車用毫米波雷達(dá)傳感器組網(wǎng)

1引言

隨著人們對汽車駕駛過程當(dāng)中安全性、舒適性要求的不斷提高，汽車雷達(dá)被廣泛的應(yīng)用在汽車的自適應(yīng)巡航系統(tǒng)，防碰撞系統(tǒng)以及駕駛支援系統(tǒng)中。其中，毫米波雷達(dá)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(tǒng)的單一雷達(dá)傳感器還是存在著諸如探測范圍小、可靠性低等缺點(diǎn)。特別是在復(fù)雜的行駛狀況下，并線、移線、轉(zhuǎn)彎、上下坡以及道路兩旁的靜態(tài)護(hù)欄、標(biāo)志牌、行人都會使得雷達(dá)對主目標(biāo)的識別十分困難，誤報率很高。

種雷達(dá)傳感器集成在一起構(gòu)成的一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)綜合了各種傳感器的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了信息分析、綜合和平衡,利用數(shù)據(jù)間的冗余性和互補(bǔ)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(dá)的誤報率。由此構(gòu)成的新的、高精度的傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠極大地改善汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能.

2雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成原理

圖1所示的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)由四個等距離分布在安全杠上的近距離毫米波雷達(dá)傳感器(Near distance sensor，NDS)構(gòu)成，每個雷達(dá)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(nèi)實(shí)現(xiàn)水平方位角為120°的覆蓋面。這種近距離、大覆蓋面的雷達(dá)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在車速不高，路面狀況比較復(fù)雜的情況下(例如市內(nèi)交通)，監(jiān)控汽車前向較大范圍內(nèi)的目標(biāo)。如果需要遠(yuǎn)距離探測，可以在安全杠中間增加一個遠(yuǎn)距離雷達(dá)傳感器。隨著77 GHz汽車?yán)走_(dá)傳感器技術(shù)的成熟,近/遠(yuǎn)距離雷達(dá)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(xiàn)，采用這種技術(shù)容易做出一體化的設(shè)計(jì)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(tǒng)框圖中[2]，基于77GHz MMIC技術(shù)的雷達(dá)傳感器是構(gòu)成汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)的前端關(guān)鍵硬件，后端的信息處理需要用數(shù)字信號處理器等高速運(yùn)算單元來完成。傳感器、數(shù)字信號處理單元以及數(shù)據(jù)融合決策系統(tǒng)之間采用以太網(wǎng)、高速串行連接的方式傳送數(shù)據(jù)，以滿足高數(shù)據(jù)率的傳輸要求。數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)采用分布式體系結(jié)構(gòu)，即每個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(biāo)的方位、速度信息。控制器是整個雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最終決策機(jī)構(gòu)，它負(fù)責(zé)識別目標(biāo)的距離和速度信息是否對行車安全構(gòu)成威脅，并通過聲光的形式提示駕駛員或者直接作用于車載控制系統(tǒng)加以調(diào)整。

圖2 雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)解決方案

與單個雷達(dá)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(biāo)識別的優(yōu)越性能。測量精度高、誤報率低源于數(shù)據(jù)融合技術(shù)，這就要求每個傳感器在時間、頻率上精確同步；多目標(biāo)識別取決于系統(tǒng)自身對目標(biāo)的識別分類能力。因此，在整個雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)包括每個雷達(dá)傳感器的設(shè)計(jì)上都要圍繞著這兩點(diǎn)來進(jìn)行。

2.1 近距離傳感器設(shè)計(jì)

近距離雷達(dá)傳感器主要擔(dān)負(fù)著汽車前向35米內(nèi)的目標(biāo)探測，是汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜路況下發(fā)揮效能關(guān)鍵部分。近距離雷達(dá)傳感器主要包括射頻單元、接收機(jī)和各個傳感器的之間的精確時間同步控制[2]。在天線的設(shè)計(jì)上，既要符合所示的波束寬度的要求，同時又不能增大傳感器的體積。因此可以采用印刷體線性陣列天線。接收機(jī)主要由一些低頻元件、抗混疊濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成。這些低頻元件所產(chǎn)生的噪聲可以淹沒微弱的回波信號，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(shù)。此外，模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣頻率應(yīng)該依據(jù)近距離傳感器的性能參數(shù)來確定[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(jié)構(gòu)圖

圖4 同步系統(tǒng)框圖

2.2 同步控制

雷達(dá)組網(wǎng)后,同樣是通過測量發(fā)射信號和回波信號之間的頻率差來確定目標(biāo)的位置。但不同于單個雷達(dá)探測，汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)測量目標(biāo)的距離和速度是通過對每個傳感器測得的目標(biāo)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合而得到的。為了測量目標(biāo)距離以及產(chǎn)生一致的波形，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)要有統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn),這就是時間上的同步。為了能接收和放大回波信號,雷達(dá)傳感器的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)必須工作在相同的頻率,當(dāng)發(fā)射機(jī)頻率捷變時,接收機(jī)本振要作相應(yīng)的變化,即要實(shí)現(xiàn)頻率上的同步。汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)對傳感器之間的時間同步控制誤差要求在10ns內(nèi)。所以高精度時間頻率同步系統(tǒng)是汽車?yán)走_(dá)傳感器組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。圖4給出了基于DDS同步時鐘源的配置 [3]，各個收發(fā)單元上的DDS同步時鐘源的參考頻率源應(yīng)采用高穩(wěn)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間基準(zhǔn)來校準(zhǔn)。用作校準(zhǔn)的時間基準(zhǔn)的精度要更高一些,它們可以是GPS(導(dǎo)航星全球定位系統(tǒng)),羅蘭C或彩色電視發(fā)射臺發(fā)射的時間基準(zhǔn)信號.

2.3汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)分類算法

目標(biāo)分類系統(tǒng)的主要任務(wù)是針對目標(biāo)回波信號特征計(jì)算給定向量的分類關(guān)系，分類器定義了一組不同的目標(biāo)類別。分類器的工作可以分為研究階段和分類階段，在研究階段分類器對若干特征和經(jīng)過獨(dú)立標(biāo)記的特征向量進(jìn)行自動分析；在分類階段，要對每個被檢測到的目標(biāo)生成特征向量。與此同時，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類，如圖5所示。在汽車應(yīng)用中，由于分類任務(wù)很復(fù)雜，通常一個給定的向量需要考慮幾個特征，因而要采用多個分類器，其優(yōu)點(diǎn)是在研究階段能夠在一次迭代過程中評估某個特征對決策過程的影響，并自動剔除對決策過程影響較小的項(xiàng)目。文獻(xiàn)[4]給出了基于汽車?yán)走_(dá)