車　俐，白云浩，蔣留兵

(廣西無線寬帶通信與信號處理重點實驗室(桂林電子科技大學(xué))),　桂林 541004)

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·信號處理·

小型高精度防撞雷達(dá)信號處理系統(tǒng)實現(xiàn)

車?yán)自坪?，蔣留兵

(廣西無線寬帶通信與信號處理重點實驗室(桂林電子科技大學(xué))),桂林 541004)

針對國內(nèi)汽車防撞雷達(dá)領(lǐng)域存在問題，研究小型化高精度防撞雷達(dá)信號處理系統(tǒng)實現(xiàn)方案，詳細(xì)分析信號處理流程，確定合適的雷達(dá)信號處理方法。結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和處理方案計算出適合駕車環(huán)境的系統(tǒng)參數(shù)，通過系統(tǒng)仿真驗證其有效性。并在小型化和低成本的條件下，提出基于Super-SVA方法實現(xiàn)目標(biāo)距離分辨率的提高。確保雷達(dá)系統(tǒng)不會因為成本問題限制其檢測性能。最后，對實例化樣機進(jìn)行外場功能測試，測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果驗證了系統(tǒng)方案的可行性。

小型化；高精度；防撞雷達(dá)；Super-SVA

0　引　言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，公路交通運輸量日益增大，汽車保有量也不斷增加，在它給人類社會帶來便利的同時，隨之而來的問題是:隨著汽車數(shù)量的快速增加，交通事故頻繁發(fā)生，由此導(dǎo)致的生命財產(chǎn)損失數(shù)目驚人。對公路交通事故的研究表明，80%以上的車禍?zhǔn)怯捎隈{駛員反應(yīng)不及所引起。奔馳汽車公司對各類交通事故的研究表明，若駕駛員能夠提早1 s意識到事故危險并采取相應(yīng)的正確措施，則絕大多數(shù)的交通事故都可以避免。因此，大力研究汽車防撞主動輔助安全裝置是非常必要的。

雷達(dá)能夠在雨天、霧天、黑夜等惡劣環(huán)境中探測目標(biāo)，不受天氣狀況的影響全天候地工作，并且能夠完成高精度的目標(biāo)距離和相對速度信息的檢測任務(wù)。汽車上采用雷達(dá)作為防撞的系統(tǒng)可以大大降低交通事故發(fā)生率[1-2]，同時也為汽車自動駕駛技術(shù)的實現(xiàn)做鋪墊。目前，汽車防撞雷達(dá)主要由美國、歐洲以及日本為首的發(fā)達(dá)國家占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位，市面上已有數(shù)款產(chǎn)品應(yīng)用在汽車上。自從2000年以來博世推出第一代汽車防撞雷達(dá)，至今已經(jīng)研制到第三代，其尺寸相對于第一代減小了三分之二，并且成本也降低了，這使得防撞雷達(dá)走進(jìn)小型轎車成為可能。在24 GHz的防撞雷達(dá)產(chǎn)品中，德國的HELLA公司極具代表性，該公司雷達(dá)采用FMCW信號體制[3-5]，信號最小帶寬為200 MHz，重復(fù)周期小于50 ms，測距范圍為0.75 m～70 m，距離分辨率為1 m。

在汽車防撞雷達(dá)領(lǐng)域，國內(nèi)與國外技術(shù)相比有較大差距，并且沒有比較成熟的市場產(chǎn)品。主要問題在于：

(1) 目前國內(nèi)的研究主要參照國外現(xiàn)有的雷達(dá)體

制進(jìn)行仿制，并沒有從雷達(dá)系統(tǒng)角度進(jìn)行完整的理論設(shè)計及研究。

(2) 性能方面與國外相比分辨率低。

(3) 在小型化方面受工藝影響實際體積遠(yuǎn)大于國外成熟產(chǎn)品。

隨著微波器件和集成技術(shù)的發(fā)展，24 GHz頻段的微波集成芯片技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)完善，集成的商用24 GHz前端收發(fā)芯片已出現(xiàn)，成本更低，體積更小，國內(nèi)測試設(shè)備也比較完善，因而24 GHz是我國汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用頻段的較好選擇。并且工業(yè)和信息化部于2012年正式發(fā)布《工業(yè)和信息化部關(guān)于發(fā)布24GHz頻段短距離車載雷達(dá)設(shè)備使用頻率的通知》，將24.25 GHz～26.65 GHz頻段規(guī)劃用于24 GHz短距離車載雷達(dá)設(shè)備使用。為了實現(xiàn)小型化和低成本的集成應(yīng)用，本文選用24 GHz頻段作為汽車防撞雷達(dá)頻段。

本文圍繞24 GHz FMCW汽車防撞雷達(dá)信號處理系統(tǒng)展開，從提高雷達(dá)的檢測能力，實現(xiàn)低成本、小型化產(chǎn)品兩個方面著手開展研究并予以實現(xiàn)。

1　汽車防撞雷達(dá)信號處理方案

汽車防撞雷達(dá)必須達(dá)到以下要求：系統(tǒng)穩(wěn)定性能好；有較高的測距、測速精度；成本較低；體積小和功耗低。因此，信號處理方案設(shè)計應(yīng)遵循以下三點：

(1) 在保證良好的目標(biāo)檢測概率的條件下應(yīng)選用簡單易行的算法，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

(2) 在傳統(tǒng)雷達(dá)測距方法的基礎(chǔ)上，適當(dāng)對算法進(jìn)行優(yōu)化以實現(xiàn)同條件下有較高的測距精度。

(3) 信號處理方案選擇時應(yīng)適當(dāng)考慮到實現(xiàn)過程中的硬件設(shè)計復(fù)雜程度，應(yīng)盡量提高功能的集成化程度，減少芯片的使用數(shù)目，以達(dá)到降低成本、減小體積和功耗的目的。

雷達(dá)系統(tǒng)的信號處理流程，如圖1所示。由三角波調(diào)制產(chǎn)生器生成數(shù)字的三角波調(diào)制電壓信號，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片得到模擬信號控制壓控振蕩器(VCO)輸出中心頻率為24.5 GHz帶寬為150 MHz的兩路三角波調(diào)頻信號，一路送至射頻放大器后，接入天線發(fā)射，另一路引入接收之路作為下混頻本振。接收部分，天線接收到的目標(biāo)回波經(jīng)過射頻放大后進(jìn)行正交下混頻得到I、Q兩路零中頻信號，經(jīng)中頻放大后進(jìn)入帶通濾波器濾除帶外干擾并進(jìn)行自動增益控制后對其進(jìn)行采樣量化，進(jìn)入數(shù)字處理器進(jìn)行信號處理。信號處理部分首先對信號進(jìn)行復(fù)數(shù)FFT運算得到快時間維的目標(biāo)信息；經(jīng)過N個周期的脈沖積累后對慢時間維進(jìn)行動目標(biāo)檢測(MTD)處理實現(xiàn)回波信號的雜波抵消；最后經(jīng)過求模和數(shù)據(jù)重排后通過閾值檢測實現(xiàn)目標(biāo)判決得到目標(biāo)信息。

圖1　雷達(dá)系統(tǒng)信號處理流程圖

2　系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

24 GHz汽車防撞雷達(dá)主要應(yīng)用于中短距離的目標(biāo)探測任務(wù)，主要指標(biāo)要求如表1所示，要求雷達(dá)作用距離大于5 m小于150 m。主要探測目標(biāo)為汽車，因此相對運動速度最高為120 km/h，即33.3 m/s，分辨率要求小于5 km/h，即1.4 m/s。

表1　汽車前向防撞雷達(dá)主要指標(biāo)

因為三角調(diào)頻連續(xù)波信號實現(xiàn)復(fù)雜度低，系統(tǒng)可靠性好，所以本系統(tǒng)采用三角調(diào)頻連續(xù)波信號作為發(fā)射信號。三角調(diào)頻連續(xù)波信號其本質(zhì)可以看作兩個LFMCW信號的拼接，其中上掃頻信號與下掃頻信號的距離速度耦合方式相反。因此，通過和差進(jìn)而實現(xiàn)距離速度去耦合。根據(jù)式(1)可知，要達(dá)到1 m的分辨率信號帶寬B需要150 MHz。綜合考慮接收機中頻輸出頻帶寬度對系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計和系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜度的影響，本文最大中頻帶寬Fmax取500 kHz，根據(jù)式(2)得到三角調(diào)頻連續(xù)波信號重復(fù)周期最小不得小于0.2 ms。其中，B取150 MHz，Rmax取100 m，c為光速。

(1)

(2)

為保證信噪比的提高，取相干積累時間(CPI)為16個周期。參考文獻(xiàn)[6]得到式(3)粗略計算出16個脈沖近似的信噪比(S/N)n約為4.05 dB。

lg(A+0.12AB+1.7B)

(3)

其中

式中：n為相干積累周期數(shù)；Pfa為虛警概率；Pd為檢測概率。雷達(dá)的距離分辨率與采樣率有關(guān)系，如式(4)

(4)

實際快速傅里葉變換(FFT)的運算點數(shù)通常取512。根據(jù)上式計算得到所需要的采樣頻率fs為512 kHz。采樣頻率的確定為CPU的容量以及AD芯片采樣速率的選擇奠定基礎(chǔ)。

3　小型化信號處理模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

數(shù)字信號處理模塊主要包括AD、DA以及CPU器件，其主要功能是完成模擬信號和數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理計算等任務(wù)。

在小型化設(shè)計時，由于各元件間距較小所產(chǎn)生電磁干擾問題增大，同時該模塊是數(shù)?；旌想娐贰Ｒ虼?，在印制電路板(PCB)設(shè)計時對各個模塊加以電磁屏蔽，以保證各模塊間的干擾最小。PCB布線時對重點模塊AD、DA、時鐘、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)假裝屏蔽罩，對整個數(shù)字板加入屏蔽環(huán)路以提高電路的抗電磁干擾能力。圖2為PCB布局圖和信號處理模塊實物圖。信號處理模塊長寬尺寸為80 mm × 80 mm。

圖2　PCB布局及實物圖

4　高分辨率多目標(biāo)檢測算法

針對多目標(biāo)檢測問題，從發(fā)射波形改進(jìn)和雷達(dá)信號處理兩方面著手解決。設(shè)計易于產(chǎn)生、抗干擾性能強、具有良好多目標(biāo)檢測性能的雷達(dá)發(fā)射波形，配以相應(yīng)的多目標(biāo)判決算法，以達(dá)到準(zhǔn)確進(jìn)行多目標(biāo)檢測的目的。本系統(tǒng)采用改進(jìn)型變周期LFMCW雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)識別。先采用MTD抑制雜波，簡化目標(biāo)環(huán)境，并進(jìn)行恒虛警處理。根據(jù)同一目標(biāo)在上、下掃頻段的頻譜以實際位置為對稱軸的偏離，按多普勒通道是否相同對目標(biāo)進(jìn)行分組，這樣可以減少后續(xù)目標(biāo)配對的復(fù)雜度。

雷達(dá)系統(tǒng)的距離分辨率本質(zhì)上受波形自身帶寬的限制。若信號帶寬越寬則雷達(dá)距離分辨率越高。但是發(fā)射信號帶寬受多方面制約，在低成本和小型化車載防撞雷達(dá)設(shè)計中發(fā)射機帶寬相對較小，使得雷達(dá)系統(tǒng)的距離分辨率不理想。為實現(xiàn)有限帶寬下的超分辨率檢測，本文將Super-SVA[7-9]應(yīng)用到防撞雷達(dá)系統(tǒng)。

5　Super-SVA算法在防撞雷達(dá)中的應(yīng)用

Super-SVA是在SVA的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的超分辨率方法，其通過基帶回波信號脈壓后，進(jìn)行SVA處理抑制旁瓣。由于只保留了主瓣信息，等同于時域截斷，因此頻譜被擴展。再通過頻譜幅度反加權(quán)函數(shù)對頻譜幅度進(jìn)行修正。最后經(jīng)過逆快速傅里葉變換(IFFT)后，就得到超分辨率的目標(biāo)。其信號處理流程如圖3所示。

圖3　Super-SVA的算法流程圖

其步驟為：

(1)發(fā)送一個LFM信號或單頻信號。

(2)若發(fā)送LFM信號，則②為回波經(jīng)過脈沖壓縮后的結(jié)果。若發(fā)送為單頻信號，則②為回波經(jīng)過FFT后的結(jié)果。

(3)此時，通過SVA等算法，將旁瓣去掉。

(4)由于③中信號在時域被截斷，導(dǎo)致信號在頻域被展寬。此時，對其進(jìn)行反向加權(quán)和截斷。(目的在于將其頻譜幅度再次轉(zhuǎn)化為矩形包絡(luò))。

(5)此時，這里表示已經(jīng)進(jìn)行了頻域幅度修正后的結(jié)果，可以看到頻譜兩邊都拓寬了40%。

(6)將頻譜拓展后的信號轉(zhuǎn)換到時域，脈沖寬度就被縮小了。(因為脈沖寬度為帶寬的倒數(shù)，此時脈沖寬度為原來的0.71倍)。

結(jié)合在汽車防撞雷達(dá)的應(yīng)用，場景中有兩個目標(biāo)，分別與雷達(dá)相距50 m、50.8 m目標(biāo)相對靜止，根據(jù)第4節(jié)所設(shè)計得到的雷達(dá)系統(tǒng)帶寬為150 MHz，差頻輸出采樣頻率選擇512 kHz，重復(fù)周期為1 ms。如果采用該設(shè)計參數(shù)無法識別出距離差小于1 m的兩個目標(biāo)?，F(xiàn)將Super-SVA算法應(yīng)用于系統(tǒng)內(nèi)，采集到I、Q兩路輸出如圖4所示，圖中含有較高的噪聲并不能有效分辨出目標(biāo)，根據(jù)信號處理方案經(jīng)過FFT后得到的結(jié)果，如圖5所示，近距離的位置為近地雜波，同時發(fā)現(xiàn)真實目標(biāo)出現(xiàn)譜峰分裂情況，出現(xiàn)該情況是由于兩個目標(biāo)十分接近兩譜峰沒有完全分辨導(dǎo)致。根據(jù)Super-SVA算法產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的反加權(quán)函數(shù)，實現(xiàn)原有信號頻域外推。再經(jīng)過第二次FFT結(jié)果如圖6所示。與圖5對比可以看出該算法有效地提高了目標(biāo)分辨能力。

圖4　時域回波信號

圖5　差頻信號FFT結(jié)果

圖6　經(jīng)過Super-SVA的輸出結(jié)果

6　外場測試及結(jié)果分析

圖7所示為防撞雷達(dá)樣機的實物照片，主要分為五個部分：天線、射頻模塊、中頻模塊、數(shù)字模塊以及外殼。

圖7　系統(tǒng)實物圖

為了全面有效地評估設(shè)備實際性能，分別進(jìn)行了以下兩種場景的實驗：

(1)在開闊環(huán)境下，用汽車作為被測量對象檢驗系統(tǒng)作用距離以及距離測量精度，并分析誤差來源。

(2)較為復(fù)雜的環(huán)境下，周圍環(huán)境有大量綠化帶、樓宇等，用汽車作為被測量對象檢驗雷達(dá)在該環(huán)境下的性能衰減程度。

對開闊環(huán)境和復(fù)雜環(huán)境下的測量數(shù)據(jù)(表2)進(jìn)行詳細(xì)分析得到在開闊環(huán)境下的均方誤差為0.7 m，強雜波環(huán)境下均方誤差為1.26 m?？梢钥闯鲩_闊環(huán)境下的均方誤差較小，說明在該環(huán)境下有良好的檢測精度，達(dá)到并優(yōu)于系統(tǒng)設(shè)計要求。而在復(fù)雜環(huán)境下均方誤差較大，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是在環(huán)境中的綠化帶、樓宇等導(dǎo)致回波雜波增強，回波的信雜比下降所致，在強雜波環(huán)境下最遠(yuǎn)可探測距離以及分辨率有所下降。圖8為開闊環(huán)境下的的測試圖，圖9為強雜波環(huán)境下的的測試圖。

表2測量結(jié)果m

實際值開闊環(huán)境測量值強雜波環(huán)境測量值2019.919.53030.531.24039.939.45049.549.36062.361.67069.467.98079.181.79089.388.910099.498.1110109.5-120118.6-130127.2-

圖8　開闊環(huán)境測試圖

圖9　強雜波環(huán)境測試

測試結(jié)果表明：系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計要求，具有小型、高精度的特點，適應(yīng)產(chǎn)品化的需求。今后，進(jìn)一步對雜波消除算法做改進(jìn)，以保證雷達(dá)系統(tǒng)對強雜波應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)能力。

7　結(jié)束語

本文緊密結(jié)合產(chǎn)品化需求，研究小型化、低成本的汽車防撞雷達(dá)信號處理系統(tǒng)。根據(jù)信號處理流程對系統(tǒng)主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，并對信號處理系統(tǒng)的硬件實例化進(jìn)行研究和實現(xiàn)。在寬帶限制的條件下，結(jié)合頻譜外推的方法擴展虛擬帶寬實現(xiàn)超分辨率測量的方案。最后，基于外場實際采集數(shù)據(jù)對該信號處理系統(tǒng)進(jìn)行功能驗證和性能測試，測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果驗證了本文的系統(tǒng)實現(xiàn)方案的可行性。

[1]蔣留兵，許騰飛，楊昌昱，等. 一種汽車防撞雷達(dá)多目標(biāo)識別方法[J]. 現(xiàn)代雷達(dá)，2014，36(6)：54-58.

JIANG Liubing, XU Tengfei, YANG Changyu, et al. A method of automobile anti-collision radar to identify multi-target[J]. Modern Radar，2014，36(6)：54-58.

[2]陳勇, 黃席樾, 楊尚罡. 汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)的研究與發(fā)展[J]. 計算機仿真, 2007, 23(12): 239-243.

CHEN Yong, HUAGN Xiyue, YANG Shanggang. Research and development of automotive collision avodance system[J]. Computer Simulation，2007,23(12): 239-243.

[3]禾剛, 譚賢四, 王紅, 等. 三種不同體制雷達(dá)的比較[J]. 艦船電子對抗, 2008, 31(1): 82-84.

HE Gang, TAN Xiansi, WANG Hong, et al.Comparison among three kinds of radar with different system[J]. Shipboard Electronic Countermeasure, 2008, 31(1): 82-84.

[4]高香梅, 張鑒. 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)及其在汽車防撞系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 信息技術(shù), 2012(5): 106-108.

GAO Xiangmei，ZHANG Jian. FMCW radar and application in automotive anti-collision systems[J]. Information Technology, 2012(5): 106-108.

[5]GRUBERT J. Fully integrated automotive radar senor with versatile resolution[J]. IEEE MetZ, 2001,49(12): 2560-2566.

[6]VOSSIEK M, VKERSSENBROCK T, HEIDE P. Signal processing methods for millimeter wave FMCW radar with high distance and Doppler resolution[C] // 27th European Microwave Conference.[S.l.]: IEEE Press, 2010: 1127-1132.

[7]STANKWITZ H C, KOSEK M R. Sparse aperture fill for SAR using Super-SVA[C]// Proceedings of the 1996 IEEE National Radar Conference. [S.l.]: IEEE Press, 1996: 70-75.

[8]周啟榮, 黃春琳, 周陽輝. 基于SVA 的步進(jìn)頻率探地雷達(dá)距離旁瓣抑制[J]. 電子設(shè)計工程, 2013, 20(21): 48-52.

ZHOU Qirong，HUANG Chunlin, ZHOU Yanghui. Range side-lobe suppressing in stepped-frequency ground penetrating radar based on SVA[J]. Electronic Design Engineering, 2013, 20(21): 48-52.

[9]倪崇, 王巖飛, 徐向輝, 等. 一種基于改進(jìn)SVA的SAR旁瓣抑制算法[J]. 中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué), 2010, 40(12): 1485-1494.

Ni Chong, Wang Yanfei, Xu Xianghui, et al. A SAR sidelobe suppression algorithm based on modified spatially variant apodization[J]. Science China: Technology Science, 2010,40(12): 1485-1494.

車?yán)?977年生，高級實驗師。研究方向為雷達(dá)信號處理。

白云浩男，1990年生，碩士研究生。研究方向為雷達(dá)信號處理。

蔣留兵男，1973年生，研究員。研究方向為雷達(dá)信號處理。

Implementation of Small High Precision Signal Processing System of Collision Avoidance Radar

CHE Li，BAI Yunhao，JIANG Liubing

(Guangxi Wireless Broadband Communication and Signal Processing Key Laboratory,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004, China)

The implementation approach of small high precision signal processing system of collision avoidance radar is studied directing against the existing problems in domestic automotive anti-collision radar field, and signal processing flow is analyzed in detail and appropriate signal processing methods of radar is determined. System parameters suitable for driving environment are computed combining with the system structure and processing scheme and their effectiveness is verified through system simulation. Under the condition of miniaturization and low cost it is proposed to improve the targets range resolution based on Super-SVA method. It is assured that the detection performance of radar system will not be limited by costs problem. Finally the outfield functional testing with the prototype has been achieved and the feasibility of system scheme is verfied by the analysis results of the test data.

miniaturization; high precision; collision avoidance; Super-SVA

國家自然科學(xué)基金項目(61561010)；廣西自然科學(xué)基金項目(2013GXNSFAA019323)；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目(桂科攻14122006-6)；廣西教育廳科研立項項目(KY2015LX096)

車?yán)﨓mail：jlrql@163.com

2016-03-24

2016-05-30

TN959.71

A

1004-7859(2016)07-0032-04

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.07.008