1、第 1 页 共 26 页汽车防撞系统接收电路设计摘要：鉴于高速公路上汽车追尾碰撞事故比例日渐增多的状况。汽车防撞系统的研究越来越受到重视。对于智能交通系统(ITS)中汽车防撞雷达的研究已在世界范围内广泛展开。防撞雷达系统对于提高交通安全、减少事故损失将起到重要作用，其研究具有极大的现实意义和广阔的应用前景。本文首先介绍了汽车防撞系统的各种工作方式，通过对比分析选择了线性调频连续波(LFMCW)的毫米波雷达。其结构简单、发射频谱窄、接收处理简单，几乎不存在距离和速度的模糊。接着阐述了毫米波汽车防撞雷达的测距、测速原理。根据实际系统的要求,对毫米波汽车防撞雷达的性能提出参数化要求，确定了实际工作频
2、段。 最后本文设计了毫米波汽车防撞系统的接收电路，重点阐述了接受电路的各个组成部分，对各部分硬件电路原理及器件选择进行了详细说明。关键词: 汽车防撞系统，毫米波雷达，接收电路第 2 页 共 26 页Design of Receiving Circuit of Anti-collision System of VehiclesAbstract：Research on anti-collision system of vehicles becomes more and more significant，because the collision accidents increase on free
3、ways day by day. The research on automotive anticollision radar of Intelligent Transport System has spreaded in world wide range Anticollision radar has very important use to increase traffic security and decrease accident loss，the research on which has huge realistic meaning and wide application fo
4、regroundFirst in the test, kinds of anti-collision system of vehicles were introduced. By analyzing, it adopts millimeter radar of linear frequency modulated continuous wave (LFMCW). This method makes system structure simple; the sending spectrum is narrow, the receiving process is not complicated,
5、the effect is obvious. Next, it states the principle of the distance and velocity measurement of millimeter radar . The whole system was simulated to determine parameters of each component according to practical request and current components manufacture lever. In addition, the carrier frequency is
6、confirmed.Finally, it design the receiving circuit of millimeter radar of anti-collision system of vehicles, detailedly elaborating the constituent part of the receiving circuit, as well as advanced schematic and choice of device.Keyword: anti-collision system of vehicles，millimeter radar，receiving
7、circuit第 3 页 共 26 页1 绪论1.1 汽车防撞研究意义近年来汽车交通事故每年在全世界导致大量的人员伤亡和财产损失，迫使各国政府和汽车生产企业投入大量的人力物力从事汽车安全性研究。而汽车碰撞技术是汽车安全技术中最难也是最核心的技术，对公路交通事故的分析表明，80%以上的车辆相撞属于追尾，其余则属于侧面相撞 1。因此给汽车用户提供一种简单可靠、使用方便的防撞系统，可有效减少汽车事故的发生。汽车防撞系统能有效地保护驾驶员和道路环境中行人的安全，大大减少汽车碰撞，降低人员伤亡和经济损失。研究汽车防撞系统的意义是不言而喻的。此外，研究一套性能优良，使用方便的汽车防撞系统能进一步增强我国汽
8、车企业的市场竞争力，促进汽车行业的发展。因此开展汽车安全预警系统的研究有着重要的实际意义和应用价值。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究概况汽车防撞系统是一种高科技的产物，它将伴随着光机电一体化技术的进步而得到新的发展。汽车防撞系统的核心在于快速准确地测量出汽车前方障碍物之间的距离和汽车相对速度，并及时发出报警信号以及自动刹车等应急措施，从而实现防撞 2。汽车探测传感器可选用的方法有：超声波、摄像头、激光和雷达 34等。超声波的作用距离只有几米，不能满足现代汽车探测器的要求；摄像头在作用距离上没有限制，但从图像中获得有用信息还需大量的计算，而且受环境的影响较大；激光对天气的变化敏感，而且
9、还可能因其高能量而对人体造成伤害。毫米波雷达具有作用距离远、能适应恶劣环境等优点成为汽车探测器的常用方法。车用毫米波雷达的研究始于 20 世纪 60 年代。典型代表是德国 ADC 公司生产的ASR100 毫米波雷达采用脉冲测距方式，奔驰、日产、福特等汽车公司广泛开发的汽车主动防撞系统以及自适应巡航系统多采用该款雷达。日本丰田公司与 Denso 公司、三菱公司合作开发的电子扫描式毫米波(electronically scanning MMW)雷达，采用调频连续波测距方式，结构紧凑、抗干扰性能好。它是世界上第一款采用先进的相控阵技第 4 页 共 26 页术的车用雷达。与机械扫描雷达相比，相控阵雷达
10、的天线无需转动，波束扫描更加灵活，对目标识别的性能优异。法国 AutoCruise 公司是由 Thales 公司与美国 TRW 公司联合成立的，专门从事车用毫米波雷达的研制与生产。该公司生产的 ACl0 和 AC20 毫米波雷达，采用单片微波集成电路(monolithic microwave IC，MMIC)制造，性能卓越、角度大、精度高，可自动对同一物体进行识别，无需进行后续信号识别处理。另外，美国 EatonVord 公司所生产的 EVT200，EVT300 车用全天候防撞击报警系统就采用了这两款雷达。该公司还与日立公司联合开发了 605GHz 连续波调频雷达，探测范围为 1120m，相对
11、速度范围为 0.4180km/h,探测方位角为水平方向士 6 度、垂直方向 4 度，雷达功率为19W5。此外，日本 NEC、本田、村田制作所，德国 VDO、宝马、博世(Bosch)，美国德尔福(Delphi)、福特以及瑞典沃尔沃等公司都竞相研制和生产车用雷达 6。2006 年 9 月，丰田汽车日前在雷克萨斯品牌旗舰轿车“LS460”发布会上详细介绍了车辆前方障碍物识别功能和后方车辆识别功能中使用的毫米波雷达。该雷达使用 76GHz 频段的毫米波，前方用的毫米波雷达左右方向的识别角为+10 度，配置在前格栅雷克萨斯车标后面，毫米波束利用 9 频道天线以电气方式进行扫描。用于后方车辆识别的毫米波雷
12、达其左右方向的识别角高达+15 度，对进入 30m 距离内的后方车辆进行识别，毫米波束使用 3 频道天线以电子方式进行扫描。由于是以电子方式对毫米波束进行扫描，因此毫米波雷达的纵深尺寸也变小，毫米波雷达的投影面积仅有烟盒大小 7。在最近的一次“梅赛德斯奔驰安全技术全球巡演”中，奔驰展示了他们最新的 ADAS 系统-能够自动刹车的奔驰。奔驰公司与博世公司携手合作，为奔驰车量身打造了一套集多种电子控制模块的安全系统，应用多个传感器，甚至雷达系统，使奔驰车能在危险情况出现之前，由车辆本身发出警告和一系列预防危险发生的措施，尽可能避免或者减少危险状况的发生或者使事故的危害下降至最低。1.2.2 国内研
13、究概况我国对汽车防撞雷达的研究起步较晚，汽车防碰撞系统的研究开发同国外发达国家相比，存在较大差距。90 年代中期以来，我国交通运输界的科学家和工程技术人员开始跟踪国际上 ITS 发展。交通部将 ITS 的研究纳入了科技发展“九五”计划和 2010年发展纲要，并于 1998 年 1 月成立了智能交通运输系统工程研究中心，国家科技部筹第 5 页 共 26 页建了中国 ITS 政府协调小组。在国家政策的支持下，我国在汽车防撞系统研究也已经取得了一定的进步，近几年相继有一些科研院所、大专院校和公司厂家进行此方面的研究 8。航天工业总公司 8358 所激光室采用窄脉冲半导激光测距技术，开发的汽车防撞装置
14、作用距离大于 30 米，测距精度小于 1 米，但仍存在一些关键性技术有待解决，而且价格偏高。中国科学院上海微系统所研制出的毫米波雷达系统具有重量轻、体积小和全天候等特点，工作频率 35GHz，测距范围100m，测速范围100km/h，采用了先进的DSP 技术。广西大学计算机与信息工程学院及华中理工大学电信系共同研制的一种毫米波汽车雷达系统采用线性调频连续波(LFMCW)雷达体制，发射频率按周期性三角波凋制，前端主要包括收发天线、定向耦合器、混频器、调频振荡器，控制单元部分用单片机系统实现，由 NRD 波导构成的集成收发前端及小型化菲涅尔天线 9。山东科技大学信息与电气工程学院采用前方目标车辆的
15、识别方法确定出对自车行驶构成威胁的目标车辆，在此基础上采用扩展的 Kalman 四阶模型对含有随机噪声的雷达检测信号进行滤波处理。湖南大学应用物理系采用红外线测距方法研制出红外避障系统。西安交通大学电信学院信息工程研究所提出了基于机器视觉的前方车辆障碍物检测方法。中国专利号 002495813，雷达微机型汽车防撞系统，就是一种用于汽车在行驶中，防止发生碰撞事故的装置，它包含有传感器、计算机、伺服机构三部分。该装置的伺服机构可控制汽车的油门，通过计算机接口扩展，还可控制制动器及其它。传感器由脉冲多普勒激光雷达和车速信号输出仪组成。传感器测出与前方车辆的距离和本车速度，将信号送至计算机，通过已编程
16、序处理并指示伺服机构动作，以达到安全行车的目的。1.3 论文主要研究内容（1）比较各种防撞系统的优缺点，为最终方案提供理论支持；（2）设计雷达接收电路总体方案；（3）对各个模块进行设计分析。1.4 本章小结本章主要介绍了本论文研究的目的、意义。对国内外汽车防撞系统研究的现状作了说明，并确定了本文所要研究的重点及内容。第 6 页 共 26 页2 车用防撞系统概述2.1 各种汽车防撞系统的比较对于车辆安全来说，最主要的判断依据是两车之间的相对距离和相对速度信息，当本车以较高的速度接近前方车辆时，如果两车之间的距离太近，很容易造成追尾事故。因此，常用的防撞系统都将车辆之问的相对距离作为主要检测任务
17、10。汽车雷达按照其探测方向的不同，主要分为倒车雷达和前视雷达两种，汽车倒车雷达由于探测距离较短，一般运用超声波或红外探测两种方式构成，该项技术己经比较成熟，国内外已经有相应的产品。而相比较来说，在高速公路中由于车速快，要求防撞雷达探测距离要长，故高速公路的防撞要求较高。而且在恶劣的天气情况下，如雨、雪、雾等天气，以及前方车辆尾部卷起的气沫灰尘所造成视野不良等情况时，防撞预警系统应向驾驶人员提供前方车辆和障碍物的距离、相对速度等信息；在危险临近的情况下，通过警报系统发出声光警报，在极度危险的情况下可以采取转向和制动措施，从而避免碰撞、追尾等事故的发生。目前的高速公路防撞系统按工作方式分主要有激
18、光、超声波、红外等一些测量方法，不同的方式工作过程和工作原理上有不同之处，但它们主要作用都是通过不同的探测方法判断前方车辆与本车间的相对距离，并根据两车间的危险性程度做出相应的预防措施。为了更好的了解各种系统的工作原理，下面对不同的探测方式进行详细的介绍。2.1.1 超声波方式超声波一般指频率在20KHz以上的机械波，具有穿透性强、衰减小、反射能力强等特点。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性-反射、折射、干涉等等，超声波测距就是利用其反射特性，工作原理和声纳回声定位法的原理基本相同。超声波测距系统一般由发射器、接收器和信号处理装置三部分组成。工作时，超声波发射器不断发射出
19、一系列连续的脉冲，并给测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离 11。超声波测距原理简单，成本低，制作方便，但其在高速行驶的汽车上的应用有一定局限性。这是因为超声波的传输速度受天气影响较大，不同的天气条件下传播速度第 7 页 共 26 页不一样，不能精确测距；另一方面由于超声波能量与距离的平方成正比衰减，故距离越远，反射回的超声波越少，灵敏度很快下降，从而使得超声波测距方式只适用于较短距离。目前国内外一般的超声波测距仪理想测量距离为45m，因此一般用在汽车倒车雷达等近距离测距。2.1.2 红外线方式红外线测距和激光、超声波测距
20、在原理上基本相同，均是根据发射波和反射波的时间来判断目标的距离，红外线测距在技术上难度较大，构成的测距系统成本低廉，但在恶劣天气和长距离探测方面仍然不能满足高速公路防撞的要求。由于人类对红外线肉眼感知不到，具有极强的隐蔽性，夜间同样不妨碍测距仪的工作，故该种测距仪广泛应用在军用汽车上。2.1.3 激光方式由于激光具有高单色性、高方向性和相干性好等特点，因此激光波束近似直线性，很少扩散，波束能量集中，传输距离远。激光常用于测量距离、速度和长度等。在汽车防撞领域，采用激光雷达方式时，首先利用本车装备的激光束来判断两车的距离。激光测距系统分为非成像方式激光雷达和成像式激光雷达。在汽车测距系统中，非成
21、像式雷达比成像式激光雷达更具有实用价值，与成像式激光雷达相比，具有造价低、速度快、稳定性好等特点。非成像式激光测距按技术途径可以分为脉冲式激光测距和相位式激光测距两种，脉冲测距是通过激光测距仪向目标发射激光束，当信号碰到前方目标被反射回来后，只要记录激光往返的时间，用光束乘以往返时间的1/2，即可获得目标的距离 12。相位式测距则是利用连续调制的激光光束照射被铡目标，通过测量光束往返中产生相位变化，换算出被测目标的距离，这种相位式激光测距方法误差仅百万分之一，激光测距的测量精度很高。总体来说，激光测距雷达研究经过多年的发展，技术上已经有了很大的进步，国内外已经有一些相应的产品。在汽车领域，考虑
22、到运行环境特殊，对气候的适应能力和探测距离的要求，激光测距的应用具有局限性，主要是因为激光测距方式受恶劣的天气、汽车激烈的震动，发射镜表面磨损、污染等因素影响，使探测距离减少1/2 1/3，降低了实用精度。所以在汽车防撞领域，激光测距方式没有得到更好的发展。第 8 页 共 26 页2.1.4 摄像系统方式电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)常用于摄像系统。CCD摄像机是一种用来模拟人眼的光电探测器。它具有尺寸小、质量轻、功耗小、噪声低、动态范围大、光计量准确、其线性扫描输出的光电信号有利于后续信号处理等优良特性，在汽车行业也得到了广泛应用。利用传统的摄像机，如面阵C
23、CD，可获得被测视野的二维图像，但无法确定与被测物体之间的距离。只使用一个CCD摄像机的系统称为单目摄像系统，在汽车上常用于倒车后视系统，辅助驾驶员获得后视死角信息，以避免倒车撞物。为获得目标三维信息，模拟人的双目视觉原理，利用间隔固定的两台摄像机同时对同一景物成像，通过对这两幅图像进行计算机分析处理，即可确定视野中每个物体的三维坐标，这一系统称为双目摄像系统。双目摄像系统模仿人的视觉原理，测量精度高。但目前价格较高，同时由于受软件和硬件的制约，成像速度较慢。随着计算机软硬件性能的提高，最终将得到广泛应用。2.1.5 毫米波方式毫米波雷达测距在原理上和以上几种测距方式类似，但它克服了其它几种探
24、测方式在高速公路防撞运用中的缺点。所以，世界各国均对基于毫米波雷达的防撞技术进行了研究，发现毫米波雷达在高速公路的防撞技术中具有重要的前景。它的主要特征13如下：1）稳定的探测性能。不受被测物体表面形状、颜色等的影响；对大气紊流、气涡等也具有适应性。2）良好的环境适应性。毫米波有很强的穿透能力，其测距精度受雨、雪、雾、阳光等天气因素和杂音、污染等环境的影响较小，可以保证车辆在任何天气下的正常运行。通过比较，可得到表2-1所示的特点 14第 9 页 共 26 页表2.1 各种技术的性能比较应用技术性能指标超声波 红外线 激光 视频 毫米波长距离探测能力 低 一般 强 强 强目标识别能力 低 低
25、一般 强 强避免虚警能力 低 低 一般 一般 强温度稳定性 差 一般 好 好 好黑暗的穿透能力 强 强 强 低 强恶劣天气的穿透能力 低 低 低 低 强硬件低成本可能性 高 高 一般 低 高信号处理低成本可能性 高 高 高 低 高灰尘/烟雾笼罩时传感器性能 一般 差 差 差 好从表 2.1 中可以明显看出毫米波雷达能够适应高速公路对防撞系统的要求。因为超声波有探测距离上的限制，激光受天气等条件的干扰大，红外线方式容易受到天气和路边等物体干扰的影响。而毫米波雷达具有稳定的探测性能和良好的环境适应性，受雨雪雾阳光的干扰小，可以适应各种天气，同时可以测量目标物体的相对速度及方位角等参数。此外，在相同
26、的测试条件下毫米波雷达结构简单、分辨率高、天线部件尺寸小。因此，根据设计系统性能，本文选择毫米波雷达方式。而毫米波的探测方式也具有以下适应汽车防撞需要的特点：(1)尺寸小、价格低车用雷达必须考虑到安装的方便性，特别在目前人们对车辆的外形比较考究的情况下，雷达的安装不能影响车辆的其它功能和美观性。雷达的体积应尽量的小，从而可以很方便的安装在汽车仪表盘或隐藏在其它位置。此外车用防撞雷达的价格是不可第 10 页 共 26 页忽视的一个重要因素，在目前这种汽车本身价格就比较低的情况下，车用雷达的价格必然会影响到其普及应用。（2）作用距离要达到百米以上一般情况下，车速为100Km/h时，车间距离应为10
27、0m，车速为80Km/h时，车间距离应为80m，即车辆的安全距离数和相应的速度相当。因此在高速公路情况下，车用雷达的探测距离要大于100m，一般为量程为5 120m。(3)雷达的射频硬件结构简单，天线口径小车用防撞雷达一般倾向于调频连续波方式，主要因为该方式发射功率可以很低，这样其射频结构比较简单，雷达的成本就会降低，而且天线口径小，对于毫米波来说，可以保证良好的角分辨率，减小雷达的尺寸。2.2 防撞雷达工作原理2.2.1 工作频段雷达的工作频率是整机的主要参数，它的选择将直接影响到诸如发射功率、接收功率、天线尺寸、测量精度等众多因素。按照雷达的工作原理，不论发射电波频率如何，只要是通过辐射电
28、磁能量和利用多种目标反射回来的回波进行测距和探测，都属于雷达系统的工作范畴。常用雷达工作频率范围为220MHz-300GHz 15，考虑到车载雷达对天线尺寸的特殊要求，实际能够用于汽车防撞雷达的只有3300GHz频率较高的频段。国外已研制出的汽车防撞雷达主要采用的是30GHz以上的毫米波雷达。这是因为，毫米波的工作频率介于微波和光之间，兼具二者的优点：(1)极宽的带宽。通常认为毫米波频率范围为26.5-300GHz，带宽高达2735GHz，超过从直流到微波全部带宽的10倍。考虑到大气吸收，在大气中传播时只能使用四个主要窗口，但这四个窗口的用总带宽也可达35GHz，为微波以下各频段带宽之和的5倍。由于雷达距离分辨率与带宽成正比，毫米波雷达的距离分辨率高。(2)天线波束窄 16，角度分辨率高，受外部的干扰小。(3)和微波相比，毫米波器件的尺寸特别是天线的尺寸要小得多，毫米波系统更容易小型化。(4)多普勒频移大。在使用多普勒频移测速的系统中，速度分辨率高。近年来，世界各国研制毫米波汽车防撞雷达主要集中在24、35、60、77和94GHz五个波段。其中24GHz雷达 17尺寸较大，主要用于集装箱货车和长途客运大巴，60(日)、
