车辆前向防撞雷达的一种设计方法

高一栋 刘 帅 洪香茹

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

车辆前向防撞雷达提供高精度测目标的距离、方位、速度等信息，距离信息通过采样单元进行解算，速度信息通过多普勒频率进行估算，而目标方位信息可通过多通道采样进行估算获取。对于目标方位向信息的获得，有多种天线方案可供选择，如相控阵天线、带有伺服系统的机械天线、固定波束切换天线等。但是，他们都有各自不足，不适合小型化防撞雷达的需求。如机械扫描天线，具有伺服系统的机电一体化天线，体积较大，结构复杂，可靠性差，不适合安装在车辆前方；固定波束切换天线，其分辨力较低，测角精度差；毫米波相控阵天线体制，目前比较成熟，可获取较高的方位精度，缺点是系统成本高、效率低、功耗较大。使用多通道时分复用阵列天线体制，可克服上述天线缺点，稳定性好、成本低，通过采用的空间数据进行方位估计，可获得较高的精度。

目前，采用单个发射天线，多接收天线多通道接收机的调频连续波体制模型最为广泛，通过集成多通道接收机，进行多通道AD同时采样，利用FFT，快速进行数字波束合成，获得距离、速度、方位向的估计[1]。这种系统模型主要存在的问题如下：

1)每个接收天线连接一个独立的接收通道，结构复杂、功耗高、体积大，增加了整个系统成本。

2)由于系统采用了各个独立的接收通道，而各个通道的幅相不一致，导致方位估计精度和分辨率变差。

为解决上述问题，本文提出了一种新型的雷达结构模型，缩减接收机通道，由单通道接收机代替多通道接收机。采用时分复用体制，这种结构模型，使用单个发射天线，多个接收阵元，各个接收阵元通过射频开关，时分复用连接单通道接收机。相对于传统多通道天线阵列模型，该模型电路结构大大简化，具有更低的成本，在降低了功耗的同时，可靠性大大提高。

1 雷达模型

为了准确阐述这种时分复用阵列雷达模型，从基本模型开始，到多通道阵列雷达模型，然后建立时分复用阵列雷达模型，再进行原理介绍，最后给出相关系统框架及模型。

1.1 基本调频连续波雷达模型

基本模型具有单个发射天线和单个接收天线、信号产生器、接收机以及信号处理模块组成，模型如图1所示。

图1 基本连续波雷达系统框图

雷达发射的线性调频连续波(Linear FMCW, LFMCW)信号形式，采用锯齿波或者三角波对发射信号的频率维进行周期调制，另外可根据需要，增加一段点频连续波信号进行速度解算[2]。接收机接收回波信号与发射耦合信号进行混频，其调频连续波差拍原理如图2所示，图中显示了两者频率变化的相对关系，实线为发射信号，虚线为回波信号。

图2 调频连续波雷达的工作原理

雷达发射信号形式如式(1)所示，f0为发射信号的频率，B为调频连续波的信号带宽，T为发射信号的时宽。

(1)

假设场景内只有一个目标，则接收到的目标回波信号为

(2)

其中，a为接收信号的幅度，c代表光速，τ为接收到的目标信号时延，υ为目标相对于雷达的径向速度，R为目标在零时刻时，相对于雷达的初始距离。

雷达接收到的回波信号与发射耦合信号进行混频，得到其差拍信号形式为

(3)

(4)

由于B≪f0,V≪c，差频公式可以近似为

(5)

假如场景内有K个目标，式(5)可扩展为

(6)

1.2 多通道阵列系统框架模型

多通道阵列系统框架模型如图3所示，该系统具有多个同时接收阵列天线和一个发射天线，接收天线阵元对应多个接收通道。若系统有M个接收天线，M个接收天线接收到回波信号，进入M个接收通道，与发射耦合信号进行混频后通过M路AD采样，然后通过信号处理解算目标的距离、方位及速度。

图3 接收多通道阵列雷达系统框图

(7)

在方位角θ，第m个阵元接收到的信号回波为

xm(t)=ax0(t-tm)

(8)

(9)

(10)

因此，可以得出混频后信号为

(11)

将tm带入上式可得

(12)

假如场景内有k个目标，则式(12)可扩展为

(13)

我们可以将式(13)写成矩阵形式

Q(t)=A(θ)S(t)

(14)

(15)

(16)

对多个通道同时采样，共采集N个点，t=(n-1)Ts，n=1,2,…,N，得到的数据为Q(n)=A(θ)S(n) ,n=1,2,...N。该数据矩阵是用来对目标成像估计方位、距离、速度的数据基础。

1.3 时分复用阵列系统框架模型

时分复用阵列系统和多通道阵列雷达的区别在于，由M路接收机简化为1路接收机，原系统同时对M个接收天线混频后的信号进行采样，模型升级后如图4所示，依据一定的时序，对M个接收阵元的混频信号，通过高速开关，进行串行采样，M个接收通道共用一个接收机。

图4 时分复用阵列雷达系统框图

信号接收采样模型如图5所示。

图5 多阵元分时接收模型

对其量化，假如在第m个阵元第n次循环，采样时刻为t={(n-1)M+(m-1)}Ts，带入到式(17)中

(17)

可得

(18)

重新整理可写为

Qn,m=

(19)

同样写成标准形式

Q(n)=A(θ,R)s(n)

(20)

(21)

α(θk,Rk)=

(22)

2 雷达组成

根据上述时分复用阵列系统框架模型，雷达系统由天线系统、射频开关矩阵、单通道接收机、频综模块及信号处理组成。其中，射频开关矩阵，根据一定的工作时序，切换16组接收天线的回波信号到接收机。信号处理模块、数据处理模块共用同一硬件平台，用软件实现不同的功能。其组成框图见图6所示。

图6 系统组成

天线系统与射频开关矩阵实物如图7所示。通过射频开关矩阵，依次接收天线回波信号，射频信号经接收机混频转换为中频模拟信号后，经AD采样后转换为14位有符号整型数；完成数字下变频、数据重排等处理；使用乒乓缓存接收数据，同时完成整型到浮点格式转换，进而进行距离维FFT、方位维FFT、恒虚警处理，经门限判决后，得出检测结果(目标距离和方位)；并对三角波上升和下降阶段的检测结果进行配对，得出检测结果(目标距离、速度和方位)，最后进行目标配对，解耦合处理，解耦合方法见文献[3]，处理过程如图8所示。

图7 天线与射频开关矩阵实物图

图8 处理过程

3 接收机参数估算

3.1 接收机带宽估算

容易得到，相邻通道，在一次Ts采样间隔内，相位变化为

(23)

接收到的信号频率实际为

(24)

若取最大扫描角θ为10°，Ts取10 MHz，单频信号频率取最大值0.36 MHz，可以计算出Δf=2.96 MHz，如果Ts取20 MHz，Δf=5.56 MHz。

3.2 射频开关切换速率

该雷达系统设计调频带宽B=400 MHz，调制周期T=1.5 ms。传感器的距离覆盖范围为5～200 m，相应的回波时延为0.033～1.33 μs。

fmax=k·τmax+fdmaxfmin=k·τmin-fdmax

(25)

其中：fmax为最大拍频，fmin为最小拍频，k为调频斜率，fdmax为最大多普勒频偏，容易计算出

fmax=400 MHz/1.5 ms·1.33 μs + 7.7 k=0.36 MHz

fmin=400 MHz/1.5 ms·0.033 μs - 7.7 k=2.4 kHz

最大拍频为0.36 MHz，根据采样定理，Fs是由最大拍频决定的, 为了避免频谱混叠，Fs必须大于最大拍频的两倍，单个通道的采样率至少为信号频率2倍关系。系统设计了16组阵列天线，共用一路接收机，高速在16个接收通道循环采样，通道间切换速率为：0.36×2×16=11.52 MHz。工程实现中，目前射频开关切换速率可达到10 MHz，由其影响的作用距离约为175 m左右。

4 信号处理流程

4.1 AD采样

AD变换器对输入信号在时间上等间隔采样，并将采样得到的信号在幅度上量化，从而将模拟信号转换为数字信号，以便进行数字处理。AD变换器的采样频率应满足Nyquist采样定律，即采样频率应大于输入信号最高频率2倍以上，才能避免采样引起频谱混叠。考虑到经开关、混频后的接收信号带宽为10 MHz，采样率应大于20 MHz，此处选取40 MHz的采样率以满足信噪比改善因子和中频采样要求。

将AD采样的数据按照接收天线数据进行重新排列，假设有16组接收天线，采样后根据采样时刻将接收到的数据重排为16组，排列后如图9所示。

4.2 距离维成像

对于重排后的每一路信号，按照图10所示的流程对数据分组作FFT，然后进行合并，获得距离维成像结果。各个接收天线数据做FFT，获得距离维成像结果。

图9 采用数据重排示意图

图10 距离维成像流程图

4.3 方位成像

方位维成像有两种方式：一种是数字波束合成，利用FFT实现，计算量小，但角度分辨力较低；另一种是构建Capon空间滤波器，如图11所示，需要估计自相关矩阵并进行矩阵求逆，角度分辨力较高，但计算量很大。

数字波束合成可以看做是检测信号的空间频率，对同一距离单元上的16个数据作FFT，获得方位维成像结果，为了使方位精度达到1°，补零作32点FFT(方位精度为1.220°)。

Capon波束形成，其波束形成系数向量形式为式(26)，其中R是观测的快拍向量Q(n)的自相关矩阵。自相关矩阵利用待检测距离单元左右邻近4～5个距离单元的数据(目标约覆盖4～5个距离单元)进行估计。

图11 Capon空间滤波器

(26)

各天线接收数据分别经过FFT进行距离维成像后，对于不同的角度θ进行波束形成系数加权并求和，得到该方位上的能量估计。

ω(θ)=[ω1(θ),ω2(θ),…,ωM(θ)]T

(27)

4.4 目标检测

在没有干扰背景统计分布的先验知识时，可采用非参数CFAR检测器：两侧单元平均选大电路即 GO-CFAR。在被检测单元两侧各选取M个单元，分别求这M个单元的均值，两者选大后输出，乘以门限乘子K作为检测门限。在工程应用中，通常选择两侧单元数为8或16个，被检测单元的左右邻近2～3个单元不参与本单元的恒虚警率门限产生统计，以免目标信号自身(一般目标可能占到三个距离单元)对恒虚警率门限产生影响。

4.5 目标凝聚

最后再对检测出的目标进行点迹凝聚，由于目标可能会跨越相邻的几个距离单元，对于经过CFAR处理后过门限的相邻的距离单元按质心法进行凝聚处理，如图12所示。

图12 目标凝聚

凝聚准则：对相邻单元的目标按式(27)凝聚成一个目标；对出现在不相邻单元的目标报告认为是两个不同的目标。

5 仿真分析

仿真场景中分布了5辆汽车，每辆车设有5个散射点。其中第1辆车：距离70 m，距离中线4 m，车宽2.5 m，车长10 m；第2辆车：距离30 m，距离中线2 m，车宽2 m，车长6 m；第3辆车：距离40 m，距离中线-4 m，车宽2 m，车长6 m；第4辆车：距离180 m，距离中线-4 m，车宽2 m，车长6 m；第5辆车：距离180 m，距离中线4 m，车宽2 m，车长6 m。车辆速度分别为20 m/s、25 m/s、-20 m/s、-15 m/s、10 m/s。

以第一辆为例，根据车辆起始位置，车辆宽度、长度计算车辆的5个散射点相对于雷达的距离与方位：

car_start_x = 70; car_start_y = 4; car_width = 2.5; car_length = 10;

range = start_x+[0,0,car_length/2,car_length,car_length];

azimuth=atand(car_start_y+[0,car_width,car_width/2,0,car_width])./car_range。

接收信号的表达式为x(t)=x0(t-Δt)，此处Δt为车辆第K个散射点，相对于第M个天线阵元的回波时间，可通过该散射点距离方位(range，azimuth)与天线阵元相对关系获得，延时为：tstart = 2×Range(Kidx)/c+(Midx-1)×d×sind(Azimuth(Kidx))/c，根据此延迟时间构建接收信号。发射与回波信号的时域图如图13所示。

将回波信号与发射信号进行混频，得到多个点频信号，进行FFT运算得到距离成像。混频及FFT运算结果如图14所示。

其次，对所有通道的距离成像数据叠加，再进行方位成像结果如图15所示。

图13 发射与回波信号

图14 距离成像(此频域代表距离)

图15 全部通道-距离成像及方位成像结果

最后，对目标进行检测，再进行凝聚，如选取道路护栏宽度为16 m，进行绘制护栏与目标，如图16所示。

6 试验结果

试验样机装配调试完成后，在试验场(见图17)、郊区田野(见图18)、国道(见图19)、城市道路(见图20)及某基地靶场(见图21)进行各项试验。试验期间，对雷达的工作模式，距离范围、方位角范围，平台行驶速度，距离精度、方位精度，方位分辨率等指标进行了测试，均符合设计指标要求。

图16 目标测试结果及道路绘制

图17 角反射器探测试验

图19 公路两侧护栏探测

图20 城市环境跑车试验

图21 单目标运动车辆跟踪试验

图22 方位分辨率测试

7 结束语

文章阐述了一种车载前向防撞雷达方案，建立了一套时分复用阵列体制的系统模型，该模型具有多个接收天线，通过射频开关按照一定的时序共享一个接收通道，大大精简了系统的体积和成本，雷达进行了跑车试验，开展了性能验证，主要指标达到预期效果，该方案对于小型化雷达设计提供了一种方法与思路，具有较强的可行性和工程使用价值。