硕士论文-高速公路汽车防撞雷达研究

重庆大学硕士学位论文高速公路汽车防撞雷达研究姓名：张承畅申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：杨士中20050401重庆大学硕士学位论文中文摘要I摘要随着高速公路的迅速普及，汽车相撞事故也频繁发生，防止汽车相撞已引起了世界各国的广泛关注，因此急需找到一种能有效解决汽车碰撞问题的方法。针对这一现状，本文介绍了一种高速公路汽车防撞雷达系统。该防撞雷达系统主要是用于高速公路上多雾天气防止车辆前后追尾相撞，而不考虑车辆与其前方的非车辆障碍物之间的防撞问题，设计只完成最基本的险情探测和预警功能的前视防撞雷达。本文采用了技术成熟，易于工程实现的厘米波脉冲雷达，以单波束辐射的方式测距。为了弥补厘米波波束大、作用距离不如毫米波的缺点，系统在目标车辆的尾部增加了一级转发器，以双机应答的方式测量车距。本文结合大量的框图、电路图、波形图，详细阐述了高速公路汽车防撞雷达的系统结构、工作原理、工作流程。并根据雷达工作的不同体制设计了基于脉冲雷达和基于相位编码压缩雷达两种实现方案，两种方案共用射频信道和显示报警终端，其中射频信道部分在脉冲雷达方案中进行阐述，终端的显示报警部分作为独立的一章进行介绍。对于脉冲雷达方案，具体介绍了其射频信道，中频调制解调部分，由于对接收脉冲采用直接判决容易造成误判，本论文设计了先对回波信号进行高速采样，后用同步累加进行脉冲积累，以改善回波信号质量、提高信噪比的方案，并对采用FPGA和A/D、D/A实现脉冲积累作了详细介绍。对于相位编码脉冲压缩雷达方案，重点介绍了其工作原理和实现方法。关键词：汽车防撞雷达，脉冲雷达，FPGA，相位编码脉冲压缩雷达重庆大学硕士学位论文英文摘要IIABSTRACTWiththerapidpopulationofthefreeway,theaccidentofautomotivecollisionoccursnowandthen,whichhasbeenarousedconsiderableattentionallovertheworld.Soitisessentialtofindoutaneffectivewaytosolvetheautomotiveanti-collisionontheexpressway.Aimsatthisactuality,thisarticleintroducesaradarsystemofautomotiveanti-collision.Thisradarismainlyappliedtopreventthevehiclefromrear-endcollisionunderthefogweathercondition,withnoconsiderationoftheotherobstacle’santi-collisionbeforethevehicle.Thedesignhadbeenfinishedabasicfunctionofforwardlookinganti-collisionfordangerdetectingandcollisionalarming.Thisarticleadoptsatechnicalripenessandeasilyrealizableautomotiveanti-collision,whichemployscentimeterwaveandmeasuresdistancebybeamradiation.Tocompensatecentimeterwave’sshort-comingssuchasbroadbeamandshorteffectiverange,atransponderisaddedinthebackoftargetautomotive.Thissecondaryradarmeasuresrangeinthewayofresponding.Withtheillustrationsofmanyblockdiagrams,circuitschematicsandwaveformfigures,thispaperexpatiatesthesystemarchitecture,workingprincipleandworkingflowoftheautomotiveanti-collisionradar.Accordingtothedifferentemployingsystemofradar,thisarticledesignstwoschemes,oneispulseradar,theotherisphasecodepulsecompressionradar.Bothschemeshavethesameradiofrequency(RF)channelanddisplayingterminal,whichRFchannelpartisintroducedinthechapterofpulseradarscheme,moreoverthedisplayingterminalasuniquechapter.Forpulseradarscheme,thearticleexpatiatesit’sRFchannelandintermediatefrequency(IF)modulationanddemodulationparts.Becausetheuseofdirectjudgmenttoreceivingpulsecanbeeasilybroughtonanerror,sopulseechoissampledfirstlywithhigh-speedandthensynchronousaccumulation,thatthequalityofbackpulseandtheratioofsignaltonoisecanbeimproved.Atthesametime,thearticleexpatiateshowtorealizepulseaccumulationbyA/D、FPGAandD/A.Forthephasecodepulsecompressionradar,thearticlegivesemphasistointroduceitsworkingprincipleandrealizingmethod.Keywords:automotiveanti-collisionradar,pulseradar,FPGA,phasecodepulsecompressionradar重庆大学硕士学位论文1引言11引言1.1课题研究的背景和现状随着汽车工业和高速、高架公路的飞速发展，汽车撞车事故亦随之日益严重。据资料统计，全世界死于车祸的人数要比第二次世界大战的死亡人数还要多。虽然现有的汽车上一般都装配有安全带、安全气囊等防护装置，但这是一种事故发生之后才提供应急保护的被动式防护装置，功能有限，撞车事故仍然造成大量的人员伤亡和巨大的经济损失。在汽车防撞系统研发的极大现实意义和广阔应用前景的驱动下，世界各国的汽车制造商、大学和科研院所先后投入大量的人力、物力、财力研制主动式的汽车自动防撞器。国际上对于汽车防撞雷达的研究始于20世纪60年代，研究主要在以德国、美国和日本为代表的主要西方发达国家内展开。至今为止，从时间上大致可以分为两个阶段。第一阶段从60年代至70年代末期，这一阶段的特点是微波理论及其器件集成水平低，系统硬件成本高，对于防撞雷达系统的性能要求没有客观的标准，因而各国研制出的防撞雷达样机效果差。第二阶段从80年代中期至今，在这一阶段，随着微波技术理论及其器件集成技术的高速发展，以及微处理器性能价格比的突飞猛进，使得研制出低成本、高性能的汽车防撞雷达成为可能，对于防撞雷达系统的性能要求也大致形成了共识。进入90年代后，德国在这一领域的研究处于领先地位[1]。最近，欧盟RadarNet研究项目致力于整合已有研发成果，采用最新技术，研制一种新型的多功能汽车防撞雷达[2]，应该说它代表了汽车防撞雷达研究的技术前沿，具有较强的参考价值。我国在这方面尚处于起步研究阶段，根据为数不多的文献[3][4][5]可看出,与国外机构的高投入、系统性的研发相比，国内的研发机构虽多，但相对分散，而且国内的研发目前还只着眼于安全性考虑，一般只有一个传感器，因而所能实现的功能相对单一。北京泰远汽车自动防撞器制造有限公司生产的泰远牌汽车防撞雷达，据《科技日报》（2002.8.7）报道，已正式通过国家汽车质量监督检验中心的技术鉴定，于1999年6月获国家实用新型专利，将在南京开始建设年产汽车自动防撞器100万套的生产基地（技术参数不详）。这也是目前所知的国内唯一一个汽车防撞雷达的专业生产厂家。无锡市通超电子有限公司汽车防撞雷达以超声波测距，作用范围为0.5～2米，是一种只能用于倒车时防撞的倒车防撞雷达。此外还有一些单位和科研人员对防撞雷达做了一些研究，但仅基于方案的设计和探讨，未做重庆大学硕士学位论文1引言2出实际样机。本课题组根据上述情况在作了广泛的社会调查之后，研制出了高速公路汽车防撞雷达的样机。该雷达主要应用于防止多雾、雨、雪等恶劣天气下高速公路上的汽车追尾相撞，系统将自动完成运动中两车之间距离的测量，以多种方式表示与同向前车（可能碰撞的车）的距离，如：（1）用指针表示距离；（2）用声音频率表示距离，距离越近声音频率越高；（3）用光柱的长短表示距离；另外当距离达到预设门限值时就自动切断发动机的电路，车速将直线下降。对配有ABS系统的汽车可在预先设置的另一门限值时启动ABS系统，及时停车。汽车防撞雷达是未来的高科技产品，它对提高交通安全，降低恶性交通事故发生率、减少生命财产损失将起到重要作用。显然，此类产品的研究开发具有极大的现实意义和广阔的应用前景。1.2智能汽车的距离测量技术汽车防撞器最关键和最基本的技术是车辆测距技术,现在运用在汽车上的测距方法主要有超声波测距，雷达测距，摄像系统测距，激光测距，和夜间应用的红外线测距等几种方法。1.2.1超声波测距[6]超声波一般指频率在20KHz以上的机械波，具有穿透性较强、衰减小、反射能力强等特点，超声波测距仪器一般由发射器、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出一系列连续的脉冲，并给测量逻辑电路提供一个短脉冲。超声波接收器则在接收到障碍物反射回来的反射波后，也向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。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不一样；另一方面是对于远距离的障碍物，由于反射波过于微弱，使得灵敏度下降。故超声波测距常用于短距离测距，最佳距离为4～5米，一般应用在汽车倒车防撞系统上。1.2.2激光测距[7][8][9]激光测距装置是一种光子雷达系统，它具有测量时间短、量程大、精度高等优点，在许多领域得到了广泛应用。目前在汽车上应用较广的激光测距系统可分为非成像式激光雷达和成像式激光雷达。非成像式激光雷达根据激光束传播时间确定距离。它的工作原理是：从高功率窄脉冲激光器发出的激光脉冲经发射物镜聚焦成一定形状的光束后，用扫描镜重庆大学硕士学位论文1引言3左右扫描，向空间发射，照射在前方车辆或其他目标上，其反射光经扫描镜、接收物镜及回输光纤，被导入到信号处理装置内的光电二极管，利用计数器计数激光二极管启动脉冲与光电二极管的接收脉冲间的时间差，即可求得目标距离。利用扫描镜系统中的位置探测器测定反射镜的角度即可测出目标的方位。成像式激光雷达又可分为扫描成像激光雷达和非扫描成像激光雷达。扫描成像激光雷达把激光雷达同二维光学扫描镜结合起来，利用扫描器控制激光的射出方向，通过对整个视场进行逐点扫描测量，即可获得视场内目标的三维信息。非扫描成像式激光雷达将光源发出的经过强度调制的激光经分束器系统分为多束光后沿不同方向射出，照射待测区域。由于非扫描成像激光雷达测点数目大大减少，从而提高了系统三维成像速度。