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文檔簡介
汽車防撞毫米波雷達系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計第5l卷第7期2011年7月電訊技術TelecommunicationEngineeringV01.51No.7Jul.2011文章編號:1001—893X(2011)07—0077—04周剛,吳杰(河南工業(yè)大學電氣工程學院,鄭州450007)摘要:通過分析汽車間相對速度和安全距離的關系,提出線性調頻連續(xù)波(UMCW)雷達距離和速度測量指標。根據(jù)測量范圍及分辨率要求,制定了信號處理指標。分析了雷達前端工作參數(shù)與測量指標及信號處理技術參數(shù)問的制約關系。通過分析差拍頻率和多普勒頻率的范圍及耦合關系,討論了前端中心頻率和調頻頻率應滿足的關系。通過時頻分析研究了測量分辨率指標與頻域分辨率間的關系。協(xié)調修訂關鍵參數(shù),采用CZT算法優(yōu)化信號處理過程給出了系統(tǒng)參數(shù)制定的方法和步驟,該方法可準確快速制定ITMCW雷達系統(tǒng)工作參數(shù)。關鍵詞:汽車防撞;線性調頻連續(xù)波雷達;工作參數(shù);CZT算法;優(yōu)化設計中圖分類號:"IN953文獻標識碼:Adoi:10.3969/j.issn.100l一893x.2011.07.016ParametersOptimizedDesignofAutomobileAnti?collisionMillimeterWaveZHOU(DepartmentofElectricalRadarSystemG:口昭,聊脅FrequencyModulationContinousEn西nee咖,HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,China)LFMCW(LinearWave)radarrestric-Abstract:Thedistanceandvelocityindexesofa陀putforwardbyanalysingtherelationshipbetweensafedistanceandrelativevelocityofautomobile.Accordingtothemeasurementrangeandresolutionrequirement,thesi酬processingindexes礬constituted.Thetolionsbetweenradarfrontendsareandmeasurementindexesandsi黟lalprocessingtechnicalparametersanalysed.RangesofbeatfrequencyandDopplerfrequencyandtheircouplingrelationarediscussed,andtheparan℃ter8conditionandrelationthatcentralfrequencyandmodulationfrequencyneedmeet8弛discussed.Therelationbetweenetersmeasurementresolutionandfrequencyresolutionisanalysedundertime—frequencyanalysis.Keyparam-isa陀mediatedandmodified,CZTalgorithmstepsofadoptedtooptimizesi口lalprocessingpar言言meters.ThemethodmethodandpaxtmfleteF8constitutingradarsystemexaclyandquickly.parametersareprovided.Thec?。澹螅簦幔猓欤椋螅瑁蹋桑В停茫祝幔欤纾铮颍椋簦瑁?;optimizedradarsystemKeywords:automobileanti—collsion;LFMCWradar;workingparmnedesign的測量。隨著高頻器件和單g-微波集成電路率,采用一定的調制方式可以同時進行距離和速度調頻連燃mcw楸具柵高的距離分辨篆囂嘉磊累淼譬奎莖霎黛達研究的主要方向【l|。FoumlaflonItem:ScienceandTechnologyDevelopmentP,DgnunofHenanProvincein2009(092102210146)(MMlc)的出現(xiàn)和應用,調頻連續(xù)波(FMcw)雷達的?收稿日期:201l—04—20;修回日期:2011—05—27基金項目:河南?。玻埃埃鼓昕萍及l(fā)展計劃項目(092102210146)?77?萬方數(shù)據(jù)www.teleonline.cn電訊技術2011年德國無線電通信研究所研制了一種用于裝備標準大眾Passat小汽車的調頻連續(xù)波防撞雷達。該系統(tǒng)主要參數(shù)最大作用距離為150in,距離分辨率為lIn,相對速度分辨率為2.5km/h。英國研制的汽車防撞雷達的主要參數(shù)如下:工作頻率為76—77GHz,體制FMCW,作用距離為100nl,距離精度為.5111,相對速度為160km/h,速度精度為1.5km/h,掃描速率為20Hz?。以上防撞雷達具有較高的分辨率,但硬件成本高。本文擬研究防撞雷達工作參數(shù)與測量要求間的關系,改進信號處理算法,進而進行工作參數(shù)優(yōu)化設計,降低系統(tǒng)硬件成本。2雷達系統(tǒng)工作原理圖l所示的線性調頻連續(xù)波(LFMCW)對稱三角波調制體制雷達可實現(xiàn)對運動目標距離和速度的測量,圖中r為發(fā)射信號調頻周期,扁為發(fā)射信號中心頻率,B為發(fā)射信號調頻帶寬,.廳為發(fā)射信號頻率,厶為靜止目標回波信號頻率,fro為運動目標回波信號頻率。圖1線性凋頻連續(xù)波信號頻率F%.1FMCW逝dfrequency混頻后差拍信號頻率為.^,如圖l中虛線所示,運動目標產生一個大小為尼的多普勒頻率。通過對正負調頻期間差拍信號進行頻譜分析求?。藓停妫?,則由圖可知五:厶寺厶,五:厶吾厶,則目標的速度和距離計算如式(1)所示:蜥2知,e0=Ro括蜥2了厶,蒯6(I)~I,式中,C為光速。
雷達前端參數(shù)制定3.1汽車防撞測量指標基于前車勻速行駛狀態(tài)下的安全距離和相對速度關系如式(2)所示[2】:?78?萬方數(shù)據(jù)尺=嗍+南(2)式中,尺為安全距離(m),阱為兩車相對速度(-n/td為制動遲滯時間(?。保担螅?,聲為附著系數(shù)(?。希叮担郏常剩鐬橹亓铀俣龋ㄈ。梗福恚螅玻┦剑ǎ玻┑挠嬎憬Y果如表1所示(高速公路車輛速度要求低于120km/h,1/P33.33m/s)。表1相對速度和安全距離Table1Relativevelocityandflstancev,l(m/s)R/m34142301162585.62061.41022.859.42.5),。基于),?;冢婊诒恚觳⒖家延蟹雷怖走_技術指標[1'4],選取雷達作用距離尺范圍為尺∈[5In,150n1],距離對應的相對速度%的安全范圍(取正值)為珥∈【3m/s,34m/s],距離冗余量隨著速度的增加而增加。文獻[1]表明汽車防撞測量中距離分辨率通常在0.2~lnl之間,速度分辨率在1~2.5km/h之間,所以制定距離分辨率為AR=0.5m,速度分辨率Av=1.8kin/h(0.5m/s)。3.2工作參數(shù)制定汽車防撞雷達要求尺寸較小,為了用小尺寸天線獲得足夠窄的波束,雷達前端應采用盡量高的工作頻率.尼,普遍采用的毫米波頻率有24GHz、35GHz、77GI-Iz、90GHz等?I。由于多普勒頻率_f=f與工作頻率而成正比,五與^存在耦合關系,選取^時需考慮尼的范圍以及速度分辨率△穢對應的頻域頻率如。常用頻率而對應的五范圍如表2所示。表2五與常用中心頻率厶數(shù)值關系Table2Relationbetween五andfo在制定調頻帶寬日和調頻頻率厶時應保證^不被厶淹沒,初步設計應保證五刪>fd刪,由式(1)可得B×A>7.2Xl妒,進一步的要求將在后面討論。汽車防撞是低速較短距離的測量,厶通常在第7期總第272期100Hz以內【4|。帶寬為B的LFMCW雷達的理論距離分辨率△Ro=老,C為光速。距離分辨率決定了雷達系統(tǒng)頻帶帶寬B>,300MHz,考慮調頻線性度及有效帶寬(采樣時間)等影響,?。拢剑叮埃埃停龋?。由于五與^的耦合關系,而^與知直接相關,在選定工作頻率.尼時需考慮調制頻率A。表3給出了.廳與備選的.砌間的數(shù)值關系(距離分辨率AR對應頻域頻率為.凰)。衰3五與調頻頻率厶的關系Table3Relationbetweenjband{嚏由于五與速度啡成正比,^與距離尺成正比,距離測量動態(tài)范圍大于速度測量動態(tài)范圍,理論上只要滿足以刪>厶砌N,在^和厶確定的情況下,隨著距離和速度的增加,以不會被^淹沒。實際應用中,考慮低速較近距離時對突然闖入物的有效預警,取^刪,>3f,tms。基于以上討論,參考表2和表3數(shù)據(jù),選定雷達前端中心頻率fo=24GHz,調頻頻率fM=40Hz,調頻周期T=0.025s。4信號處理參數(shù)設置由以上工作參數(shù)確定的多普勒頻率.尼的范圍為(0.4kHz,5.44kl-Iz),距離產生的差拍信號中心頻率.兀范圍為(1.6Id-Iz,48kHz),對應的差拍信號最高頻率兀一=53.44kHz??紤]到實際系統(tǒng)的非理想特性,工程應用一般選取采樣頻率為信號最高頻率的3—5倍,所以選定采樣頻率為200kHz。4.1信號處理技術指標進行時頻分析時.要求距離分辨率AR和速度分辨率Av在頻域可分辨。采樣率一定情況下,采用F盯進行頻譜分析時,FfTr的長度決定了頻率分辨率,從而決定了測量分辨率。F兀'點數(shù)ⅣFFr的選取需考慮測量范圍和分辨率要求。在滿足分辨率要求下,考慮系統(tǒng)實時性要求,希望Ⅳ阿適當小些,而且是2或4的整數(shù)次冪。在采用FFT進行頻譜分析時,頻域離散化,兩條譜線間的間隔為頻率分辨率AF,頻率分辨率AF決萬方數(shù)據(jù)定了實際的距離和速度分辨率。而采樣頻率為^,點數(shù)為Ⅳ的FFT所能達到的頻率分辨率AF=f,/N。頻域離散化,測量距離也是離散的,兩個相鄰離散值的間距即為距離分辨率AR=忐△F。基叫MD于以上參數(shù)可得以△=160Hz,所以要求AF.=f,/N<AA=160Hz。相對速度的分辨率取決于多普勒頻率的測量。由表2可知速度分辨率△”對應的多普勒頻率五△=80Hz,如果fa△<AF,則在對正負調頻期間差拍信號進行頻譜分析求?。藓停迺r,五△將無法分辨,這樣造成距離速度模糊:一方面得不到準確的多普勒頻率值,速度測量誤差大或者無法測速;另一方面將造成距離速度耦合使測距誤差加大,所以要得到目標不模糊速度信息,就要求FFr頻譜分析時多普勒頻率五△在頻域可分辨,頻率分辨率AF<五△=80Hz。4.2技術參數(shù)的優(yōu)化實現(xiàn)基于以上討論,要求AF=.疋/N<80Hz,若采用直接FfT方法進行頻譜分析,則FFT點數(shù)N≥2500,即,v≥4096。正負調頻期間有效采樣時間小于0.0125s(T/2),采樣數(shù)據(jù)個數(shù)N<2500<4096,盡管通過補零或插值方法可以實現(xiàn)4096點FfT,但4096點的FFr運算量很大,要保證系統(tǒng)的實時性,硬件成本高,而較少點數(shù)的FFr不能滿足頻率分辨率要求。線性調頻z變換(CZT)是提高頻率分辨率的頻譜細化方法之一㈦6J。Chrip—Z變換是由傅里葉變換導出的一種頻譜分析方法,等價于離散時間傅里葉變換在部分頻帶上的頻譜等間隔取樣,可對信號帶寬中的部分頻帶進行高分辨率的頻譜細化分析。采用FFr和C2T聯(lián)合算法進行頻譜分析在同等分辨率下可明顯降低運算量。首先通過較少點數(shù)的m'進行差拍信號粗略頻譜估計,然后再利用CZT方法對該位置附近的頻譜局部細化。肘點x(n)的ChfipZ變換為x(以)=∑x(n)A“儼—N-,I(3)^-0式中,k=0,l,2,?,肘一l;A=Aodoo,W=V/oe—j%。CZT算法關鍵是確定分析頻段的起始點及采樣間隔,即口。和妒o。通過Ⅳ點的FfT得到頻譜譜峰位置為K一(K一<N/2),對應頻率為K。正/N,然后在K一附近區(qū)域[K一一l,K一+1]進行C砑變?79?wwW.teleonline.Clrl電訊技術2011年換把其頻譜細化為肘份。由以上分析可得:Oo=2丌(K一一1)//V;伽=4r,JMnl(4)細化后頻域采樣間隔AF=2f,/MN,達到MN/2點F丌的分辨率,所以要求Ⅳ?肘≥8192,則聯(lián)合算法頻率分辨率AF≤48.8l-lz<80Hz。相同頻率分辨率下,對于Ⅳ?M點FFI',若直接采用FFI'的方法,其運算量為0.5(N?M)m(Ⅳ?M);若采用聯(lián)合F丌和CZT算法,則聯(lián)合算法的總運算量為0.5IVlbJ『v+1.5(Ⅳ+M)lb(IV+肘)L引。汽車防撞系統(tǒng)是低速較近距離的測量,速度分辨率和距離分辨率要求較高,對應較高的頻率分辨率(頻率間隔較?。7雷蚕到y(tǒng)掃描周期短,信號處理中,若采用直接FFr方法,其運算量很大,很難保證系統(tǒng)實時性要求;或者增加系統(tǒng)硬件配置以提高處理速度,這無疑提高了硬件成本。而相同的分辨率,聯(lián)合算法的運算量遠小于直接FFT的運算量,滿足系統(tǒng)實時性要求。所以相同運算量,采用聯(lián)合算法可大幅度提高系統(tǒng)的頻率分辨率。影響FFr點數(shù)與czr點數(shù)選取的主要因素是有效采樣期間采樣點數(shù)和噪聲。F丌點數(shù)太低,采樣數(shù)據(jù)錯誤的偶然性增加,可能影響頻譜范圍選擇的正確性,進而影響測頻正確性【6J。nTr法受噪聲影響較小,其頻率估計誤差比無噪聲情況下略大一點,而腫一czr法的頻率估計誤差受噪聲影響較大,所以聯(lián)合算法更適用于高信噪比的信號?1。在滿足系統(tǒng)實時要求前提下選擇大點數(shù)fFr和小點數(shù)czr進行頻譜分析。?。危剑玻担?,Mmm-40,則聯(lián)合算法頻域分辨率△,=39.1Hz<80Hz,聯(lián)合算法所需時間約為直接FFr的1/16,能夠滿足實時性和分辨率要求。5結束語LFlVlCW雷達應用于汽車防撞,針對系統(tǒng)間各個參數(shù)相互影響,在進行系統(tǒng)設計時應全面考慮各個參數(shù)間的制約關系。本文重點討論了與時域分辨率和頻域分辨率相關的參數(shù),根據(jù)信號處理過程制定了具體的工作參數(shù)。本文研究的參數(shù)設計方法已應用于汽車防撞雷達系統(tǒng)設計中,其方法過程也可作為LFIⅥCW雷達其它應用領域或者信號處理的參考。本文的研究考慮路況較簡單,對復雜路況、多目標背景下,需進一步研究虛警產生和工作參數(shù)間的關系,以及中頻信號噪聲產生的原因,研究通過設置?∞?萬方數(shù)據(jù)合適的工作參數(shù)最大程度剔除虛警等問題。參考文獻:[1]鄭興林.毫米波汽車防撞雷達信號處理關鍵技術研究[D].長沙:國防科學技術大學,2007.ZItENGXi.g—lin.Research011KeyTechniqueofAutomo-bileAnti—collisionMillimeterWaveRadarsi印【lal[D].Chan咖_,National'ro,熘ingUniversityofDefenseTechnology,2007.(inChi.ese)[2]唐陽山,江振偉,白艷,等.汽車防碰撞安全距離模型及仿真研究[J].遼寧工業(yè)大學學報(自然科學版),2008,38(5):324—326.TANGYang-shan,JIANG刁豳一wei,BAIYah,eta1.ModelofVehicleSafetyDist日nzeforCo崎ollAvoidanceandSilnuLfllionS岫[J].Journal0f“舯l噸Urfivel%ityofTechnology(NaturalScienceEdition),200lB,38(5):324—326.(inaline)[3]楊翠萍,官慧峰.高速公路汽車防撞系統(tǒng)的安全行車距離研究[J].自動化儀表,2008,29(9):19—21.YAN(;Cui—ping,GUANHui—feng.RsearchOnSafeDis-talrleebqs,1wleenVehiclesforFreewayAnti—collisionSystem[J].P113ces8Automationlnsmunentation,2008,29(9):19—21.(inChirlese)[4]梁品,陳照章,于敬泉.基于DSP的汽車防撞雷達及其信號處理[J].微電子學,2007,37(5):628—631.LIANG枷一collisionPin,CHENZhao—zha“g。YUJing—quail.Oesignot"RadarforAutomobilesBasedonDSPandItsSi刪Proe嘲ing[J].Microeleetroncs.2007,37(5):628—631.(inChi.ese)[5]肖慧,胡衛(wèi)東,郁文賢.基于Dvr—QT處理的LF~C'V礦
雷達參數(shù)估計[J].現(xiàn)
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