FMCW雷達系統(tǒng)及其前端數(shù)據(jù)采集模塊設計

摘要 (FMCW)調頻連續(xù)波雷達在汽車防撞系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。文中對近年來國內外汽車防撞系統(tǒng)的發(fā)展做了闡述和比較，以FMCW毫米波雷達作為系統(tǒng)前端，對防撞系統(tǒng)的原理、結構、信號的前置放大和模數(shù)轉換等關鍵數(shù)據(jù)采集模塊進行了介紹與設計。
關鍵詞 FMCW；毫米波雷達；車輛防撞系統(tǒng)；前置放大

隨著我國汽車總量的迅速上升，交通安全問題也引起了政府和社會的廣泛關注。大量的研究表明，當意外發(fā)生時，車輛若能提前0．7 s制動，就可使碰撞死亡率下降75％；若能提前1．3s，則碰撞死亡率則將下降99%以上。因此，1．3 s的碰撞報警黃金時間可有效降低事故發(fā)生率。車載FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave)雷達防撞系統(tǒng)是降低事故率的重要主動安全手段。
車載防撞雷達系統(tǒng)的研究始于20世紀60年代。90年代以后，奔馳、日產(chǎn)、豐田和福特等公司小批量安裝過連續(xù)波雷達。奔馳S系列、美洲虎XKR系列、奧迪A8等高檔車型上已有配備相關系統(tǒng)，但價格昂貴。我國汽車防撞雷達的研制起步較晚，雖已引起業(yè)界重視，但至今未有便于裝車的微型化成品批量投入使用。FMCW雷達由于其本身在測距和測速方面的優(yōu)勢，已成為目前汽車主動防撞系統(tǒng)的首選。文中所介紹的基于FMCW技術的汽車防撞雷達系統(tǒng)，可以自動偵測兩車之間的距離及相對速度，進行危險判斷，提醒駕駛員作出相應反應或與剎車系統(tǒng)關聯(lián)動作來避免兩車相撞。

1 防撞雷達系統(tǒng)方案的選擇及原理
1．1 汽車防撞探測技術的比較與選擇
目前汽車防撞探測主要是采用紅外、超聲波、雷達等一些測量方式。其中紅外、激光、攝像頭等光學技術價格低廉且技術簡單，但全天候工作效果不好；超聲波受天氣狀態(tài)影響大，探測距離短，多用于倒車保護；而FMCW毫米波雷達則克服了上述幾種探測方式在汽車防撞探測中的缺點，具有穩(wěn)定的探測性能和良好的環(huán)境適應性。它不僅可測量目標距離，還可測量目標物體的相對速度及方位角等參數(shù)，使汽車在惡劣氣候條件下實現(xiàn)盲行成為可能。此外，F(xiàn)MCW毫米波雷達結構簡單、發(fā)射功率低、分辨率和靈敏度高、天線部件尺寸小，已成為主動防撞雷達的首選。
1．2 雷達頻率的選擇
雷達波的頻率原則上并無特別的限制。目前，按照歐盟委員會的決定，從2005年下半年至2013年，在所有歐盟國家，汽車防撞雷達將使用K波段24 GHz的專門頻帶。雖K波段的24 GHz雷達的波長為12 mm，已經(jīng)達到厘米波的范圍，但在特性方面還是接近于毫米波，因此，還將它作為毫米波雷達來考慮。
1．3 FMCW雷達工作原理
FMCW雷達的基本原理為，發(fā)射波為高頻連續(xù)波，其頻率隨時間按照三角波規(guī)律變化。雷達接收的回波頻率與發(fā)射的頻率變化規(guī)律相同，都是三角波規(guī)律，只是有一個時間差，利用這個微小的時間差就可以計算出目標距離。其發(fā)射頻率與接收頻率的相對關系不僅可測量目標距離，而且還可測量目標徑向速度v。圖1為FMCW雷達的基本結構圖。