0 引言

    隨著社會的發展，汽車成為人們出行交通工具的首選。出行人口眾多的復雜交通狀況導致我國車輛碰撞類交通事故頻發。車輛碰撞類交通事故已經成為我國交通安全治理的難題。此難題同樣困擾著國際上主要發達國家，為了解決此難題，國際各主要國家投入大量人力、物力對汽車防撞系統進行研制，而車載測距雷達的研制無疑是汽車防撞系統研制的核心。微波測距相比于超聲波、激光和攝像等測距方式，不易受天氣因素影響，抗干擾性能強，已成為車載測距雷達研制的首選^[1]。美國、英國、德國、日本和瑞典先后研制出測量距離大于100 m的車載防撞雷達，已經投入實用化^[2]。我國車載測距雷達的研究起步稍晚，目前國內市場上實用防撞雷達系統還較少見，各大研究機構都在開展車載雷達系統的研究^[3-7]，因而進行車載測距雷達系統研制的意義重大。工業和信息化部于2012年發布了《24 GHz頻段短距離車載雷達設備使用頻率的通知》，明確規定了24 GHz車載雷達的設計標準。本文基于異質結場效應晶體管NE3514研制車載雷達射頻電路模塊，設計并實現車載測距雷達系統。

1 測距原理

    調頻連續波（FMCW）雷達的工作原理：雷達發射微波信號，微波信號被探測物反射，回波信號被原雷達接收機接收，比較接收時刻的雷達接收信號與發射信號之間的頻差，能夠獲得探測物的距離信息。

    雷達與目標物無相對速度的情況下，雷達發射信號與接收信號的時間頻率關系如圖1所示。

其中，波形f_t表示發射信號的時間與頻率的關系，波形f_r表示接收信號的時間與頻率的關系。由圖可知，接收信號相對發射信號在時間上延遲Δt，如果用R表示雷達相對目標的距離，c表示光速，則：

    當雷達與探測目標存在相對速度時，雷達波形的時間與頻率關系如圖2所示。

    由于探測目標與回波信號之間存在相對速度，產生多普勒頻移，表現在同一時刻接收信號和發射信號的頻差相對于探測目標與雷達靜止時接收信號和發射信號的頻差有所升高或者降低。在調制三角波上升半周期內，中頻信號可以表示為：

其中Δf為探測物與雷達相對靜止時的中頻頻率，f_d為多普勒頻移，由式(4)與式(5)可以求得多普勒頻移：

其中，λ為發射電磁波的波長，當目標與雷達相向運動，v的符號為正；當目標與雷達背向運動，v的符號為負。

2 車載測距雷達系統設計

2.1 系統總體設計

    車載雷達系統的總體設計如圖3所示，系統包括3個電路模塊，分別是雷達射頻模塊、中頻信號處理模塊和數字基帶處理模塊。雷達模塊用于雷達射頻信號收發；中頻信號處理模塊用于中頻信號放大與濾波；數字基帶處理模塊用于中頻信號的采集與分析，同時完成系統控制。

2.2 雷達射頻模塊

    如圖4所示，雷達射頻模塊為108個陣元構成的非對稱窄波束遠距離雷達傳感器，該傳感器模塊包含1個射頻低噪聲放大器(RF LNA)，I、Q兩通道一共4個中頻電路預放大器(IF preamplifiers)、2個混頻器和1個壓控振蕩器(VCO)。其中VCO的輸出信號頻率由FM input端口直接控制。在本文中， 由DAC產生的三角波被放大與直流電平調整，控制VCO產生受控頻率信號通過發射天線陣列發射，發射信號被探測車輛反射，反射信號為接收天線所接收，接收信號通過RF LNA放大，并與當前時刻VCO產生信號相混頻得到中頻信號，中頻信號經過IF preamplifiers放大后輸入中頻信號處理模塊進行處理。

2.3 中頻信號處理模塊設計

    中頻信號處理模塊電路結構如圖5所示。該模塊主要包括3個部分：高通濾波器、可變增益放大器和低通濾波器。由于射頻電路模塊各端口無法完全隔離，由射頻模塊I、Q兩路中頻輸出接口輸出的中頻信號中存在泄露的三角波信號，為此需要高通濾波器將中頻信號中泄露的三角波濾除。高通濾波器采用TLV2374運算放大器構成多路反饋二階濾波電路實現，濾波電路低頻3 dB截止頻率為30 kHz。可變增益放大電路主要使用TLV2374運算放大器實現反向放大電路，通過MCP42100數字電位器對普通電阻替代達到增益控制的目的，可變增益放大器的放大倍數范圍為1～500倍。低通濾波器的主要作用是濾除輸入信號自身攜帶的高頻噪聲與中頻信號處理模塊產生的高頻噪聲，同時使輸入信號帶限，為后級ADC采樣做準備。低通濾波器采用AD8532運算放大器構成無線增益多路反饋二階濾波電路來實現，濾波電路的3 dB截止頻率為103 kHz。中頻信號處理模塊的最大放大倍數為5 000倍(74 dB)。

2.4 數字基帶處理模塊設計

    數字基帶處理模塊主要完成數字信號特征信息的提取與電路系統整體控制，如圖6所示。

    數字基帶處理模塊主要由STM32F407微處理器與外圍模塊電路構成。本文中MCU首先通過DMA1+DAC的模式產生三角波，三角波通過放大與直流電平調整，作為調制信號直接接入雷達射頻模塊的VCO控制輸入口FM input進行信號調制； DMA1的半傳輸中斷和傳輸完成中斷作為ADC采樣開始的標志，ADC1與ADC2分別對I、Q兩路信號進行采集。為保證ADC對信號以固定采樣率進行采集，采用ADC+DMA2的模式進行設計；MCU通過控制數字電位器MCP42100的阻值來控制中頻電路模塊的可變增益放大器放大倍數；信號采集完成后，MCU需要對ADC采集后的信號進行數字信號特征信息提取。在本文中，信號特征信息的提取為信號頻率信息提取，本設計采用離散傅里葉變換的快速算法(FFT算法)對信號的頻率信息進行提取，該算法需要進行大量浮點數運算，而STM32F407微處理器內部集成浮點運算器(FPU)，該模塊能夠快速進行大量浮點數運算，計算出最終的測量結果在OLED屏上實時顯示。

3 系統功能測試

    系統測試電路如圖7所示。該測試電路包括正反兩面，其中圖7(a)上方為數字基帶處理模塊，下方為中頻信號處理模塊；圖7(b)上方為雷達射頻模塊，下方為電源。

    典型的測試回波信號如圖8所示。該圖展示了54 m處目標回波信號與信號的頻譜幅值，從圖8（a）中能夠清晰觀測出回波信號，對圖8（a）中回波信號進行離散傅里葉變換分析，得到如圖8（b）所示的回波信號頻譜幅度值，可以分辨出目標的距離信息為53 m。

    系統測試電路對目標物距離測量結果如表1所示，在12 m～90 m范圍內測量誤差不超過10%。

4 結論

    本文介紹了一款24GHz FMCW車載測距雷達系統的設計，該系統設計結構簡單、體積小，可滿足雷達測距基本要求，能夠作為車載防撞雷達原型機進行車載防撞雷達系統的研發。

參考文獻

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