FM-CW 雷达接近传感器在机电一体化产品中的应用研究

佟戬

摘要：本文主要确定并讨论了对用于机电一体化产品的低成本中程接近传感器的需求，并具体参考了汽车应用领域。满足这一需求的一个候选解决方案是 27 GHz 频率调制连续波雷达系统，用作测距仪。从返回信号中释放距离信息的方法，并运用离线数据分析的结果，介绍在典型产品中实施的实时系统。

关键词：传感器;汽车应用;测距仪;实时系统

1.引言

机电一体化产品设计问题解决方案的基础技术之一是使用传感器通过基于计算机系统识别外部环境的状态。虽然短距离 （<5 m） 的低成本传感器在商业上可用，但这种低成本的中距离传感器（1- 300 m）大概率在某些天气条件下（例如雾、喷水）会退化。汽车在进行外部障碍物检测时特别需要中距离的物体检测，并且传感系统的单位成本必须低，因为产量大，成本利润率低。在许多其他情况下（例如安全系统），静态物体的距离感测是避障的一个问题，而次声和激光等技术可应用于在有限的情况下，能够在所有天气条件下运行的更强大的系统是必不可少的。拉夫堡大学的机电一体化研究小组一直在研究调频连续波 （FM-CW） 雷达作为从静态和移动物体获取距离信息的一种手段，这些信息对汽车行业的导航系统或二级安全系统感兴趣。近来，毫米波雷达作为汽车避障传感器的研究显着增加。

这种雷达波长在恶劣天气中的高性能 [1] 使其特别适用于汽车应用，现代数字信号处理极大地扩展了处理毫米波数据的选择雷达[2]。

受到英国交通研究实验室 （TRL） 工作启发的一个特殊设计问题是需要一种先进而低成本的传感器，用于对摩托车的正面碰撞情况进行提前警告 [3]。该传感器已明显扩展到汽车市场。

2.传感器需求的识别

TRL的工作建议是在摩托车上使用安全气囊的情况下正面碰撞可以显着减少死亡和伤害，特别是当撞击对象是汽车的侧面时，例如可能发生在汽车驾驶员从侧面路口拉出时看不到迎面而来的摩托车的情况。 显然，虽然汽车驾驶员（和摩托车手）意识需要提高影响以减少这些事件的发生，TRL 认为一项技术解决方案值得研究。

如果可以提供某种形式的冲击传感器，其成本低、运行稳健且长期耐用，则可用于在冲击之前很好地触发安全气囊，提供额外的部署灵活性根据预测的撞击速度，骑手拟人化特征和骑行姿势[4]。显然，这种方法对汽车乘员在正面、背面，尤其是侧面碰撞中都有好处，因为那里的结构甚至比摩托车的前部还要少。

可以提供独立于附加车速传感器的范围信息的雷达传感器将是优选的。

3.FM-CW 雷达接近传感器

在三角调频连续波雷达中，传输的信号作为时间的三角函数改变。

雷达单元的原理工作基于上述理论。 单喇叭型天线用于集中发射雷达信号并接收来自反射雷达目标的回波。物理尺寸雷达枪的尺寸为 22 x 22 x 40 （L） mm，非常适合用于低成本商业雷达应用。

在实践中，距离之间的关系由于影响雷达的各种因素，其拍频很复杂，例如噪音和的小变化雷达调制频率，尤其是当雷达回波与雷达系统噪声相比较弱时。在这些条件下，很难直接提取拍频。

3.1. 雷达试验台

为了了解雷达如何响应不同距离的目标，需要创造一个人造环境，不受附近其他物体的影响目标，使目标更容易被雷达探测到。

因此雷达可以更好地理解用于检测目标的输出信号。这是分析更复杂的雷达输出信号的测试原理。使用的雷达目标是一个由 1 毫米厚黄铜板制成的三面角反射器边缘尺寸为 75 毫米。雷达指向反射面的中心。 细节现在将概述雷达信号处理系统的设计。

3.2. 典型雷达输出信号

为了找到简单有效办法至提取波从雷达输出信号，然后从波中提取距离信息。有很多案件需要調查。

两个极端是雷达未检测到目标，已检测到具有高效能的目标雷达区域，即一个简单的目标。其他情况更复杂，例如不同距离的多个雷达目标;或者一个目标的效果非常低雷达区域，即来自目标的雷达回波信号很弱; 一个移动目标在这些情况下，雷达输出纹波上的锯齿波会更复杂。本研究仅涉及处理雷达当它用强雷达探测到单个静止目标时输出信号不同距离的标识。更复杂的案件将在下一阶段的研究。

4.雷达信号处理系统

该系统的主要功能是建立一种方便的提取手段使用Matlab离线从雷达输出信号得到拍频信号，从而允许识别到雷达目标的距离。

4.1.系统配置

系统的概念是如果已知“无目标”情况的雷达响应，则该信号可以是当目标存在时从雷达输出信号中减去。两者的区别应该是雷达回波对雷达输出信号的影响，加上噪音。对于这种情况，该信号应以拍频为主存在明确定义的目标。快速傅立叶变换可用于从信号中提取拍频分量。雷达信号预处理电路的作用是放大雷达信号的锯齿纹波部分并去除直流分量。由于dc 分量不包含任何有用的信息并且具有更高的水平高于正在研究的纹波信号，它必须被删除，以便放大纹波信号并避免运算放大器饱和。

4.2. 离线信号处理

整个信号分析过程是在 Matlab 中离线完成的，这种方法应该是可以使用商业系统的 DSP 方法实时实现。这两个信号的幅度需要与相位一起归一化参考以实现这一目标。

为了获得雷达信号数据集来测试这些想法，放大的雷达信号是直接连接到数据采集软件进行采样。然后使用 Matlab 离线处理采样信号。PC30-D Ato D板用于将放大的雷达信号数字化。

5.实时执行

实际系统的实际实现允许以 30 Hz 更新 1024 pt FFT。这原则上允许目标接近跟踪和影响预测。这是一部分正在进行的研究计划。

6.结论

在本文中，需要一个接近传感器来提前预警对汽车使用的影响。建议的方法是使用三角调频连续波单天线雷达，提供灵活、低成本和高性能范围传感器。一种直接而有效的技术描述了从雷达输出信号中提取距离信息。虽然从信号中提取距离信息的过程由离线完成方法，它可以很容易地在实时系统中实现，例如，使用 DSP技术。现在更具挑战性的任务是调查目标较弱的雷达剖面和快速移动的目标，例如存在于拥挤的道路上系统。

参考文献

[1]低桥PL。用于智能车辆巡航控制的低成本毫米波雷达系统应用程序。微波杂志 1995;38（10）：20--33。

[2]炉灶股份公司。汽车雷达。应用微波 1993 年;春季：102--15。

[3]Bowdrey M. 摩托车安全气囊系统，硕士论文，拉夫堡大学，1994 年。

[4]King PD、Jackson MR、Galer Flyte MD、Grafton AJ。智能座椅方法。传感器评论1996年; 16（4）：25--30 ISSN 0260--2288。

[5]斯科尔尼克 ML。雷达系统简介，McGraw-Hill Book Company，ISBN 0-0-7-057909-1，82.