蔡俊, 李楊, 王飛

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

近年來，煤礦井下電機車追尾、相撞事故時常發(fā)生，為電機車安裝一套測距防撞預警系統(tǒng)可有效避免事故的發(fā)生。

以往系統(tǒng)大多采用紅外線、超聲波和激光等方式對前方電機車或行人進行測距，達到預警目的，但受測距精度、測距范圍等條件影響，測距效果并不理想。

為有效解決上述問題，本文對基于IVS-179的礦用電機車毫米波雷達測距防撞預警系統(tǒng)進行了研究。仿真結(jié)果表明系統(tǒng)能夠準確測量出前方機車或行人距離。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：同向行駛機車，安全距離保持100 m以上且直行限速5 m/s、彎道2 m/s[1]。本系統(tǒng)的預警閥值設為100 m和50 m。當機車前方100 m處出現(xiàn)障礙物時進行聲光報警，但障礙物也可能是岔路或信號桿，系統(tǒng)嵌入一中斷程序，司機可按中斷按鈕停止報警。若50 m處出現(xiàn)障礙物則再次報警并自動減速、剎車。整個系統(tǒng)測距設計范圍可達200 m。

1 毫米波雷達測距原理

毫米波雷達的調(diào)制采用線性調(diào)頻方式(LFMCW)，經(jīng)調(diào)制后壓控振蕩器(VCO)輸出發(fā)射信號，其頻率隨三角波變化，大致如圖1所示?；夭ㄐ盘栴l率也隨三角波變化，只是在時間軸上延遲Δt，其值大小與探測物距離L的關系可表示：Δt=2L/c，c為光速[2-3]。發(fā)射信號頻率f范圍為24～24.1 GHz，調(diào)制周期T為50 ms，采樣頻率Fs為100 MHz。由于電機車和行人的速度很小，只有幾米每秒，產(chǎn)生的多普勒頻移fd(單位Hz)相對中頻信號IF(單位MHz)很小，可忽略不計。

(1)

式中:v為目標速度。

根據(jù)圖1三角關系得到式(2)，其中B為調(diào)制帶寬：

(2)

由式(2)可得距離L與中頻信號關系式為：

(3)

由式(3)可看出只要知道中頻信號頻率就可求出前方機車或行人的距離。

圖1 FMCW雷達測距原理

2 礦用電機車防撞預警系統(tǒng)架構

圖2 防撞預警系統(tǒng)架構框圖

本防撞預警系統(tǒng)架構主要以德國Innosent公司生產(chǎn)的IVS-179型雷達傳感器為核心，進行信號的發(fā)射與接收，采用集成芯片MAX11043進行信號調(diào)制、解調(diào)與放大，自主設計電路進行帶通濾波，信號經(jīng)AD采樣后，用Xilinx公司的Spartan3系列高性價比FPGA芯片XC3S1500進行FFT、譜峰搜索等處理，計算出距離并判斷、報警與制動[4-5]。具體的系統(tǒng)架構如圖2所示。

3 防撞預警系統(tǒng)仿真測試

在系統(tǒng)硬件搭建之前，需對整個系統(tǒng)進行仿真，以預見系統(tǒng)方案的可行性，仿真平臺為MATLAB。

3.1 發(fā)射信號仿真

發(fā)射信號在區(qū)間[0,T]的表達式為：

St(t)=A0cos(2πf0t+πut2+φ0)

(4)

圖3 發(fā)射信號局部放大時域圖

式中：A0、φ0分別代表發(fā)射信號的振幅和初相位，分別取值1和0;u=B/T為調(diào)頻斜率;t為時間；f0為調(diào)制信號中心頻率。MATLAB里仿真得到的發(fā)射信號時域圖如圖3所示(局部放大)。

3.2 回波信號仿真

圖4 兩目標回波信號時域圖

本系統(tǒng)仿真對前方100 m、160 m兩處目標進行測距，回波信號相對于發(fā)射信號有一延時Δt=2L/c,聯(lián)系實際情況考慮到電機車或其他目標的速度不會超過5 m/s，所以產(chǎn)生的多普勒頻移fd相對于回波信號頻率很小，可忽略不計。兩目標回波信號時域圖如圖4所示。

3.3 中頻信號仿真

圖5 兩目標中頻信號時域圖

系統(tǒng)中頻信號是指發(fā)射信號與回波信號混頻后的信號，考慮到目標相對遠距離來說可看成簡單點目標，可忽略目標反射相位。目標混頻后時域圖如圖5所示。

圖6 100 m、160 m處目標中頻信號頻域圖

從時域中很難看出信號特征，需變換到頻域中，兩目標中頻信號FFT變換后波形如圖6所示，其中包含兩目標中頻信號的坐標。

由圖6中的坐標(X軸)可看出兩目標中頻信號頻率(Hz)分別為：

IF1=2.647×106,IF2=4.236×106

(5)

代入式(3)可得距離(m)為：

(6)

計算結(jié)果與假設距離100 m、160 m基本一致。計算結(jié)果在MATLAB中顯示如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)仿真測距顯示圖

3.4 基于MATLAB的數(shù)字濾波器的設計

由于系統(tǒng)在井下存在較大的噪聲雜波污染，有來自內(nèi)部和外部，A/D采樣得到的數(shù)列存在較多雜波，影響測距精度，需對中頻信號進行濾波處理。

圖8 加入噪聲后中頻信號頻譜圖

信號混頻后加入信噪比SNR為-10 dB的高斯白噪聲，加入后的中頻信號頻譜如圖8所示。

從圖8中明顯看到噪聲污染嚴重，兩目標的譜線要被噪聲淹沒，影響后期信號處理，造成誤判，此時濾波就顯得尤為必要。

本系統(tǒng)采用無限長沖擊響應(IIR)數(shù)字濾波器進行濾波，其差分方程為：

(7)

系統(tǒng)函數(shù)為：

(8)

圖9 帶通濾波器幅頻響應曲線

圖10 帶通濾波后兩目標中頻信號頻譜圖

本文利用MATLAB濾波器相關函數(shù)設計了一個切比雪夫帶通濾波器。首先確定濾除頻率范圍，通帶上、下限頻率分別對應最大距離時中頻信號頻率和最小距離時中頻信號頻率，再結(jié)合實際電路給定具體參數(shù)、系數(shù)，最后利用cheb1ord()、cheby1()函數(shù)計算切比雪夫濾波器的系統(tǒng)函數(shù)和階數(shù)并用filter函數(shù)進行濾波。其中，通帶衰減和阻帶衰減分別為0.3 dB和15 dB。參數(shù)設定后得到帶通濾波器幅頻響應曲線如圖9所示。

中頻信號濾波后的信號頻譜如圖10所示。

與圖8濾波前信號頻譜圖對比可發(fā)現(xiàn),兩目標譜線兩端的噪聲得到了明顯濾除，兩根譜線更加明顯，有利于后期譜峰搜索，同時性噪比又得到了提高，根據(jù)MATLAB里Workspace可列出表格，如表1所示。

表1 濾波前后性噪比值對比

表1中，SNR表示濾波前中頻信號信噪比，SNR_after表示濾波后中頻信號信噪比，通過數(shù)字可直觀地看出性噪比得到了明顯的提高。

3.5 帶通濾波器硬件電路實現(xiàn)

在MATLAB中對帶通濾波器進行了仿真，濾波效果良好，接著根據(jù)MATLAB給出的參數(shù)對濾波器進行硬件電路設計，計算低通濾波器元件值，再通過頻率變換得到歸一化后的帶通濾波器元件值[6]。最后得到5階帶通濾波器電路如圖11所示。

圖11 無源帶通濾波器硬件電路

圖11中的L、C值都是理論計算得來的，實際電路中沒有合適的器件，可用數(shù)值接近的標稱值電容代替計算得到的非標稱值電容，再通過改變電感數(shù)值來抵消電容改變帶來的影響，使修改后的電容和電感依舊諧振在中心頻率上[7]。

4 結(jié)束語

對于電機車雷達測距系統(tǒng)，提出以雷達傳感器IVS-179為核心的中遠距離測距預警方案。利用MATLAB對系統(tǒng)探測前方多目標的過程進行了仿真分析，并設計了一種能夠濾除各種低高頻噪聲的濾波器，仿真結(jié)果預見了方案的可行性，對礦用電機車防撞預警系統(tǒng)的研制具有一定的參考意義。同時所設計的濾波器濾波效果明顯，濾波后目標譜線清楚明了，系統(tǒng)性噪比得到了顯著提高，為系統(tǒng)后續(xù)處理工作提供了準確的距離信號。