0 引言

    隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車(chē)成為人們出行交通工具的首選。出行人口眾多的復(fù)雜交通狀況導(dǎo)致我國(guó)車(chē)輛碰撞類(lèi)交通事故頻發(fā)。車(chē)輛碰撞類(lèi)交通事故已經(jīng)成為我國(guó)交通安全治理的難題。此難題同樣困擾著國(guó)際上主要發(fā)達(dá)國(guó)家，為了解決此難題，國(guó)際各主要國(guó)家投入大量人力、物力對(duì)汽車(chē)防撞系統(tǒng)進(jìn)行研制，而車(chē)載測(cè)距雷達(dá)的研制無(wú)疑是汽車(chē)防撞系統(tǒng)研制的核心。微波測(cè)距相比于超聲波、激光和攝像等測(cè)距方式，不易受天氣因素影響，抗干擾性能強(qiáng)，已成為車(chē)載測(cè)距雷達(dá)研制的首選^[1]。美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本和瑞典先后研制出測(cè)量距離大于100 m的車(chē)載防撞雷達(dá)，已經(jīng)投入實(shí)用化^[2]。我國(guó)車(chē)載測(cè)距雷達(dá)的研究起步稍晚，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上實(shí)用防撞雷達(dá)系統(tǒng)還較少見(jiàn)，各大研究機(jī)構(gòu)都在開(kāi)展車(chē)載雷達(dá)系統(tǒng)的研究^[3-7]，因而進(jìn)行車(chē)載測(cè)距雷達(dá)系統(tǒng)研制的意義重大。工業(yè)和信息化部于2012年發(fā)布了《24 GHz頻段短距離車(chē)載雷達(dá)設(shè)備使用頻率的通知》，明確規(guī)定了24 GHz車(chē)載雷達(dá)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。本文基于異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管NE3514研制車(chē)載雷達(dá)射頻電路模塊，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)車(chē)載測(cè)距雷達(dá)系統(tǒng)。

1 測(cè)距原理

    調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)的工作原理：雷達(dá)發(fā)射微波信號(hào)，微波信號(hào)被探測(cè)物反射，回波信號(hào)被原雷達(dá)接收機(jī)接收，比較接收時(shí)刻的雷達(dá)接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的頻差，能夠獲得探測(cè)物的距離信息。

    雷達(dá)與目標(biāo)物無(wú)相對(duì)速度的情況下，雷達(dá)發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的時(shí)間頻率關(guān)系如圖1所示。

其中，波形f_t表示發(fā)射信號(hào)的時(shí)間與頻率的關(guān)系，波形f_r表示接收信號(hào)的時(shí)間與頻率的關(guān)系。由圖可知，接收信號(hào)相對(duì)發(fā)射信號(hào)在時(shí)間上延遲Δt，如果用R表示雷達(dá)相對(duì)目標(biāo)的距離，c表示光速，則：

    當(dāng)雷達(dá)與探測(cè)目標(biāo)存在相對(duì)速度時(shí)，雷達(dá)波形的時(shí)間與頻率關(guān)系如圖2所示。

    由于探測(cè)目標(biāo)與回波信號(hào)之間存在相對(duì)速度，產(chǎn)生多普勒頻移，表現(xiàn)在同一時(shí)刻接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的頻差相對(duì)于探測(cè)目標(biāo)與雷達(dá)靜止時(shí)接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的頻差有所升高或者降低。在調(diào)制三角波上升半周期內(nèi)，中頻信號(hào)可以表示為：

其中Δf為探測(cè)物與雷達(dá)相對(duì)靜止時(shí)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(fā)射電磁波的波長(zhǎng)，當(dāng)目標(biāo)與雷達(dá)相向運(yùn)動(dòng)，v的符號(hào)為正；當(dāng)目標(biāo)與雷達(dá)背向運(yùn)動(dòng)，v的符號(hào)為負(fù)。

2 車(chē)載測(cè)距雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    車(chē)載雷達(dá)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖3所示，系統(tǒng)包括3個(gè)電路模塊，分別是雷達(dá)射頻模塊、中頻信號(hào)處理模塊和數(shù)字基帶處理模塊。雷達(dá)模塊用于雷達(dá)射頻信號(hào)收發(fā)；中頻信號(hào)處理模塊用于中頻信號(hào)放大與濾波；數(shù)字基帶處理模塊用于中頻信號(hào)的采集與分析，同時(shí)完成系統(tǒng)控制。

2.2 雷達(dá)射頻模塊

    如圖4所示，雷達(dá)射頻模塊為108個(gè)陣元構(gòu)成的非對(duì)稱(chēng)窄波束遠(yuǎn)距離雷達(dá)傳感器，該傳感器模塊包含1個(gè)射頻低噪聲放大器(RF LNA)，I、Q兩通道一共4個(gè)中頻電路預(yù)放大器(IF preamplifiers)、2個(gè)混頻器和1個(gè)壓控振蕩器(VCO)。其中VCO的輸出信號(hào)頻率由FM input端口直接控制。在本文中， 由DAC產(chǎn)生的三角波被放大與直流電平調(diào)整，控制VCO產(chǎn)生受控頻率信號(hào)通過(guò)發(fā)射天線陣列發(fā)射，發(fā)射信號(hào)被探測(cè)車(chē)輛反射，反射信號(hào)為接收天線所接收，接收信號(hào)通過(guò)RF LNA放大，并與當(dāng)前時(shí)刻VCO產(chǎn)生信號(hào)相混頻得到中頻信號(hào)，中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)IF preamplifiers放大后輸入中頻信號(hào)處理模塊進(jìn)行處理。

2.3 中頻信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

    中頻信號(hào)處理模塊電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。該模塊主要包括3個(gè)部分：高通濾波器、可變?cè)鲆娣糯笃骱偷屯V波器。由于射頻電路模塊各端口無(wú)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(hào)中存在泄露的三角波信號(hào)，為此需要高通濾波器將中頻信號(hào)中泄露的三角波濾除。高通濾波器采用TLV2374運(yùn)算放大器構(gòu)成多路反饋二階濾波電路實(shí)現(xiàn)，濾波電路低頻3 dB截止頻率為30 kHz。可變?cè)鲆娣糯箅娐分饕褂肨LV2374運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)反向放大電路，通過(guò)MCP42100數(shù)字電位器對(duì)普通電阻替代達(dá)到增益控制的目的，可變?cè)鲆娣糯笃鞯姆糯蟊稊?shù)范圍為1～500倍。低通濾波器的主要作用是濾除輸入信號(hào)自身攜帶的高頻噪聲與中頻信號(hào)處理模塊產(chǎn)生的高頻噪聲，同時(shí)使輸入信號(hào)帶限，為后級(jí)ADC采樣做準(zhǔn)備。低通濾波器采用AD8532運(yùn)算放大器構(gòu)成無(wú)線增益多路反饋二階濾波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，濾波電路的3 dB截止頻率為103 kHz。中頻信號(hào)處理模塊的最大放大倍數(shù)為5 000倍(74 dB)。

2.4 數(shù)字基帶處理模塊設(shè)計(jì)

    數(shù)字基帶處理模塊主要完成數(shù)字信號(hào)特征信息的提取與電路系統(tǒng)整體控制，如圖6所示。

    數(shù)字基帶處理模塊主要由STM32F407微處理器與外圍模塊電路構(gòu)成。本文中MCU首先通過(guò)DMA1+DAC的模式產(chǎn)生三角波，三角波通過(guò)放大與直流電平調(diào)整，作為調(diào)制信號(hào)直接接入雷達(dá)射頻模塊的VCO控制輸入口FM input進(jìn)行信號(hào)調(diào)制； DMA1的半傳輸中斷和傳輸完成中斷作為ADC采樣開(kāi)始的標(biāo)志，ADC1與ADC2分別對(duì)I、Q兩路信號(hào)進(jìn)行采集。為保證ADC對(duì)信號(hào)以固定采樣率進(jìn)行采集，采用ADC+DMA2的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)；MCU通過(guò)控制數(shù)字電位器MCP42100的阻值來(lái)控制中頻電路模塊的可變?cè)鲆娣糯笃鞣糯蟊稊?shù)；信號(hào)采集完成后，MCU需要對(duì)ADC采集后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)特征信息提取。在本文中，信號(hào)特征信息的提取為信號(hào)頻率信息提取，本設(shè)計(jì)采用離散傅里葉變換的快速算法(FFT算法)對(duì)信號(hào)的頻率信息進(jìn)行提取，該算法需要進(jìn)行大量浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，而STM32F407微處理器內(nèi)部集成浮點(diǎn)運(yùn)算器(FPU)，該模塊能夠快速進(jìn)行大量浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，計(jì)算出最終的測(cè)量結(jié)果在OLED屏上實(shí)時(shí)顯示。

3 系統(tǒng)功能測(cè)試

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

    典型的測(cè)試回波信號(hào)如圖8所示。該圖展示了54 m處目標(biāo)回波信號(hào)與信號(hào)的頻譜幅值，從圖8（a）中能夠清晰觀測(cè)出回波信號(hào)，對(duì)圖8（a）中回波信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換分析，得到如圖8（b）所示的回波信號(hào)頻譜幅度值，可以分辨出目標(biāo)的距離信息為53 m。

    系統(tǒng)測(cè)試電路對(duì)目標(biāo)物距離測(cè)量結(jié)果如表1所示，在12 m～90 m范圍內(nèi)測(cè)量誤差不超過(guò)10%。

4 結(jié)論

    本文介紹了一款24GHz FMCW車(chē)載測(cè)距雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，可滿(mǎn)足雷達(dá)測(cè)距基本要求，能夠作為車(chē)載防撞雷達(dá)原型機(jī)進(jìn)行車(chē)載防撞雷達(dá)系統(tǒng)的研發(fā)。

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