車(chē)用毫米波雷達傳感器組網(wǎng)

1引言

隨著(zhù)人們對汽車(chē)駕駛過(guò)程當中安全性、舒適性要求的不斷提高，汽車(chē)雷達被廣泛的應用在汽車(chē)的自適應巡航系統，防碰撞系統以及駕駛支援系統中。其中，毫米波雷達因探測精度高、硬件體積小和不受惡劣天氣影響等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。但是傳統的單一雷達傳感器還是存在著(zhù)諸如探測范圍小、可靠性低等缺點(diǎn)。特別是在復雜的行駛狀況下，并線(xiàn)、移線(xiàn)、轉彎、上下坡以及道路兩旁的靜態(tài)護欄、標志牌、行人都會(huì )使得雷達對主目標的識別十分困難，誤報率很高。

種雷達傳感器集成在一起構成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統綜合了各種傳感器的優(yōu)勢，實(shí)現了信息分析、綜合和平衡,利用數據間的冗余性和互補特性進(jìn)行容錯處理,克服了單一傳感器可靠性低、有效探測范圍小等缺點(diǎn),有效地降低了雷達的誤報率。由此構成的新的、高精度的傳感器網(wǎng)絡(luò )，能夠極大地改善汽車(chē)雷達網(wǎng)絡(luò )系統的性能.

2雷達網(wǎng)絡(luò )的構成原理

圖1所示的雷達網(wǎng)絡(luò )由四個(gè)等距離分布在安全杠上的近距離毫米波雷達傳感器(Near distance sensor，NDS)構成，每個(gè)雷達傳感器均采用FMCW體制。該傳感器網(wǎng)絡(luò )可在35米的范圍內實(shí)現水平方位角為120°的覆蓋面。這種近距離、大覆蓋面的雷達傳感器網(wǎng)絡(luò )可以在車(chē)速不高，路面狀況比較復雜的情況下(例如市內交通)，監控汽車(chē)前向較大范圍內的目標。如果需要遠距離探測，可以在安全杠中間增加一個(gè)遠距離雷達傳感器。隨著(zhù)77 GHz汽車(chē)雷達傳感器技術(shù)的成熟,近/遠距離雷達傳感器都傾向于采用77 GHz MMIC(毫米波集成電路)技術(shù)實(shí)現，采用這種技術(shù)容易做出一體化的設計方案，使收發(fā)模塊的成本大為降低。

在圖2所示傳感器網(wǎng)絡(luò )系統框圖中[2]，基于77GHz MMIC技術(shù)的雷達傳感器是構成汽車(chē)雷達網(wǎng)絡(luò )的前端關(guān)鍵硬件，后端的信息處理需要用數字信號處理器等高速運算單元來(lái)完成。傳感器、數字信號處理單元以及數據融合決策系統之間采用以太網(wǎng)、高速串行連接的方式傳送數據，以滿(mǎn)足高數據率的傳輸要求。數據融合系統采用分布式體系結構，即每個(gè)近距離傳感器對獲得的回波信號先進(jìn)行局部處理,然后送入融合中心進(jìn)行融合以獲得目標的方位、速度信息?？刂破魇钦麄€(gè)雷達網(wǎng)絡(luò )系統的最終決策機構，它負責識別目標的距離和速度信息是否對行車(chē)安全構成威脅，并通過(guò)聲光的形式提示駕駛員或者直接作用于車(chē)載控制系統加以調整。

圖2 雷達網(wǎng)絡(luò )系統結構圖

2 汽車(chē)雷達網(wǎng)絡(luò )關(guān)鍵技術(shù)解決方案

與單個(gè)雷達傳感器相比，多傳感器組網(wǎng)的優(yōu)勢在于測量精度高，誤報率低以及多目標識別的優(yōu)越性能。測量精度高、誤報率低源于數據融合技術(shù)，這就要求每個(gè)傳感器在時(shí)間、頻率上精確同步；多目標識別取決于系統自身對目標的識別分類(lèi)能力。因此，在整個(gè)雷達網(wǎng)絡(luò )包括每個(gè)雷達傳感器的設計上都要圍繞著(zhù)這兩點(diǎn)來(lái)進(jìn)行。

2.1 近距離傳感器設計

近距離雷達傳感器主要擔負著(zhù)汽車(chē)前向35米內的目標探測，是汽車(chē)雷達網(wǎng)絡(luò )在復雜路況下發(fā)揮效能關(guān)鍵部分。近距離雷達傳感器主要包括射頻單元、接收機和各個(gè)傳感器的之間的精確時(shí)間同步控制[2]。在天線(xiàn)的設計上，既要符合所示的波束寬度的要求，同時(shí)又不能增大傳感器的體積。因此可以采用印刷體線(xiàn)性陣列天線(xiàn)。接收機主要由一些低頻元件、抗混疊濾波器和模數轉換裝置構成。這些低頻元件所產(chǎn)生的噪聲可以淹沒(méi)微弱的回波信號，是影響探測距離的主要因素之一，因此要盡可能的降低噪聲參數。此外，模數轉換的采樣頻率應該依據近距離傳感器的性能參數來(lái)確定[2]。近距離傳感器的原理圖如圖3所示。

圖3近距離傳感器結構圖

圖4 同步系統框圖

2.2 同步控制

雷達組網(wǎng)后,同樣是通過(guò)測量發(fā)射信號和回波信號之間的頻率差來(lái)確定目標的位置。但不同于單個(gè)雷達探測，汽車(chē)雷達網(wǎng)絡(luò )測量目標的距離和速度是通過(guò)對每個(gè)傳感器測得的目標信息進(jìn)行數據融合而得到的。為了測量目標距離以及產(chǎn)生一致的波形，發(fā)射機和接收機要有統一的時(shí)間標準,這就是時(shí)間上的同步。為了能接收和放大回波信號,雷達傳感器的發(fā)射機和接收機必須工作在相同的頻率,當發(fā)射機頻率捷變時(shí),接收機本振要作相應的變化,即要實(shí)現頻率上的同步。汽車(chē)雷達網(wǎng)絡(luò )對傳感器之間的時(shí)間同步控制誤差要求在10ns內。所以高精度時(shí)間頻率同步系統是汽車(chē)雷達傳感器組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。圖4給出了基于DDS同步時(shí)鐘源的配置 [3]，各個(gè)收發(fā)單元上的DDS同步時(shí)鐘源的參考頻率源應采用高穩定度的原子鐘(如銣、銫原子鐘)。各收發(fā)單元的原子鐘要定期的用同一時(shí)間基準來(lái)校準。用作校準的時(shí)間基準的精度要更高一些,它們可以是GPS(導航星全球定位系統),羅蘭C或彩色電視發(fā)射臺發(fā)射的時(shí)間基準信號.

2.3汽車(chē)雷達網(wǎng)絡(luò )的目標分類(lèi)算法

目標分類(lèi)系統的主要任務(wù)是針對目標回波信號特征計算給定向量的分類(lèi)關(guān)系，分類(lèi)器定義了一組不同的目標類(lèi)別。分類(lèi)器的工作可以分為研究階段和分類(lèi)階段，在研究階段分類(lèi)器對若干特征和經(jīng)過(guò)獨立標記的特征向量進(jìn)行自動(dòng)分析；在分類(lèi)階段，要對每個(gè)被檢測到的目標生成特征向量。與此同時(shí)，識別算法采用最大似然方法進(jìn)行判決，以判別特征向量屬于哪個(gè)類(lèi)，如圖5所示。在汽車(chē)應用中，由于分類(lèi)任務(wù)很復雜，通常一個(gè)給定的向量需要考慮幾個(gè)特征，因而要采用多個(gè)分類(lèi)器，其優(yōu)點(diǎn)是在研究階段能夠在一次迭代過(guò)程中評估某個(gè)特征對決策過(guò)程的影響，并自動(dòng)剔除對決策過(guò)程影響較小的項目。文獻[4]給出了基于汽車(chē)雷達