FMCW雷達系統及其前端數據采集模塊設計

摘要 (FMCW)調頻連續波雷達在汽車(chē)防撞系統中得到了廣泛的應用。文中對近年來(lái)國內外汽車(chē)防撞系統的發(fā)展做了闡述和比較，以FMCW毫米波雷達作為系統前端，對防撞系統的原理、結構、信號的前置放大和模數轉換等關(guān)鍵數據采集模塊進(jìn)行了介紹與設計。
關(guān)鍵詞 FMCW；毫米波雷達；車(chē)輛防撞系統；前置放大

隨著(zhù)我國汽車(chē)總量的迅速上升，交通安全問(wèn)題也引起了政府和社會(huì )的廣泛關(guān)注。大量的研究表明，當意外發(fā)生時(shí)，車(chē)輛若能提前0．7 s制動(dòng)，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(shí)間可有效降低事故發(fā)生率。車(chē)載FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave)雷達防撞系統是降低事故率的重要主動(dòng)安全手段。
車(chē)載防撞雷達系統的研究始于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(guò)連續波雷達。奔馳S系列、美洲虎XKR系列、奧迪A8等高檔車(chē)型上已有配備相關(guān)系統，但價(jià)格昂貴。我國汽車(chē)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(chē)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(chē)主動(dòng)防撞系統的首選。文中所介紹的基于FMCW技術(shù)的汽車(chē)防撞雷達系統，可以自動(dòng)偵測兩車(chē)之間的距離及相對速度，進(jìn)行危險判斷，提醒駕駛員作出相應反應或與剎車(chē)系統關(guān)聯(lián)動(dòng)作來(lái)避免兩車(chē)相撞。

1 防撞雷達系統方案的選擇及原理
1．1 汽車(chē)防撞探測技術(shù)的比較與選擇
目前汽車(chē)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(xué)技術(shù)價(jià)格低廉且技術(shù)簡(jiǎn)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(chē)保護；而FMCW毫米波雷達則克服了上述幾種探測方式在汽車(chē)防撞探測中的缺點(diǎn)，具有穩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，使汽車(chē)在惡劣氣候條件下實(shí)現盲行成為可能。此外，FMCW毫米波雷達結構簡(jiǎn)單、發(fā)射功率低、分辨率和靈敏度高、天線(xiàn)部件尺寸小，已成為主動(dòng)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(wú)特別的限制。目前，按照歐盟委員會(huì )的決定，從2005年下半年至2013年，在所有歐盟國家，汽車(chē)防撞雷達將使用K波段24 GHz的專(zhuān)門(mén)頻帶。雖K波段的24 GHz雷達的波長(cháng)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(lái)考慮。
1．3 FMCW雷達工作原理
FMCW雷達的基本原理為，發(fā)射波為高頻連續波，其頻率隨時(shí)間按照三角波規律變化。雷達接收的回波頻率與發(fā)射的頻率變化規律相同，都是三角波規律，只是有一個(gè)時(shí)間差，利用這個(gè)微小的時(shí)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(guān)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。