采用矩形窗截取恒定階段并對其進(jìn)行頻譜分析，如圖6(a)(b)所示，通過處理便可得到前向頻差和后向頻差，進(jìn)而求得距離和相對速度。

4 LFMCW雷達(dá)信號的測距原理
    調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的載頻在調(diào)制周期內(nèi)線性變化。線性變化亦有多種方式，結(jié)合測試需求分析，本文采用三角波調(diào)制方式的LFMCW進(jìn)行測量。由相對運動的角度出發(fā)，重點研究反射信號來自一個相對運動的目標(biāo)，則反射信號頻率中還會包括一個由目標(biāo)的相對運動所引起的多普勒頻移，如圖7所示。

    發(fā)射信號可表示為：
    fl(t+)=fl+Kt           (7)
    fl(t-)=fu-Kt           (8)
    式中，K為三角波斜率。
    相應(yīng)的回波信號可表示為：
    fr(t+)=fl+K(t-τ)+fd        (9)
    fr(t-)=fu-K(t-τ)+fd        (10)
    從而可以得到差頻信號為：
    fb+=|fr(t+)-fl(t+)|=Kτ-fd       (11)
    fb-=|fr(t-)-fl(t-)|=Kτ+fd       (12)
    兩式相減得到多普勒頻移fd：
   
    結(jié)合相對速度的求解公式和防撞系統(tǒng)的設(shè)計思想及工作原理可知，要判斷兩車是靠近還是遠(yuǎn)離，只需判斷fb-與fb+的符號大小即可。通過以上分析可知：求得LFMCW上下掃頻段的頻率差并比較其數(shù)值的大小成為實現(xiàn)有效防撞處理的關(guān)鍵。

5 結(jié)論
    該設(shè)計系統(tǒng)著重從測量兩車間的相對運動出發(fā)，只要在判斷兩車間距是否滿足安全距離的條件的同時，利用多普勒效應(yīng)測得兩車間的相對運動是靠近還是遠(yuǎn)離，就可以有效的實現(xiàn)汽車防撞，沒必要實時的測得相對速度數(shù)值的大小。這樣減少了很多不必要的信號處理與計算。