24G毫米波雷達在機車(chē)測距及避撞應用的探索

最近接到一個(gè)項目，需要在機車(chē)上設計一款雷達產(chǎn)品，主要用于軌道交通方面的機車(chē)測距和避撞。在網(wǎng)上搜尋了一段時(shí)間，可以選擇的有激光雷達、超聲波雷達、紅外雷達和毫米波雷達。對比了各個(gè)雷達的特點(diǎn)，激光雷達具有探測距離遠，探測精確的特點(diǎn)，但是容易受到雨霧，特別是下雪和粉塵的干擾，這個(gè)在軌道交通行業(yè)中適應性不是很好。超聲和紅外雷達，具有價(jià)格低，設計簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是同樣容易受到溫度變化的影響，在南方和北方會(huì )有很大的差別，另外探測的距離也有限。毫米波雷達探測的介質(zhì)是電磁波，具有探測距離遠、穿透能力強、環(huán)境適應性強以及實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，尤其是波長(cháng)較短者。

俗話(huà)說(shuō)萬(wàn)事開(kāi)頭難！在搜尋了各大廠(chǎng)商的方案之后，最終選擇了UMS的24G雷達方案，選擇這個(gè)方案有幾點(diǎn)好處：

1）方案比較靈活，可以選擇集成度高、設計相對簡(jiǎn)單的單發(fā)雙收的雷達芯片。也可利用分立器件自由組合出多個(gè)收發(fā)結合的方案，這樣可以探測更加精準和擴展更廣闊的探測范圍。

2）擁有業(yè)界唯一的GaAs工藝，工作溫度范圍為-40度—125度，適用于機車(chē)工作環(huán)境。

3）開(kāi)發(fā)工具和參考資料比較齊全。

在筆者的項目中，選擇的是集成度較高的單芯片方案CHC2442-QPG。從圖 1 CHC2442-QPG的內部架構，可以看出其內部集成了低噪聲的VCO、Tx PA、混頻器、接收LNA和中頻放大器等核心功能。只需加上DSP處理單元就可以完成雷達的功能設計。如圖2 UMS機車(chē)24G雷達模塊原理框圖所示，雷達模塊支持單發(fā)雙收和一路視頻，與車(chē)載控制單元之間通過(guò)CAN總線(xiàn)以及以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。

圖1：CHC2442-QPG的內部架構

圖2：UMS機車(chē)24G雷達模塊原理框圖

在實(shí)際上車(chē)調試時(shí)，發(fā)現低速行車(chē)容易誤報警，造成急剎車(chē)。然而實(shí)際場(chǎng)景中，車(chē)的前方并沒(méi)有任何障礙物。于是把雷達模塊射頻前端的信號取樣分析后發(fā)現，是軌道旁邊的AP桿和信號機的桿子反射的雷達波，造成了芯片誤讀取前方有障礙物信號，從而輸出報警造成急剎車(chē)。分析如圖 3雷達探測范圍示意圖所示。

圖3：雷達探測范圍示意圖

找到原因后，經(jīng)過(guò)項目組分析討論分兩個(gè)方向來(lái)解決：

一是CHC2442-QPG的接收增益可調，在低速行車(chē)時(shí)調低雷達的接收增益，也就是降低雷達的接收靈敏度來(lái)濾掉軌旁的偽障礙物，如AP桿子、信號機等。該方向很容易實(shí)現，因為CHC2442-QPG可以通過(guò)SPI控制接收增益，這個(gè)接收增益可調節的范圍為24dB，比較寬。

二是優(yōu)化天線(xiàn)設計，縮小水平方向的波瓣寬度，由目前的60度減小到30度。該方向需要重新設計天線(xiàn)，從調整天線(xiàn)輻射單元的布局以及單個(gè)輻射單元的形狀兩個(gè)方面縮小水平方向的波瓣寬度。圖 4陣列天線(xiàn)的設計對比所示，陣列天線(xiàn)的布局從左邊長(cháng)條形的布局調整到右邊這種正方形的緊湊布局。天線(xiàn)的單元也由原來(lái)的單一輻射結構改為對稱(chēng)結構，并且在天線(xiàn)單元之間增加了功分網(wǎng)絡(luò )，保證阻抗的合理匹配。這種對稱(chēng)結構可以在保持輻射增益不降的情況下，有效地縮小天線(xiàn)的面積。

圖4：陣列天線(xiàn)的設計對比

通過(guò)不斷努力優(yōu)化，從如圖 5的最終版陣列天線(xiàn)的水平波瓣寬度和增益可以看出，天線(xiàn)的水平波瓣寬縮小到30度，比初版縮小了一倍，增益保持在原來(lái)的21dBm左右。面積也減小了三分之一左右。最終通過(guò)同時(shí)控制CHC2442-QPG的接收增益和縮小天線(xiàn)的水平輻射波瓣寬度兩個(gè)方面解決了誤報警問(wèn)題。

圖5：最終版陣列天線(xiàn)的水平波瓣寬度和增益