车载防撞雷达研究与设计

李海涛 田宇航 任震 赵静

摘要

车载防撞雷达作为汽车主动安全的核心，可有效降低事故发生概率。本文设计并实现了一个车载防撞雷达系统，并提出一种新的目标探测算法，通过测试实验，该系统达到了预期设计指标。

【关键词】防撞雷达 多目标配对 DSP LFMCW雷达

车载防撞雷达是主动式安全技术的核心部件，其可以对目标实现自主检测，同时判断是否报警等功能。本文围绕车载防撞雷达系统展开了研究，分析其基本工作原理，搭建车载防撞雷达硬件平台，研究雷达系统的目标探测算法，实现汽车防撞雷达的测速和测距功能。

1 车载防撞雷达的基本原理

车载防撞雷达目的是获取目标的距离速度信息，根据策略采取有效措施并主动报警。

1.1 车载防撞雷达测距测速原理

线性调频连续波（LFMCW）雷达调制方式简单，具有优良测距能力并且功率小，是车载防撞雷达最常用的一种方式，因此采用LFMCW作为本文车载防撞雷达系统的工作体制。LFMCW体制雷达的工作原理是将信号的频率按照一定的线性斜率进行调制并发射，利用回波的时延来解算目标的信息。当目标运动时，目标会和雷达产生相对速度（具有多普勒频移），但存在距离速度耦合，LFMCW通过采用不同斜率的调制波来去除耦合效应，从而完成对距离和速度的解算。

1.2 车载防撞雷达的总体设计要求

道路环境的复杂决定了雷达系统应能够快速并且能够精准的探测本车周围目标。根据使用要求，对车载防撞雷达系统提出以下总体指标要求：

中心載频（f）：24.125GHz

波长（λ）：12.4mm

扫频带宽（B）：250MHz

距离分辨率（△R）：<1m

速度分辨率（△v）：<1m/s

水平波束宽度：≥15°

测距范围：1m-50m

最大可测速度：30m/s

更新时间：≤40ms

2 车载防撞雷达硬件系统的设计

2.1 雷达系统的整体结构方案

车载防撞雷达系统的整体结构方案见图1所示，系统以常见的LFMCW雷达系统为基础，主要是由收发天线、射频前端、中频信号调理模块、信号处理模块、调制波发生器组成。

2.2 雷达系统收发天线的设计

本文设计如图2所示阵列天线，并对其进行仿真，最终得到了满足要求的天线结构。如图3和图4为阵列天线的驻波比和天线的增益图结果，从图中可以看出天线在驻波比1.5以下的带宽为23.9-24.35GHz，总增益达到17dBi，水平辐射面内，-3dB处的宽度为-23°到18°，垂直辐射面内，-3dB处的宽度为-7.7°到-7.37°，基本满足指标要求。

2.3 雷达系统射频前端的设计

本系统主要基于微波套片（SG24T1，SG24R1），设计一个一发两收的射频前端，每个接收通道经过正交解调输出I信号和Q信号。图5为射频前端的原理图。

2.4 中频信号调理模块的设计

中频放大滤波模块的基本结构如图6所示，主要包括低噪声放大器，高通滤波器，可变增益放大器，低通滤波器。高通滤波器和低通滤波器形成一个距离门，使用高通滤波器来抑制处于近距离范围的耦合信号的功率，使用低通滤波器来消除位于探测范围之外目标的信号和混频器产生的镜像频率成分，同时滤除噪声。

2.5 信号处理模块的设计

车载防撞雷达系统中，信号处理模块的功能是将采样后的数据进行快速处理，使得系统具有实时性。信号处理模块完成对信号的采集、信号的积累、加窗FFT、频谱分析等步骤。本系统选择TI公司的TMS320F28335浮点DSP作为信号处理模块的核心处理器。

2.6 调制波发生器的设计

防撞雷达系统中，采用调制波信号控制压控振荡器（VCO）发射调频连续波，此系统中，采用DSP+DA的方式来产生调制波。如图7所示为DA模块的原理图。如图8所示为DSP控制DA模块输出的三角波并经过低通滤波器之后的实际测量图。

3 车载防撞雷达系统算法研究与设计

本节将对LFMCW雷达系统目标信息的预处理方法进行分析，其中包括加窗快速傅立叶变换（FFT）、信号积累、恒虚警率（CFAR），最后设计一种适合于本文车载防撞雷达系统的多目标配对探测算法并实现。

3.1 加窗FFT

本系统采用矩形窗来对信号进行处理，如图9所示为对一个非理想截断信号做加窗FFT之后的频谱图，从图中可以看出，加窗后的信号频谱主瓣的两侧依然有旁瓣，但是相对于主瓣来说，旁瓣已经被抑制的特别的低，可知加窗FFT可以有效地抑制频谱泄露。

3.2 信号累积

为更加容易地分辨出幅值较小的目标，则需要对目标的回波信号进行处理，增大中频信号的信噪比。通常可将解调后的I/Q信号分别作为FFT的实部和虚部，可以获得比单路信号更高的信噪比。图10为I路和I/Q两信号FFT后频谱对比。

3.3 恒虚警率（CFAR）处理

恒虚警率（CFAR）方法是一种检测算法，能够在不同的干扰背景下，使得信号检测保持恒定的虚警概率。最常用的CFAR方法是单元平均CFAR（CA-CFAR），图11为采用这种方法进行处理得到的效果图，可见目标均被检测出来。

3.4 多目标配对算法研究

对称三角波形可以解决距离速度模糊现象，但是在多目标的情况下，其无法准确地检测出多个目标，因此可能会带来频繁的假目标，会导致高的虚警率。为了降低虚警漏警问题并且不成倍增加计算量，本文提出了一种基于变周期三角波和三角波加恒频波的改进波形，如图12为本文提出的改进波形，包含一个恒频波，三段不同斜率的斜坡。

如圖13为改进波形算法仿真算法结果，由图13（a）可以看到经过第一次速度匹配时，并没有将所有的虚假目标（星形目标）都消除掉，依然会有虚警的存在，当经过第二次匹配之后，虚假目标已经全部滤除。

3.5 防撞雷达系统算法的设计

考虑到硬件方面算法的实现能力，同时保证测距测速精度，本系统采用改进波形交叉配对方法作为多目标识别方法，如图14所示为本系统算法的具体流程框图。

4 实验与结论

4.1 实验验证

4.1.1 室内测试

这里取一个固定目标，距离本系统雷达5米（空旷室内测试），测试环境如图15所示。由于速度为零，因此横频部分回波信号不必做分析。如图16所示为改进波形调制信号。两路I/Q信号信号累积做加窗复FFT变换，其频谱如图17所示。将累计信号FFT后的结果输入到CFAR处理后，得到检测结果如图18（前半轴），最后，经过两步频率匹配，可以得到目标的速度信息，图19是通过串口调试工具读取的实时计算结果，R，V分别为目标的距离与速度。

4.1.2 场外测试

选择室外环境进行实际测试如图2。所示。选择两个静止人物目标和一个运动的车辆目标，进行实际测量，测量结果如表1所示。从表1可以看出，测量多个目标时，最大测距误差为0.7m，测速误差为0.6m/s，满足设计要求。

4.2 结论

通过室内测试，以及场外实验，本文的车载防撞雷达可以在40ms内，完成一次目标探测，在多目标环境下可以保持较低的虚警率，可以实时并准确的将目标信息发送给电脑，实现了对前方目标的探测，满足设计要求。

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