(北京遙感設(shè)備研究所,北京100854)

0 引言

車載雷達(dá)廣泛應(yīng)用于汽車碰撞報(bào)警系統(tǒng)、主動(dòng)避撞系統(tǒng)和自適應(yīng)巡航系統(tǒng)等汽車主動(dòng)安全技術(shù)中,對(duì)降低道路交通事故和提高汽車主動(dòng)安全性發(fā)揮了重要作用。按測量介質(zhì)不同,車載雷達(dá)可分為超聲波雷達(dá)、紅外雷達(dá)、激光雷達(dá)和微波雷達(dá)。超聲波雷達(dá)和紅外雷達(dá)因其探測距離相對(duì)較近,主要應(yīng)用于倒車控制系統(tǒng);激光雷達(dá)和微波雷達(dá)因其具有測量距離遠(yuǎn)、精度高等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于汽車主動(dòng)安全控制系統(tǒng)[1]。其中,微波雷達(dá)測量性能受天氣等外界因素影響較小,是車載雷達(dá)的可靠選擇之一。

車載微波雷達(dá)的研究始于20世紀(jì)60年代,典型代表是ASR100脈沖測距雷達(dá),許多著名汽車公司都采用該款雷達(dá)。此后出現(xiàn)的MMW雷達(dá)采用調(diào)頻連續(xù)波測距方式,是世界上第一款使用相控陣的車載雷達(dá),使波束掃描更加靈活[1]。

車載雷達(dá)在搜索目標(biāo)時(shí),主要分為以下兩種情況:其一,車輛在高速公路行駛的情況下,探測距離較遠(yuǎn),約為150 m,方位向較窄,約為±10°;其二,車輛在城市公路上,啟動(dòng)、剎車、轉(zhuǎn)彎或行駛中探測附近行人和車輛的情況下,作用距離較近,最遠(yuǎn)距離在50～60 m之間,方位角覆蓋范圍較大,約±60°。

現(xiàn)有車載雷達(dá)主要針對(duì)遠(yuǎn)距離、小角度范圍搜索,采用線性調(diào)頻連續(xù)波,根據(jù)其時(shí)延和多普勒頻率,測量出目標(biāo)的距離和速度,只有少數(shù)雷達(dá)測量目標(biāo)的角度,而且在該種情況下,無法實(shí)現(xiàn)近距離、大角度的快速搜索,同時(shí)在測多目標(biāo)時(shí)還存在角閃爍等問題。而針對(duì)近距離、大角度搜索,主要應(yīng)用了DBF技術(shù),以擴(kuò)大波束覆蓋范圍,同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)檢測和干擾抑制[2]。本文設(shè)計(jì)了一部車載相控陣?yán)走_(dá),該雷達(dá)具有遠(yuǎn)距離搜索和近距離搜索兩種工作模式,并針對(duì)提高搜索速度,著重介紹了寬波束收發(fā)和DBF接收兩種近距離、大角度快速搜索方案,為主動(dòng)避撞系統(tǒng)提供信息保障。相比于目前流行的微波防撞雷達(dá),本文的防撞雷達(dá)除同時(shí)兼顧遠(yuǎn)區(qū)和近區(qū)的探測外,還具有搜索速度快、近區(qū)覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)介紹

該車載相控陣?yán)走_(dá)采用線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMC),調(diào)制周期和調(diào)制頻偏分別為3.5 ms,400 MHz。系統(tǒng)框圖如圖1所示,其天線在方位向上由32個(gè)陣元組成,每個(gè)陣元均通過一個(gè)T/R模塊與收發(fā)陣列連接,之后進(jìn)行信號(hào)處理。系統(tǒng)指標(biāo)和天線參數(shù)分別如表1和表2所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

表1 系統(tǒng)指標(biāo)

表2 天線參數(shù)

當(dāng)遠(yuǎn)距離搜索時(shí),使用全部陣元,此時(shí)波束寬度為3.2°,通過掃描完成±10°范圍內(nèi)的搜索,最遠(yuǎn)作用距離可達(dá)224 m;當(dāng)近距離搜索時(shí),需要覆蓋更寬的搜索范圍,為提高搜索速度,提出兩種快速搜索方案。

2 大角度快速搜索方案

該系統(tǒng)中波束切換時(shí)間為2μs,波束駐留時(shí)間為3.5 ms。完成遠(yuǎn)距離搜索用時(shí)24.514 ms。若采用相同的方式完成近距離搜索,需要搜索時(shí)間為112.064 ms。因此,完成一幀搜索用時(shí)136.578 ms。通常車載雷達(dá)要求幀速率達(dá)到20 Hz,即在50 ms之內(nèi)完成一幀的搜索?？梢娔壳霸撓到y(tǒng)無法達(dá)到要求,因此,針對(duì)近距離搜索提出如下兩種快速搜索方案。

2.1 方案一:寬波束收發(fā)

由線性陣列的半功率波束寬度[3]:

可知,當(dāng)波束掃描角度θB和陣元間距一定時(shí),減少陣元個(gè)數(shù)時(shí)可以增加波束寬度,從而減少使用波束的個(gè)數(shù),進(jìn)而減少波束切換時(shí)間,達(dá)到縮短搜索時(shí)間的目的。

當(dāng)單獨(dú)采用一個(gè)寬波束探測目標(biāo)時(shí),只能檢測波束覆蓋范圍內(nèi)是否存在目標(biāo),如果存在目標(biāo),由于波束較寬,其角度測量誤差較大,最大可達(dá)到波束寬度的一半。采用振幅和差測角來判斷目標(biāo)的方位,雖然不能提高角度分辨率,但是角度測量誤差將大大降低。

振幅和差測角的基本原理[4]如圖2所示。采用完全相同且彼此部分重疊的兩個(gè)波束,如果目標(biāo)處于波束重疊中心軸方向,則收到的兩個(gè)波束信號(hào)為等強(qiáng)度信號(hào),否則一個(gè)信號(hào)幅度將強(qiáng)于另一個(gè),并且目標(biāo)偏離波束中心軸越遠(yuǎn)則收到的幅度差越大。

圖2 振幅和差測角基本原理圖

實(shí)現(xiàn)方法如圖3所示。收發(fā)天線均為連續(xù)排列的4個(gè)陣元,在接收天線中,采用半陣法形成和、差波束,即每相鄰兩個(gè)陣元為一個(gè)通道,其中Σ完成兩通道信號(hào)的相加,輸出和波束信號(hào);Δ完成兩通道信號(hào)的相減,輸出差波束信號(hào)。

圖3 寬波束收發(fā)實(shí)現(xiàn)方法

通道1的輸出:

通道2的輸出:

式中,θB為波束指向,θ為目標(biāo)方位角,且N=2。那么輸出的和、差波束如下式所示:

當(dāng)θB=0時(shí),其和、差波束仿真如圖4所示。

圖4 和、差波束仿真圖

根據(jù)泰勒公式,在一定誤差范圍內(nèi),得到差和比:

此時(shí)形成的波束寬度約為25.2°,相比于3.2°的波束寬度,該方法將總的搜索時(shí)間降低到窄波束搜索方案搜索時(shí)間的12.5%,由于只使用了1/4天線,收、發(fā)天線增益總計(jì)下降了18 dB,搜索距離降低到63.3 m,但仍滿足近距離搜索的要求。

2.2 方案二:DBF接收

數(shù)字配相是數(shù)字多波束形成的一種方式,其原理如圖5所示。

圖5 數(shù)字配相原理圖

式中,N=28。最終得到歸一化陣列方向圖:

根據(jù)數(shù)字配相原理,方案二的實(shí)現(xiàn)方式如圖6所示。使用前4個(gè)陣元作為發(fā)射天線,發(fā)射寬度為25.2°的寬波束;用后28個(gè)陣元接收,每個(gè)陣元構(gòu)成1個(gè)接收通道,接收后在信號(hào)處理部分采用數(shù)字配相法,形成7個(gè)寬度約為3.6°的數(shù)字波束,進(jìn)而判斷目標(biāo)的角度。

圖6 DBF接收實(shí)現(xiàn)方法

7個(gè)波束的形成過程如圖6中數(shù)字信號(hào)處理部分所示[3]。令28個(gè)陣元接收到的信號(hào)矢量為X,X=[x0,x1,…,xi,…,x27],其中xi=Ii+jQi;第k個(gè)波束的接收信號(hào)矢量的加權(quán)矢量Wk=[w0k,w1k,…,wik,…,w27k]T,其中wik=exp[-jiΔΦBk];最終數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)輸出函數(shù)

例如,當(dāng)發(fā)射波束指向?yàn)?°時(shí),接收波束需要覆蓋±12.6°的范圍,形成的7個(gè)接收波束在3 dB處交疊,其仿真結(jié)果如圖7所示。7個(gè)波束的指向和相位補(bǔ)償如表3所示。

圖7 多波束接收仿真圖(發(fā)射波束指向?yàn)?°的情況)

表3 接收波束指向和相位補(bǔ)償(發(fā)射波束指向?yàn)?°的情況)

為實(shí)現(xiàn)±60°范圍的掃描,發(fā)射波束的指向應(yīng)分別為0°,±25.2°和±50.4°,其覆蓋范圍和相應(yīng)的接收波束指向如表4所示。

表4 發(fā)射波束覆蓋范圍和接收波束指向

天線陣列中各射頻通道的放大器、濾波器等模擬器件的固有誤差和模擬電路的幅相特性時(shí)變性使得天線系統(tǒng)存在幅度誤差和相位誤差,引起通道的不一致性,導(dǎo)致波束形狀的畸變,從而影響波束的指向精度[5]。此外,陣列單元的互耦作用也會(huì)對(duì)天線的性能產(chǎn)生不良影響。因此,在后續(xù)工作中,將對(duì)通道一致性以及收發(fā)互耦進(jìn)行深入研究。

3 兩種方案的對(duì)比

3.1 對(duì)比參數(shù)

天線口面和T/R模塊利用率:如表5所示,方案二充分利用了天線口面和T/R模塊,占用率較大。

測角精度:角度測量的極限誤差[3]可以近似表示為

取Km=1.38。二者的波束寬度分別為25.2°和3.6°,計(jì)算得到的δ分別為3.95°和0.57°,可見方案二的測角精度較高。

搜索時(shí)間:兩種方案均需要5個(gè)波束,搜索時(shí)間為17.51 ms。在不計(jì)其他處理時(shí)間的情況下,二者搜索時(shí)間相同。此時(shí)完成一幀搜索用時(shí)42.024 ms,滿足車載雷達(dá)對(duì)幀速率的要求。

探測威力:根據(jù)雷達(dá)方程,探測距離:

式中,θB為天線掃描角度,k為玻耳茲曼常數(shù),T0為等效噪聲溫度。經(jīng)計(jì)算,方案一的搜索邊界為63.0～89.1 m,方案二的搜索邊界為72.5～102.5 m。方案二的探測距離更遠(yuǎn)。

表5 兩種方案的對(duì)比

3.2 對(duì)比結(jié)論

通過上文對(duì)兩種方案的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn):方案二能充分利用天線口面和T/R模塊,盡量減少增益損失;二者搜索時(shí)間大致相同,但方案二的探測威力更大;采用DBF技術(shù),測角精度遠(yuǎn)高于方案一。

DBF技術(shù)在帶來以上諸多優(yōu)勢的同時(shí),也存在對(duì)信號(hào)處理的運(yùn)算需求較高的問題。但隨著信號(hào)處理芯片技術(shù)的發(fā)展和算法的優(yōu)化,現(xiàn)有的數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算能力可以滿足DBF技術(shù)的需求。

4 結(jié)束語

DBF技術(shù)進(jìn)一步發(fā)揮了相控陣靈活快速的波束掃描能力,可在不損失信噪比的情況下同時(shí)獲得多個(gè)獨(dú)立波束。此外,采用DBF技術(shù)可有效避免寬波束單脈沖測距的角閃爍問題,使車載雷達(dá)具有較強(qiáng)的多目標(biāo)能力。同時(shí),DBF技術(shù)還具有得到高性能超低副瓣天線等其他優(yōu)點(diǎn)。因此,相比于寬波束收發(fā),數(shù)字多波束接收是更好的方法,而且它不僅只適用于近距離、大角度搜索,也可應(yīng)用于遠(yuǎn)距離搜索。將DBF技術(shù)應(yīng)用于車載相控陣?yán)走_(dá),將極大節(jié)省搜索時(shí)間,精準(zhǔn)定位障礙,同時(shí)具備抗干擾能力,是未來車載雷達(dá)的發(fā)展方向。

[1]王斌,劉昭度,何瑋,等.車用測距雷達(dá)研究進(jìn)展[J].傳感器與微系統(tǒng),2006,25(3):7-8.

[2]嚴(yán)鑫,黃永明,王海明,等.LFMCW車載防撞雷達(dá)信號(hào)處理模塊研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2016,14(5):498-504.

[3]張光義,趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[4]鄭駒.基于ARM的單脈沖和差測角雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京:南京理工大學(xué),2015.

[5]涂水平.DBF系統(tǒng)幅相一致性測試關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京:北京理工大學(xué),2016.