隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車的數(shù)量日益增多，汽車運(yùn)輸愈加繁忙，但同時(shí)交通事故也屢見(jiàn)不鮮。

因此發(fā)展汽車防撞技術(shù)，對(duì)提高汽車智能化水平有重要意義。汽車要避撞就必須憑借一定的裝備測(cè)量前方障礙物的距離，并迅速反饋給汽車，以在危急的情況下，通過(guò)報(bào)警或自動(dòng)進(jìn)行某項(xiàng)預(yù)設(shè)定操作如緊急制動(dòng)等，來(lái)避免由于駕駛員疲勞、疏忽、錯(cuò)誤判斷所造成的交通事故。本文將防撞技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)著眼于車輛測(cè)距技術(shù)。從測(cè)量距離和相對(duì)速度兩個(gè)角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)有效防撞的效果。

1、安全距離的相關(guān)研究與設(shè)定
1．1 參數(shù)確定

所謂安全行車距離就是指在同一條車道上，同向行駛前后兩車間的距離（后車車頭與前車車尾間的距離），保持既不發(fā)生追尾事故，又不降低道路通行能力的適當(dāng)距離。由安全距離的計(jì)算公式：

d*=η／（vt+v2／254φ） （1）

可知要求得安全行車距離，需要確定的參數(shù)有本車速度 v、反應(yīng)時(shí)間 t、輪胎與道路的附著系數(shù)φ、系統(tǒng)調(diào)整系數(shù)η。

1）本車速度 v

利用汽車防撞系統(tǒng)的車速傳感器可測(cè)得實(shí)時(shí)值。

2）反應(yīng)時(shí)間 t

據(jù)有關(guān)專家測(cè)定，一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)駕駛員的反應(yīng)時(shí)間在 0．30～1100 s 之間，再加上剎車系統(tǒng)發(fā)生作用的時(shí)間等因素，總的反應(yīng)時(shí)間在 1．30～1．98 s 之間，即取值為 1．30～1．98 s。

3）輪胎與道路的附著系數(shù)φ

不同路面的附著系數(shù)如表 1 所示。

4）系統(tǒng)調(diào)整系數(shù)η

為了安全，駕駛員要根據(jù)自己對(duì)安全效果的不同要求來(lái)設(shè)置調(diào)整系數(shù)η。如果比較保守，要選擇η值大些。η取值范圍為 1．05～1．10，通常取 1．10。

5）安全間距 d0

兩車制動(dòng)停止時(shí)應(yīng)保持一定的間距 d0 以保證安全。d0 選擇得是否合理，對(duì)系統(tǒng)的虛警率有一定的影響。理想情況最小可以為 0，但國(guó)內(nèi)外的資料上一般為 2～5 m，出于安全考慮取為 5 m。

1．2 系統(tǒng)模型的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

給定一個(gè)汽車防撞系統(tǒng)，根據(jù)各參數(shù)的影響因素和取值范圍，設(shè)定相應(yīng)參數(shù)：t=1．8 s；η=1．10；d0=5 m。在行車過(guò)程中，根據(jù)路面類型的不同，參照表 1 的數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)定輪胎與道路的附著系數(shù)φ。根據(jù)計(jì)算可得，在速度相同時(shí)，不同的路面情況得到的安全行車距離不同，且速度越大，得出的安全行車距離差值就越大。因此決定安裝一個(gè)路面情況選擇開(kāi)關(guān)，采用點(diǎn)觸式開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，由駕駛員根據(jù)天氣狀況主觀選擇附著系數(shù)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，求出該附著系數(shù)下的安全行車距離。開(kāi)關(guān)選擇如圖 1 所示。

2、多普勒頻移的測(cè)量

2．1 多普勒信息的提取

如果反射信號(hào)來(lái)自一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，則反射信號(hào)中包括一個(gè)由目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的多普勒頻移 fd。

要從接收信號(hào)中取出多卜勒頻率需要采用差拍的方法，即設(shè)法取出 f0 和 fr 的差值 fd。

經(jīng)典的差拍法是采用相干解調(diào)，將接受信號(hào)與發(fā)射信號(hào)通過(guò)乘法器相乘，經(jīng)低通濾波器后，即可得到所需的差頻信號(hào)。

2．2 相干檢波原理

相干檢波也叫相干解調(diào)，目的是將調(diào)制信號(hào)從接收信號(hào)中提取出來(lái)。假設(shè)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)分別為

s（t）=Acosω0t （3）

r（t）=Bcos（ω0+ωd）t （4）

相干解調(diào)的一般模型如圖 2 所示。

經(jīng)低通濾波器后得到

x（t）=Bcosωdt／2 （6）

x（t）即為接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的差拍信號(hào)，多卜勒頻移被提取出來(lái)。

3、LFMCW 雷達(dá)信號(hào)的產(chǎn)生和接收

3．1 LFMCW 雷達(dá)信號(hào)的產(chǎn)生

LFMCW 雷達(dá)系統(tǒng)基本組成框圖如圖 3 所示。

LFMCW 是被調(diào)制的射頻信號(hào)，由 VCO（壓控振蕩器）在調(diào)制信號(hào)的作用下產(chǎn)生。VCO 輸出信號(hào)的頻率隨調(diào)制信號(hào)的幅度作線性變化。VCO 輸出信號(hào)的一部分經(jīng)功率放大器放大后由無(wú)線發(fā)射出去，另一部分經(jīng)定向耦合器加到混頻器作為混頻器的本振信號(hào)。發(fā)射信號(hào)在前進(jìn)過(guò)程中如果遇到目標(biāo)則部分被反射，反射信號(hào)被接收天線接收與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，并經(jīng)帶通濾波器輸出中頻信號(hào)，后繼的信號(hào)處理電路即可從中頻信號(hào)中提取出目標(biāo)的距離和速度等信息。

運(yùn)用 MATIAB 編程產(chǎn)生 LFMCW 信號(hào)的波形圖如圖 4 所示。由圖可知，發(fā)射信號(hào)是一個(gè)頻率呈線性減小再增大的 LFMCW 波形，而回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)波形一致，只是存在一個(gè)時(shí)延。

3．2 LFMCW 雷達(dá)回波信號(hào)的雜波處理

將發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)耦合至混頻器進(jìn)行混頻，輸出中頻信號(hào)，結(jié)合實(shí)際考慮到各種背景（如地物、云雨等）的干擾回波信號(hào)，雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)往往是混疊在干擾雜波背景中。大多數(shù)雜波都屬于分布雜波，且存在內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，頻譜較寬。此時(shí)就需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（MTD）。雷達(dá)信號(hào)的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)是利用與相參回波脈沖串匹配的多普勒濾波器組來(lái)抑制各種雜波，改善功率信雜比，實(shí)現(xiàn)相參積累，以增強(qiáng)雷達(dá)在雜波背景中檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)能力的技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于對(duì)不同通道進(jìn)行相參積累處理。其實(shí)現(xiàn)方法就是將回波信號(hào)通過(guò)一組多普勒濾波器組，進(jìn)行信號(hào)處理，將動(dòng)目標(biāo)回波與雜波分別開(kāi)來(lái)。MTD 處理的仿真結(jié)果如圖 5 所示。
 

3．3 中頻信號(hào)處理

對(duì)如圖 4 所產(chǎn)生的 LFMCW 信號(hào)，對(duì)比可只回波信號(hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)有一定的時(shí)延，即使存在多普勒頻移，對(duì)于中頻信號(hào)的前向和后向頻差也必然存在相對(duì)于變化周期來(lái)說(shuō)比較長(zhǎng)的恒定差值階段，采用矩形窗截取恒定階段并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，如圖 6（a）（b）所示，通過(guò)處理便可得到前向頻差和后向頻差，進(jìn)而求得距離和相對(duì)速度。

4 、LFMCW 雷達(dá)信號(hào)的測(cè)距原理

調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的載頻在調(diào)制周期內(nèi)線性變化。線性變化亦有多種方式，結(jié)合測(cè)試需求分析，本文采用三角波調(diào)制方式的 LFMCW 進(jìn)行測(cè)量。由相對(duì)運(yùn)動(dòng)的角度出發(fā)，重點(diǎn)研究反射信號(hào)來(lái)自一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，則反射信號(hào)頻率中還會(huì)包括一個(gè)由目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的多普勒頻移，如圖 7 所示。

結(jié)合相對(duì)速度的求解公式和防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及工作原理可知，要判斷兩車是靠近還是遠(yuǎn)離，只需判斷 fb- 與 fb+的符號(hào)大小即可。通過(guò)以上分析可知：求得 LFMCW 上下掃頻段的頻率差并比較其數(shù)值的大小成為實(shí)現(xiàn)有效防撞處理的關(guān)鍵。

5、 結(jié)論

該設(shè)計(jì)系統(tǒng)著重從測(cè)量?jī)绍囬g的相對(duì)運(yùn)動(dòng)出發(fā)，只要在判斷兩車間距是否滿足安全距離的條件的同時(shí)，利用多普勒效應(yīng)測(cè)得兩車間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是靠近還是遠(yuǎn)離，就可以有效的實(shí)現(xiàn)汽車防撞，沒(méi)必要實(shí)時(shí)的測(cè)得相對(duì)速度數(shù)值的大小。這樣減少了很多不必要的信號(hào)處理與計(jì)算。