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                    汽車防撞雷達系統設計

                    添加時間:2019/03/01 來源:南京理工大學 作者:何俊杰
                    本文通過優化汽車防撞雷達發射波形來降低信號處理的復雜度,提高目標測量精度,從而滿足汽車防撞雷達的低成本需求。首先分析了LFMCW和MFSK的工作原理及存在的問題。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘 要

                      交通事故的頻繁發生使汽車防撞雷達的需求量正在不斷增大。論文W低成本、高性能汽車防掛雷達為出發點,設計了一種探測盲區小、信號處理簡單、測距與測速精度高的汽車防掛雷達發射波形及其信號處理方法,在此基礎上研制了 一款該波形體制的汽車防拴雷達原理樣機。論文主要工作如下:

                      首先,針對線性調頻連續波體制雷達多目標配對復雜和多重頻率鍵控波形測距測速精度差的缺點,提出了多階線性頻率鍵控汽車防撞雷達工作波形,給出了詳細的波形參數設計和信號處理方法。該波形無需目標配對降低了計算復雜度;通過多個不模糊距離遞推求解的處理方式提高了測距測速精度;利用上下掃頻聯合探測減小了因收發泄漏造成的探測盲區,通過仿真驗證了該波形的探測性能;隨后給出了汽車防掛應用的雷達多目標跟蹤方案。

                      其次,基于多階線性頻率鍵控波形體制研制了一款汽車防撞雷達原理樣機,該雷達樣機天線、射頻與信號處理電路采用一體化設計方式,其中射頻與信號處理電路在一片印制板上實現。完成了射頻與信號處理電路板原理圖與PCB設計、雷達信號處理與數據處理軟件設計W及上位機界面設計等工作。

                      最后,通過外場實測,給出了基于多階線性頻率鍵控波形體制汽車防撞雷達樣機測距測速效果和多目標跟蹤效果,通過對實測結果分析驗證了多階線性頻率鍵控波形及跟蹤方案的有效性。

                      關鍵詞:汽車防掛雷達;多階線性頻率鍵控;波形設計;多目標跟蹤

                    Abstract

                      Due to the frequent occurrence of traffic accidents, the demand of automotive radar increases. In order t;o reduce the cost of automotive radar and improve its detection performance, a multi-stage linear frequency shift keying (MS-LFSK) waveform for automotive radar, as well as its signal processing method is developed in this thesis. The designed MS-LFSK waveform demonslrates a high deletion precision of range and velocity, a low signal processing load and a small detection blind area. Based on the designed waveform, an automotive radar prototype is developed. The main work is as follows.

                      Firstly, to overcome the t:arget-pairing problem in multiple targets situation of LFMCW waveform and low range-velocity measurement precision of multiple frequency shift keying (MFSK) waveform,a multi-sthge linear frequency shift keying (MS-LFSK) waveform for au1;omotive radar is proposed. The waveform paramel:er design procedure and signal processing method are detailed. In MS-LFSK,tihe compWational complexity is reduced with no target-pairing requirement. The precision of ranging and velocity easurement is improved by processing multiple different fiizzy disl;ances recursively. The cktection blind area caused by the transceiver leakage is narrowed due to up and down sweep joint detection. The detection perfbrmance of MS-LFSK is evaluated by the simulation results. After that the radar multi-target tracking scheme is presented.

                      Secondly, a principle automotive radar prot;otype based on MS-LFSK is developed. The radar structure is designed to integrate the antenna, radio frequency (RF) module and signal processing module gether. RF and signal processing modules are designed to share the same PCB circuit board. Based on the above radar framework,the schematic and PCB of the RF and signal processing module are implement;ed,as well as the signal processing software, die data processing software and l;he PC display software.

                      Thirdly, through outdoors experiments, the detection performance and multi-target tracking performance of MS-LFSKL radar prototype are demonstrated. The effectiveness of detection and tracking method based on MS-LFSK are evaluated through the experiment results.

                      Key word: Automotive Radar,Multi-st;age Linear Frequency Shift Keying, Waveform Design, Multi-target Tracking System

                      交通便利化為經濟快速發展提供了可能。作為其中的一員,巧車己經成為了人們生活中不可或缺的工具。根據中國汽車工業協會的數據顯示,中國每年的汽車銷量增幅都在5%左右。汽車數量的不斷増加,在帶給人們方便的同財,也造成了諸多問題,其中影響最大的就是交通事故的頻繁發生。根據國家統計中的數據顯示,在中國每年平均有20萬起交通事故發生,其中93%的交通事故是由于駕駛員疏忽造成,研究表明提前1.5秒的警示,就可少90%的追尾事故,在事發前1.5秒剎車,可減少70%的人員傷亡。為了將交通事故的人員傷和損失降低到最低,汽車早期的安全駕駛設計主要偏向于被動保護,比如安全帶、減震氣囊等等。隨著科技水平的提髙,被動保護也逐漸向主動預警方向過渡,其中包括汽車輔助駕駛系統汽車輔助駕駛系統通過各種傳感器獲得當前汽車周圍的行駛環境,并結合自身的運動狀態做出有效的潛在威脅預警。同時,汽車輔助駕駛系繞還能根據預警信息對汽車的運動狀態及時采取適當的干預,從源頭上保證汽車的駕駛安全。

                      作為汽車輔助駕駛系繡的主要處理信息來源,探測傳感器在系統中起著關鍵性的作用。探測傳感器能及時獲取汽車周圍障礙物的距離、速度和角度等信息。按照探測方式不同可將探測傳感器分為視頻類傳感器和霄達類傳感器。視頻類傳感器主要利用攝像頭記錄外界信息,通過特征提取等圖像處理算法分析識別出圖像中的車輛目標,屬于被動類的探測傳感器。一般情況下,單攝像頭可做到目標識別功能,但如果需要感知汽車之間的距離速度信息,至少需要2個攝像頭形成雙目效應?傮w來說,視頻類傳感器具有探測角度廣、采集信息豐宮、近距離探測精度高等優勢,但同時視頻類傳感器的處理算法復雜、計算量大,為了做到實時處理需要搭配髙性能的處理巧片,制作成本較商;作用距離一般為普通視距,并且受光線影響較大。

                      雷達類傳感器一般屬于主動探測類型的傳感器,常見的雷達傳感器包括超聲波胃毫米波雷達。超聲波雷達類似于聲巧,具有結構簡單,價格低廉的優勢。但是超聲波雷達的作用距離一般在10米內,無法進行遠距離探測,這也是超聲波雷達的劣勢所在。目前,超聲波雷運一般被廣泛應用于倒車雷達上。

                      激光具有瞬時能量高,波束方向性好的特點。激光雷達其成本低廉,測量精度高,處理速度快等優點在汽車測距領域中具有較高利用價值。盡管如此,激光雷達并沒有被廣泛應用,一來是激光雷法容易受到天氣環境因素的影響,在空氣中粉塵較多的情況下作用距離會急劇下降;再則在行駛過程中激光雷達因為受到物理震動會導致較大的測量偏差;此外,在汽車行駛過程中激光雷達有一定概率會照射到人體,尤其是眼睛等比較敏感的部分,由此造成的傷害是嚴重的。綜上,要將激光雷達用于汽車輔助駕駛系統領域還有很多工作要做。

                      紅外雷達的原理與激光雷達類似,都屬于光學類探測設備,除了存在受環境影響大的問題外,分辨力低、作用距離短也是紅外雷達的一個致命的缺點。

                      毫米波雷達是指工作波長在1毫米到10毫米的雷達。毫米波雷達不僅具有[^上雷達的優點,而且還克服了它們的不足之處。首先,毫米波憑借其波長的優勢,具有很強的穿透力,增強了作用距離。此外,毫米波受環境影響較小,即使在陰天雨天的情況下作用距離依舊表現良好。毫米波雷達的出現使主動型探測雷達的發展有了質的飛躍,同時毫米波雷達也是汽車輔助駕駛系統的關鍵技術之一。

                      汽車防撞雷達系統設計:

                    幀內點跡凝聚示意圖
                    幀內點跡凝聚示意圖

                    跟蹤軌跡預估不意圖
                    跟蹤軌跡預估不意圖

                    成本矩陣生成示意圖
                    成本矩陣生成示意圖

                    卡爾曼濾波示意圖
                    卡爾曼濾波示意圖

                    汽車防撞雷達結構示意圖
                    汽車防撞雷達結構示意圖

                    BGT24MTR12性能實測圖
                    BGT24MTR12性能實測圖

                    目錄

                      摘 要
                      Abstract
                      目錄
                      1 緒論
                        1.1 本課題的研究背景和意義
                        1.2 國內外研究現狀
                          1.2.1 國外研究現況
                          1.2.2 國內研究現況
                        1.3 本文的主要工作
                      2 多階線性頻率鍵控波形與信號處理設汁
                        2.1 線性調頻連續波體制工作波形
                          2.1.1 對稱H角線性調頻連續波體制工作原理
                          2.1.2 線性調頻連續波+點頻信號體制工作原理
                          2.1.3 變調頻斜率線性調頻連續波體制工作原理
                          2.1.4 線性調頻連續波+動目標檢測體制工作原理
                          2.1.5 線性調頻連續波體制存在的問題
                        2.2 多重頻率鍵控體制波形
                          2.2.1 多重頻率鍵控體制工作原理
                          2.2.2 多重頻率鍵控體制存在的問題
                        2.3 多階線性頻率鍵控波形
                          2.3.1 多階線性頻率鍵控波形結構設計
                          2.3.2 多階線性頻率鍵控波形參數設計方法
                          2.3.3 多階線性頻率鍵控波形距離速度測量方法
                          2.3.4 多階線性頻率鍵控角度測量方法
                          2.3.5 多階線性頻率鍵控上下掃頻聯合探測方法
                        2.4 波形性能仿真對比
                          2.4.1 波形參數設計
                          2.4.2 信號處理運算量
                          2.4.3 數據空間的占用情況
                          2.4.4 測距測速性能分析
                          2.4.5 波形性能總結
                      3 多階線性頻率鍵控汽車防撞雷達多目標跟蹤方法設計
                        3.1 多目標跟蹤系統框架
                        3.2 帖內點跡凝聚
                        3.3 帖間數據關聯
                          3.3.1 跟蹤點跡預測
                          3.3.2 生成成本矩陣
                          3.3.3 拓撲匹配
                        3.4 軌跡判定
                        3.5 跟蹤濾波算法
                      4 多階線性頻率鍵控汽車防撞雷達原理樣機設計與實現
                        4.1 雷達系統框架設計
                        4.2 芯片選型
                        4.3 汽車防撞雷達一體化設計
                        4.4 射頻與信號處理板原理圖及PCB設計
                          4.4.1 射頻模塊電路
                          4.4.2 中頻功放電路
                          4.4.3 信號處理模塊
                          4.4.4 VCO控制信號產生電路
                          4.4.5 電源轉換模塊
                          4.4.6 PCB設計與實現
                        4.5 汽車防撞雷達軟件設計
                        4.6 上位機界面設計
                      5 多階線性頻率鍵控汽車防撞雷達測試與分析
                        5.1 多階線性頻率鍵控雷達探測指標測試
                          5.1.1 測試環境搭建
                          5.1.2 實測結果分析
                        5.2 多階線性頻率鍵控雷達多目標跟蹤測試
                          5.2.1 測試環境搭建
                          5.2.2 實測結果分析
                      6 總結與展望
                      致謝
                      參考文獻
                      附錄

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