激光測(cè)距雷達(dá)及智能時(shí)代

1、激光測(cè)距雷達(dá)與智能時(shí)代激光測(cè)距雷達(dá)與智能時(shí)代1 概述2 雷達(dá)測(cè)距的組成元件3 雷達(dá)測(cè)距的工作原理4 雷達(dá)測(cè)距的性能指標(biāo)5 幾種常見的測(cè)距雷達(dá)6 雷達(dá)測(cè)距的發(fā)展趨勢(shì)1 概 述 安全性是汽車最基本也是最重要的性能，對(duì)乘員的安全保護(hù)是汽車發(fā)展所追求的永恒主題。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，許多智能化技術(shù)被廣泛應(yīng)用到汽車安全裝置上。 汽車安全裝置分為主動(dòng)安全裝置和被動(dòng)安全裝置。 主動(dòng)安全裝置是指為避免交通事故的發(fā)生而主動(dòng)采取的有效配備， 如車輪的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS、 電腦控制行駛平穩(wěn)系統(tǒng)ESP、 加速防滑控制系統(tǒng)ASR、 電腦控制循跡控制系統(tǒng)ETS; 被動(dòng)安全裝置則是指事故發(fā)生時(shí)保護(hù)乘員安全的裝備系統(tǒng)， 如安

2、全帶自動(dòng)拉緊裝置、防撞安全氣囊、車門內(nèi)置防撞橫梁、車身防撞 能量局部吸收等安全裝置。 雷達(dá)測(cè)距防撞控制系統(tǒng)雷達(dá)測(cè)距防撞控制系統(tǒng)(Distronic(Distronic，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱DTR)DTR)屬于汽車主動(dòng)安全裝置，是當(dāng)前國(guó)際汽車安全領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。 汽車防碰撞技術(shù)首先需要解決的問題是汽車之間的安全距離。汽車與汽車之間的距離小于安全距離，就應(yīng)該能夠自動(dòng)報(bào)警，并采取制動(dòng)措施。 目前，測(cè)定汽車之間安全距離的方法有三種:超聲波測(cè)距、毫米波雷達(dá)測(cè)距和激光測(cè)距， 防撞雷達(dá)系統(tǒng)裝配在車輛的前方、側(cè)方或者后方，完成前視防撞(防追尾碰撞)、側(cè)視防撞(防更換車道時(shí)兩車相撞)和后視防撞(防倒車時(shí)與車后阻礙物相

3、撞)等側(cè)重點(diǎn)各異的功能。 主要功能：主要功能：防撞預(yù)警，輔助停車，盲點(diǎn)探測(cè)等，n為完成上述功能所應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求是系統(tǒng)應(yīng)具有測(cè)距、測(cè)距、測(cè)速、測(cè)角測(cè)速、測(cè)角的功能。n下圖為奔馳車距監(jiān)控防撞系統(tǒng)，奔馳車距監(jiān)控防撞系統(tǒng)，可以在車輛停車和倒車時(shí)檢測(cè)車輛前、后、側(cè)面的障礙物距離，在靠近障礙物時(shí)會(huì)發(fā)出聲音警報(bào)。 圖1.1 系統(tǒng)示意圖2 雷達(dá)測(cè)距控制系統(tǒng)的組成DTR雷達(dá)控制模塊DTR雷達(dá)傳感器（激光雷達(dá)、 毫米波雷達(dá)傳感器）DTR電腦可變巡航控制(CC)開關(guān)DTR開關(guān)座(具有距離測(cè)量電位差計(jì)和警報(bào)信號(hào)消除開關(guān))信息聯(lián)絡(luò)(CAN)(用于儀板上的顯示裝置及警報(bào)信號(hào) 發(fā)布裝置和各種控制機(jī)構(gòu)的信息聯(lián)絡(luò))天線、發(fā)射

4、/接受組件中頻信號(hào)處理裝置電源及報(bào)警顯示雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的組成框圖雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的組成框圖1.收發(fā)天線收發(fā)天線可安裝于車輛保險(xiǎn)杠內(nèi)，向車前方發(fā)出發(fā)射信號(hào)，并接收反射信可安裝于車輛保險(xiǎn)杠內(nèi)，向車前方發(fā)出發(fā)射信號(hào)，并接收反射信 號(hào)號(hào)2.射頻收發(fā)前端射頻收發(fā)前端是雷達(dá)系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)信號(hào)調(diào)制是雷達(dá)系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)信號(hào)調(diào)制.，射頻信號(hào)的發(fā)射接，射頻信號(hào)的發(fā)射接收及接收信號(hào)解調(diào)收及接收信號(hào)解調(diào)3.信息處理模塊信息處理模塊自動(dòng)分析，計(jì)算出與前方車輛間的距離和相對(duì)速度，并且防自動(dòng)分析，計(jì)算出與前方車輛間的距離和相對(duì)速度，并且防止轉(zhuǎn)彎時(shí)錯(cuò)誤測(cè)量臨近車道車輛的情況發(fā)生止轉(zhuǎn)彎時(shí)錯(cuò)誤測(cè)量臨近車道車輛的情況發(fā)生4.

5、汽車控制裝置汽車控制裝置： 即控制汽車的自動(dòng)操作系統(tǒng)，達(dá)到自動(dòng)即控制汽車的自動(dòng)操作系統(tǒng)，達(dá)到自動(dòng)減速慢速行車，或緊急剎車。通過限制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)剎減速慢速行車，或緊急剎車。通過限制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)剎車作用力及變速箱擋位，控制定速巡航的車速車作用力及變速箱擋位，控制定速巡航的車速5.報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)：安裝在駕駛室前部，精確顯示前方障礙物的距離值，：安裝在駕駛室前部，精確顯示前方障礙物的距離值，面板上的數(shù)字鍵，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定保京距離值，還有特殊輸面板上的數(shù)字鍵，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定保京距離值，還有特殊輸出接口，當(dāng)系統(tǒng)報(bào)警時(shí)，該接口會(huì)輸出出接口，當(dāng)系統(tǒng)報(bào)警時(shí)，該接口會(huì)輸出TTL電平，可用

6、于自動(dòng)剎車電平，可用于自動(dòng)剎車開發(fā)開發(fā)3.雷達(dá)測(cè)距的基本原理n工作原理：在車輛行駛中，雷達(dá)窄波束向前發(fā)射電磁波信號(hào)，當(dāng)發(fā)射信號(hào)遇在車輛行駛中，雷達(dá)窄波束向前發(fā)射電磁波信號(hào)，當(dāng)發(fā)射信號(hào)遇到目標(biāo)時(shí)，被反射回來被同一天線接收，經(jīng)混頻放大處理，可用其差拍信號(hào)到目標(biāo)時(shí)，被反射回來被同一天線接收，經(jīng)混頻放大處理，可用其差拍信號(hào)間來表示雷達(dá)與目標(biāo)的距離，再根據(jù)差頻信號(hào)相差與相對(duì)速度關(guān)系，計(jì)算出間來表示雷達(dá)與目標(biāo)的距離，再根據(jù)差頻信號(hào)相差與相對(duì)速度關(guān)系，計(jì)算出目標(biāo)對(duì)雷達(dá)的相對(duì)速度，微處理器將上述兩個(gè)物理量代入危險(xiǎn)時(shí)間函數(shù)數(shù)字目標(biāo)對(duì)雷達(dá)的相對(duì)速度，微處理器將上述兩個(gè)物理量代入危險(xiǎn)時(shí)間函數(shù)數(shù)字模型后，既可算出危險(xiǎn)

7、時(shí)間，當(dāng)危險(xiǎn)程度達(dá)到各種不同等級(jí)時(shí)，分別輸出報(bào)模型后，既可算出危險(xiǎn)時(shí)間，當(dāng)危險(xiǎn)程度達(dá)到各種不同等級(jí)時(shí)，分別輸出報(bào)警信號(hào)或通過車輛控制電路去控制車速或剎車。當(dāng)距離過近時(shí)，有些車型警警信號(hào)或通過車輛控制電路去控制車速或剎車。當(dāng)距離過近時(shí)，有些車型警告喇叭會(huì)響起，以警告駕駛者注意前方障礙物已經(jīng)接近車體，同時(shí)告喇叭會(huì)響起，以警告駕駛者注意前方障礙物已經(jīng)接近車體，同時(shí)DTR電腦電腦會(huì)通過車身電腦網(wǎng)絡(luò)會(huì)通過車身電腦網(wǎng)絡(luò)CAN-BAS與發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、變速器、變速器ECU及及ESP(車輛穩(wěn)定車輛穩(wěn)定行駛系統(tǒng)行駛系統(tǒng)) 、ABS剎車系統(tǒng)剎車系統(tǒng)ECU，通過限制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)剎車作用，通過限制發(fā)動(dòng)機(jī)

8、輸出轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)剎車作用力及變速箱擋位，控制定速巡航的車速。若前方無障礙物（力及變速箱擋位，控制定速巡航的車速。若前方無障礙物（100米為限）則警米為限）則警告燈會(huì)熄滅，車子便會(huì)加速至預(yù)設(shè)的巡航速度告燈會(huì)熄滅，車子便會(huì)加速至預(yù)設(shè)的巡航速度n裝有避撞雷達(dá)的汽車上了高速公路以后，駕駛員啟動(dòng)車上的避撞雷達(dá)。雷達(dá)選定好跟隨的汽車以后，被跟隨的汽車就成了后面汽車的“目標(biāo)車”，無論加速，減速，停車，啟動(dòng)，后面的汽車都會(huì)在瞬間之內(nèi)知曉，如果前面的汽車行駛一段時(shí)間之后，不再適合于自己的“目標(biāo)車”，駕駛員可以重新選擇另一輛“目標(biāo)車”。汽車防撞系統(tǒng)流程圖汽車防撞系統(tǒng)流程圖 圖3.3 脈沖雷達(dá)測(cè)距原理圖測(cè)距公式: R

9、=(1/2)c*T其中R為兩車的相對(duì)距離, c為光速, T為從發(fā)射激光束到接受激光的時(shí)間間隔.n信號(hào)的瞬時(shí)頻率隨時(shí)間線性變換，當(dāng)前方有單目標(biāo)回波時(shí)，發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)將進(jìn)行混頻，混頻后得到的信號(hào)中含有目標(biāo)的相對(duì)距離和相對(duì)速度的信息。 n現(xiàn)記f0作為發(fā)射信號(hào)中心頻率，B為頻帶寬度，T為掃頻周期，調(diào)制信號(hào)為三角波，c為光速，R和V分別為目標(biāo)的相對(duì)距離和相對(duì)速度。在發(fā)射信號(hào)的上升段和下降段，中頻輸出信號(hào)可以表示為: 若忽視汽車與目標(biāo)間的相對(duì)速度,則兩車的距離可以表示為: R=(1/2)c*T其中R為相對(duì)距離, c為光速, T為從發(fā)射到接受的時(shí)間間隔.存在的問題問題一：由于采用單脈沖雷達(dá)，只能測(cè)量距離

10、，角度，不能判定被測(cè)物的由于采用單脈沖雷達(dá)，只能測(cè)量距離，角度，不能判定被測(cè)物的類別和性質(zhì)，并且隨著路面的變化和車輛的運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)致目標(biāo)失蹤。類別和性質(zhì)，并且隨著路面的變化和車輛的運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)致目標(biāo)失蹤。 改進(jìn)對(duì)策：采用雙脈沖雷達(dá)，利用激光反射的相干性，使用激光全息攝像技改進(jìn)對(duì)策：采用雙脈沖雷達(dá)，利用激光反射的相干性，使用激光全息攝像技術(shù)，對(duì)被測(cè)物進(jìn)行全息攝像，經(jīng)術(shù)，對(duì)被測(cè)物進(jìn)行全息攝像，經(jīng)CPU模擬處理，辨別確定被測(cè)物的類別和性模擬處理，辨別確定被測(cè)物的類別和性質(zhì)，質(zhì)，已擴(kuò)束的激光已擴(kuò)束的激光1全息傳感器全息傳感器2全息傳感器全息傳感器1n問題二一般所說的雷達(dá)為一次雷達(dá)，通過目標(biāo)的二次散射功率來發(fā)現(xiàn)

11、 目標(biāo)。二次散射功率取決于目標(biāo)接收到的功率和目標(biāo)的雷達(dá)截面積。由于雷達(dá)截面積與目標(biāo)的材質(zhì)(導(dǎo)電性能)、幾何形狀、尺寸、雷達(dá)波束的照射方向以及載波頻率等諸多因素有關(guān)，不確定性太大，要求雷達(dá)接收機(jī)有很大的動(dòng)態(tài)范圍。而且，二次散射功率向全空間輻射，返回雷達(dá)接收天線的功率只占很小一部分，回波功率太弱會(huì)降低雷達(dá)作用距離。n改進(jìn)策略：采用雙機(jī)應(yīng)答式測(cè)距采用雙機(jī)應(yīng)答式測(cè)距n甲機(jī)所完成的功能與一次雷達(dá)相同，向目標(biāo)車輛發(fā)射信號(hào)、接收信號(hào)，然后計(jì)算車甲機(jī)所完成的功能與一次雷達(dá)相同，向目標(biāo)車輛發(fā)射信號(hào)、接收信號(hào)，然后計(jì)算車距。乙機(jī)位于目標(biāo)車輛的尾部，其接收甲機(jī)發(fā)射來的頻率為距。乙機(jī)位于目標(biāo)車輛的尾部，其接收甲機(jī)發(fā)射

12、來的頻率為F1的信號(hào)，經(jīng)放大，變的信號(hào)，經(jīng)放大，變換到頻率換到頻率F2后再回發(fā)給甲機(jī)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)。后再回發(fā)給甲機(jī)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)。(甲機(jī)發(fā)射頻率即為乙機(jī)接收甲機(jī)發(fā)射頻率即為乙機(jī)接收頻率，甲機(jī)接收頻率即為乙機(jī)發(fā)射頻率，頻率，甲機(jī)接收頻率即為乙機(jī)發(fā)射頻率，4.雷達(dá)測(cè)距的性能指標(biāo)n1最大探測(cè)距離n2測(cè)距精度n3最小探測(cè)距離n4方位精度n5其他特殊情況最大的探測(cè)距離最大的探測(cè)距離激光射束形狀和掃描區(qū)域 彎道的探測(cè)情況彎道的探測(cè)情況垂直方向探測(cè)區(qū)域垂直方向探測(cè)區(qū)域探測(cè)領(lǐng)域隨發(fā)射接收光面的沾污而劣化探測(cè)領(lǐng)域隨發(fā)射接收光面的沾污而劣化5. 幾種常見的雷達(dá)測(cè)距n5.1 毫米波雷達(dá)測(cè)距n5.2 激光

13、雷達(dá)測(cè)距n5.3 超聲波倒車?yán)走_(dá) 汽車各種測(cè)距方式主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比表汽車各種測(cè)距方式主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比表5.1毫米波雷達(dá)測(cè)距 防撞雷達(dá),防止汽車追尾n對(duì)于車載雷達(dá),一般選用60GHz 、 120GHz 、 180GHz波段,對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為毫米級(jí),故成為毫米波雷達(dá).n特點(diǎn)：毫米波雷達(dá)采用的是波長(zhǎng)在1厘米以下，頻率30GHZ以上的高頻電磁波，波長(zhǎng)短，沿直線傳播且穿透能力強(qiáng)，幾乎不受氣象條件的影響。n不但可以探測(cè)目標(biāo)的距離，還可測(cè)出相對(duì)速度和方位。n價(jià)格昂貴，n需要防止電磁波干擾由于存在其它通訊設(shè)施電磁波干擾以及雷達(dá)裝間的相互影響,容易發(fā)生誤動(dòng)作. 雷達(dá)向空間發(fā)射一定重復(fù)周期高脈沖,當(dāng)遇到目標(biāo),目標(biāo)反射

14、回來的反射波將滯后與發(fā)射高頻脈沖一個(gè)時(shí)間差Tr和一個(gè)頻移(多譜勒頻移)Fa,根據(jù)雷達(dá)可以測(cè)出這個(gè)數(shù)據(jù),就可以依據(jù)以下公式斷定目標(biāo)位置: R=1/2C*Tr; R-目標(biāo)到雷達(dá)的距離; Fa=2Vr/ C-光速; Tr-電波往返目標(biāo)與雷達(dá)的時(shí)間間隔; Fa-多譜勒頻移; -雷達(dá)波波長(zhǎng); Vr-雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)速度 5.2 激光測(cè)距雷達(dá)n原理同毫米波雷達(dá)測(cè)距，用窄激光束對(duì)某一地區(qū)進(jìn)行掃描。n特點(diǎn)：快，準(zhǔn)，遠(yuǎn)，抗干擾，無盲區(qū)，測(cè)距精度可達(dá)厘米甚至毫快，準(zhǔn)，遠(yuǎn)，抗干擾，無盲區(qū)，測(cè)距精度可達(dá)厘米甚至毫 米級(jí)，比微波雷達(dá)高近米級(jí)，比微波雷達(dá)高近100倍，測(cè)角精度理論上比微波雷達(dá)高一義倍倍，測(cè)角精度理論上比微

15、波雷達(dá)高一義倍以上。以上。n 遇到下雨或大霧等惡劣天氣，穿透能力差，導(dǎo)致無法使用遇到下雨或大霧等惡劣天氣，穿透能力差，導(dǎo)致無法使用圖3.2 激光雷達(dá)方框圖激光雷達(dá)的組成如下圖所示:防追尾碰撞激光報(bào)警裝置n該裝置結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。包括發(fā)光部、受光部、計(jì)算車間距離的激光雷達(dá)、信號(hào)處理電路、顯示裝置、車速傳感器等構(gòu)成。 圖3.4 報(bào)警裝置的車載狀態(tài) n激光鏡頭使用脈沖狀的紅外激光束向前方照射，并利用汽車后部反光鏡的反射光，通過受光裝置檢測(cè)其距離，如圖3.5所示。使用汽車反光鏡，檢測(cè)距離約l00m，最大檢測(cè)寬度35m以上。為了能區(qū)分出道路兩側(cè)的樹木橋墩和車輛前方真正的障礙物，可采用三光束工作方式，通

16、過控制電路的控制，三個(gè)激光束中的左右激光束，取其35m以上，寬度控制在3.5m，中央激光束的檢測(cè)距離取其200米以上，這樣就能夠更早地檢測(cè)插入車流的車輛，并發(fā)出警報(bào)，同時(shí)它還能抑制彎道上的標(biāo)識(shí)物而發(fā)出報(bào)警，使之達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，如圖3.6所示。 圖3.5 激光通過路線圖 3.6檢測(cè)范圍和報(bào)警發(fā)生范圍掃描式激光雷達(dá) n最早的前方用激光雷達(dá)都是發(fā)出多股激光光束，并依靠前行車反光鏡的反射時(shí)間來測(cè)定其距離。但是由于要對(duì)前方車輛進(jìn)行辨別，因而開始采用掃描式激光雷達(dá)，如圖3.7所示。 n 這樣，不但至前方車的距離可測(cè)，而且其橫向方向的位置也可以檢測(cè)出來。此技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，可使掃描角度成360。這時(shí)，如果在車

17、輛四角設(shè)置類似的掃描式激光雷達(dá)，那么車輛四周的障礙物都可以測(cè)出。 圖3.7掃描式激光雷達(dá) 5.3 超聲波電子倒車?yán)走_(dá)圖4.1 倒車?yán)走_(dá)位置示意圖超聲波測(cè)距特點(diǎn)：n優(yōu)點(diǎn)：1對(duì)雨，雪，霧穿透能力強(qiáng)，衰減小， 2測(cè)距原理簡(jiǎn)單，制作方便，成本低，n缺點(diǎn)：n 1 超聲波的傳播速度相對(duì)電磁波來說慢的多，當(dāng)汽車在高超聲波的傳播速度相對(duì)電磁波來說慢的多，當(dāng)汽車在高 速公速公 路上以每小時(shí)上百公里速度行駛時(shí)，超聲波測(cè)距無法跟上車距實(shí)時(shí)變路上以每小時(shí)上百公里速度行駛時(shí)，超聲波測(cè)距無法跟上車距實(shí)時(shí)變化，誤差大?；?，誤差大。n 2. 方向性差，發(fā)散角大。由于發(fā)散使能量大大降低，另一方面方向性差，發(fā)散角大。由于發(fā)散使能

18、量大大降低，另一方面使分辨力下降，導(dǎo)致將鄰車道的車輛或路邊的物體作為測(cè)量目標(biāo)使分辨力下降，導(dǎo)致將鄰車道的車輛或路邊的物體作為測(cè)量目標(biāo)n結(jié)論：由于上述問題，超聲波雷達(dá)應(yīng)用在汽車倒車方面。在倒車過程中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車尾部左后，右后數(shù)米以內(nèi)障礙物和突然闖入危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的行人的自動(dòng)探測(cè)并告警。n n超聲波測(cè)距原理: S=CT/2 T為自發(fā)射出超聲波到接收到反射回波的這段時(shí)間差,C是超聲波的聲速,在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下=340/。 圖4.2超聲波測(cè)距原理n超聲波電子倒車?yán)走_(dá)的組成: 探頭(感應(yīng)器):發(fā)出和接收超聲波信號(hào),具有聲電 和電聲轉(zhuǎn)換功能. CPU:對(duì)于檢測(cè)到的信號(hào)作出反應(yīng)并發(fā)出相應(yīng)的指令. 放大設(shè)備:用于放大超聲波信號(hào). 顯示設(shè)備和語(yǔ)音報(bào)警設(shè)備. 圖4.3倒車?yán)走_(dá)硬件電路框圖 4.4 幾款