李莎莎

(黑龍江工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050)

長期以來，在不同的領域中連續(xù)波(CW)雷達一直被用于檢測靜態(tài)和動態(tài)目標[1-4]。調頻連續(xù)波雷達(FMCW)是根據(jù)已知特性對發(fā)射信號的瞬時頻率進行調質，并將延遲的回波信號與發(fā)射信號相比較，產生差頻信號[5-10]，差頻信號的頻率中包含目標距離和速度信息。盡管FMCW技術已被應用很久，但直到20年前，電子電路實現(xiàn)的局限性被克服，F(xiàn)MCW技術才在現(xiàn)代雷達系統(tǒng)領域中的應用得以突破[11-13]。如今，F(xiàn)MCW技術已被開發(fā)成單芯片產品，并被廣泛應用于汽車行業(yè)的感知系統(tǒng)中[14-16]，如自動駕駛、自動泊車及防碰撞等系統(tǒng)中，該項技術也常被用于行人和車輛中違禁武器的檢測[17-20]。隨著該項技術的不斷成熟，F(xiàn)MCW雷達也有望被應用于高精度的鋼板探傷以及成像技術。

實際應用中，F(xiàn)MCW雷達系統(tǒng)的工作環(huán)境一般較為復雜多變，這就使得環(huán)境的變化會對雷達系統(tǒng)的測量帶來影響，這些影響因素是否使得雷達系統(tǒng)的測量精度產生較大誤差、所設計的雷達系統(tǒng)是否可有效避免外界環(huán)境產生的干擾而精確檢測到目標信息，這些問題都需要進行測試和驗證[21]。本文針對中心頻率70 GHz、帶寬7 GHz的調頻連續(xù)波雷達(FMCW)系統(tǒng)的距離測量精度進行檢測，搭建硬件平臺，改變雷達工作環(huán)境，實時采集雷達測量數(shù)據(jù)進行對比。

1 調頻連續(xù)波雷達工作原理

項目中對FMCW雷達系統(tǒng)展開研究，連續(xù)波信號的優(yōu)點是可以具有較低的峰值功率，雷達使用共用天線進行信號的發(fā)送及接收。但使用共用天線有可能會導致發(fā)射機信號泄露造成接收機的虛構，這可能會在非常短的距離內產生虛構的靜態(tài)目標。如果泄露信號大于接收機動態(tài)范圍，則泄露信號還可能會干擾接收機的正常工作[22-23]。本次實驗重點在于驗證環(huán)境對測量距離精度的影響，所以假設信號沒有發(fā)生泄露，僅研究接收信號包含的目標距離信息，F(xiàn)MCW的雷達測量原理如圖1所示。

圖1 FMCW測量原理

如圖2所示，發(fā)射信號與接收信號之間存在時間延遲τ和頻率差fb，目標的距離信息就包含在fb中，三角波帶寬B、調制周期T、時延τ及差頻fb之間的關系被稱為FMCW方程，如式(1)所示。目標靜止時距離與差頻的關系如式(2)所示。

圖2 三角波測距原理

(1)

(2)

2 實驗平臺

試驗采用FMCW雷達，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 FMCW雷達主要參數(shù)

由于該項目開發(fā)的FMCW雷達主要應用于汽車鋼板制作表面的工藝檢驗，所以對雷達探測目標環(huán)境中的水汽、灰塵及強干擾水滴給檢測結果帶來的影響更為關心，搭建測試平臺如圖3所示。實驗中將雷達固定于距離被測鋼板1.8 m處，由計算機實時收集雷達測量數(shù)據(jù)。

圖3 雷達測距實驗平臺

3 實驗設計及結果分析

3.1 實驗設計

實驗中雷達與目標鋼板距離固定，在鋼板表面工藝檢測中，外界干擾主要有鋼板表面的灰塵、水霧及加工過程中鋼板表面遺留的水滴，再有就是工作環(huán)境中雷達與目標鋼板之間存在的水霧及噴灑狀水滴，本次實驗模擬這幾種可能存在的干擾，提取有干擾情況下雷達對目標距離的測量數(shù)據(jù)，通過與無任何干擾情況下的雷達檢測數(shù)據(jù)作對比，記錄并分析各類干擾對FMCW雷達系統(tǒng)的影響。

實驗中利用水槍模擬雷達工作環(huán)境中的水霧和噴灑狀水滴，分別模擬以下幾種雷達工作環(huán)境：鋼板表面無水無塵、鋼板表面有水霧干擾、鋼板表面有強水流干擾、雷達與鋼板之間無干擾、雷達與鋼板之間有水霧干擾、雷達與鋼板之間有強水流干擾。

圖4分別顯示了以上干擾存在時的實際場景。

圖4 實驗中各種干擾的實際場景

3.2 實驗結果及分析

分別采集不同干擾級別情況下的FMCW雷達信號，相同干擾情況下，進行多次信息采集取均值，計算出差頻，通過式(2)可得到目標距離信息。圖5給出了不同干擾情況下，由于目標與雷達的固定距離大約為1.75 m，所以截取了1.5～2.5 m的頻率范圍，即7e3～12e3 Hz之間的頻率峰值為包含目標距離信息的差頻。

圖5顯示在無任何干擾情況下雷達提取的目標數(shù)據(jù)，經計算得出差頻為8 110 Hz、雷達與目標平均距離為1.737 9 m。該數(shù)據(jù)作為有干擾情況下雷達測量目標數(shù)據(jù)的參考對比。

圖5 無干擾情況雷達探測目標數(shù)據(jù)

如圖6所示，圖6(a)和圖6(b)分別為鋼板表面有輕微水霧干擾和有水滴狀水流強干擾情況下雷達的提取目標信息，計算得出的差頻值及目標平均距離。結果顯示鋼板表面存在輕微水霧時測得的差頻為8 089 Hz，目標平均距離為1.733 4 m。鋼板表面呈水滴狀水流干擾時測得差頻為8 195 Hz，平均距離為1.756 2 m。

圖6 有干擾情況下雷達探測目標數(shù)據(jù)

圖6(c)和圖6(d)分別為雷達與目標鋼板間存在輕微水霧干擾和噴濺狀水流干擾情況下雷達的提取目標信息，及計算得出的差頻值及目標平均距離。結果顯示雷達與目標鋼板間存在輕微水霧時測得差頻為8 148 Hz，目標平均距離為1.745 9 m。雷達與目標鋼板間存在噴濺狀水流干擾時測得差頻為8 298 Hz，平均距離為1.778 1 m。

實驗結果顯示，輕微水霧作為干擾時，無論是在鋼板表面還是存在于雷達與鋼板之間測得的最終距離值分別為1.733 4 m和1.745 9 m。與無任何干擾情況下測得數(shù)據(jù)為0.004 5 m和0.008 m誤差相比，鋼板表面有水滴狀水流干擾時測得平均距離為1.756 2 m，誤差明顯增大。雷達與鋼板之間有噴濺狀水流干擾時測得平均距離為1.778 1 m。由此可以看出，當干擾情況加劇時測量誤差會增大至0.018 4 m和0.040 2 m，且雷達與鋼板之間的干擾與鋼板表面的干擾相比對測量精度的影響更大，從而產生較大的測量誤差，但誤差范圍仍在合理范圍內。傳播介質中干擾帶來的誤差比目標表面干擾產生的誤差明顯加大，這是由于傳播介質的改變對雷達的測距精度影響較大，為避免這些干擾帶來的測量誤差，可根據(jù)不同情況對接收到的中頻信號進行FFT等算法處理，可有效降低誤差，這也是該項目后續(xù)即將展開的研究工作。

4 結 語

綜上所述，本文針對77 GHz的FMCW雷達系統(tǒng)鋼板進行距離檢測及測量精度研究，并在實驗過程中模擬實際汽車生產線工作環(huán)境給雷達檢測帶來的干擾情況，分別模擬了鋼板表面有水霧和水滴狀水流的干擾，以及雷達與目標鋼板之間存在水霧和噴濺狀水流干擾四種干擾類型，計算干擾作用下雷達系統(tǒng)的測量精度，分析影響FMCW雷達系統(tǒng)測量精度的主要因素。該項研究意義在模擬雷達工作過程中可能存在的干擾因素，如霧氣、水滴等。分析干擾變化對該雷達系統(tǒng)測距精度的影響，可為雷達系統(tǒng)的開發(fā)提供前期驗證，也可為雷達系統(tǒng)各項參數(shù)的修正及優(yōu)化提供參考依據(jù)。

本文重點研究干擾對雷達測量精度的影響，并未對信號的數(shù)據(jù)處理做過多優(yōu)化，這也是未來工作中需要進一步研究的方向。