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                汽车防撞雷达系统设计

                添加时间:2019/03/01 来源:南京理工大学 作者:何俊杰
                本文通过优化汽车防撞雷达发射波形来降低信号处理的复杂度,提高目标测量精度,从而满足汽车防撞雷达的低成本需求。首先分析了LFMCW和MFSK的工作原理及存在的问题。
                以下为本篇论文正文:

                摘 要

                  交通事故的频繁发生使汽车防撞雷达的需求量正在不断增大。论文W低成本、高性能汽车防挂雷达为出发点,设计了一种探测盲区小、信号处理简单、测距与测速精度高的汽车防挂雷达发射波形及其信号处理方法,在此基础上研制了 一款该波形体制的汽车防拴雷达原理样机。论文主要工作如下:

                  首先,针对线性调频连续波体制雷达多目标配对复杂和多重频率键控波形测距测速精度差的缺点,提出了多阶线性频率键控汽车防撞雷达工作波形,给出了详细的波形参数设计和信号处理方法。该波形无需目标配对降低了计算复杂度;通过多个不模糊距离递推求解的处理方式提高了测距测速精度;利用上下扫频联合探测减小了因收发泄漏造成的探测盲区,通过仿真验证了该波形的探测性能;随后给出了汽车防挂应用的雷达多目标跟踪方案。

                  其次,基于多阶线性频率键控波形体制研制了一款汽车防撞雷达原理样机,该雷达样机天线、射频与信号处理电路采用一体化设计方式,其中射频与信号处理电路在一片印制板上实现。完成了射频与信号处理电路板原理图与PCB设计、雷达信号处理与数据处理软件设计W及上位机界面设计等工作。

                  最后,通过外场实测,给出了基于多阶线性频率键控波形体制汽车防撞雷达样机测距测速效果和多目标跟踪效果,通过对实测结果分析验证了多阶线性频率键控波形及跟踪方案的有效性。

                  关键词:汽车防挂雷达;多阶线性频率键控;波形设计;多目标跟踪

                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

                  交通便利化为经济快速发展提供了可能。作为其中的一员,巧车己经成为了人们生活中不可或缺的工具。根据中国汽车工业协会的数据显示,中国每年的汽车销量增幅都在5%左右。汽车数量的不断増加,在带给人们方便的同财,也造成了诸多问题,其中影响最大的就是交通事故的频繁发生。根据国家统计中的数据显示,在中国每年平均有20万起交通事故发生,其中93%的交通事故是由于驾驶员疏忽造成,研究表明提前1.5秒的警示,就可少90%的追尾事故,在事发前1.5秒刹车,可减少70%的人员伤亡。为了将交通事故的人员伤和损失降低到最低,汽车早期的安全驾驶设计主要偏向于被动;,比如安全带、减震气囊等等。随着科技水平的提髙,被动;ひ仓鸾ハ蛑鞫ぞ较蚬,其中包括汽车辅助驾驶系统汽车辅助驾驶系统通过各种传感器获得当前汽车周围的行驶环境,并结合自身的运动状态做出有效的潜在威胁预警。同时,汽车辅助驾驶系绕还能根据预警信息对汽车的运动状态及时采取适当的干预,从源头上保证汽车的驾驶安全。

                  作为汽车辅助驾驶系绣的主要处理信息来源,探测传感器在系统中起着关键性的作用。探测传感器能及时获取汽车周围障碍物的距离、速度和角度等信息。按照探测方式不同可将探测传感器分为视频类传感器和霄达类传感器。视频类传感器主要利用摄像头记录外界信息,通过特征提取等图像处理算法分析识别出图像中的车辆目标,属于被动类的探测传感器。一般情况下,单摄像头可做到目标识别功能,但如果需要感知汽车之间的距离速度信息,至少需要2个摄像头形成双目效应。总体来说,视频类传感器具有探测角度广、采集信息丰宫、近距离探测精度高等优势,但同时视频类传感器的处理算法复杂、计算量大,为了做到实时处理需要搭配髙性能的处理巧片,制作成本较商;作用距离一般为普通视距,并且受光线影响较大。

                  雷达类传感器一般属于主动探测类型的传感器,常见的雷达传感器包括超声波胃毫米波雷达。超声波雷达类似于声巧,具有结构简单,价格低廉的优势。但是超声波雷达的作用距离一般在10米内,无法进行远距离探测,这也是超声波雷达的劣势所在。目前,超声波雷运一般被广泛应用于倒车雷达上。

                  激光具有瞬时能量高,波束方向性好的特点。激光雷达其成本低廉,测量精度高,处理速度快等优点在汽车测距领域中具有较高利用价值。尽管如此,激光雷达并没有被广泛应用,一来是激光雷法容易受到天气环境因素的影响,在空气中粉尘较多的情况下作用距离会急剧下降;再则在行驶过程中激光雷达因为受到物理震动会导致较大的测量偏差;此外,在汽车行驶过程中激光雷达有一定概率会照射到人体,尤其是眼睛等比较敏感的部分,由此造成的伤害是严重的。综上,要将激光雷达用于汽车辅助驾驶系统领域还有很多工作要做。

                  红外雷达的原理与激光雷达类似,都属于光学类探测设备,除了存在受环境影响大的问题外,分辨力低、作用距离短也是红外雷达的一个致命的缺点。

                  毫米波雷达是指工作波长在1毫米到10毫米的雷达。毫米波雷达不仅具有[^上雷达的优点,而且还克服了它们的不足之处。首先,毫米波凭借其波长的优势,具有很强的穿透力,增强了作用距离。此外,毫米波受环境影响较小,即使在阴天雨天的情况下作用距离依旧表现良好。毫米波雷达的出现使主动型探测雷达的发展有了质的飞跃,同时毫米波雷达也是汽车辅助驾驶系统的关键技术之一。

                  汽车防撞雷达系统设计:

                帧内点迹凝聚示意图
                帧内点迹凝聚示意图

                跟踪轨迹预估不意图
                跟踪轨迹预估不意图

                成本矩阵生成示意图
                成本矩阵生成示意图

                卡尔曼滤波示意图
                卡尔曼滤波示意图

                汽车防撞雷达结构示意图
                汽车防撞雷达结构示意图

                BGT24MTR12性能实测图
                BGT24MTR12性能实测图

                目录

                  摘 要
                  Abstract
                  目录
                  1 绪论
                    1.1 本课题的研究背景和意义
                    1.2 国内外研究现状
                      1.2.1 国外研究现况
                      1.2.2 国内研究现况
                    1.3 本文的主要工作
                  2 多阶线性频率键控波形与信号处理设汁
                    2.1 线性调频连续波体制工作波形
                      2.1.1 对称H角线性调频连续波体制工作原理
                      2.1.2 线性调频连续波+点频信号体制工作原理
                      2.1.3 变调频斜率线性调频连续波体制工作原理
                      2.1.4 线性调频连续波+动目标检测体制工作原理
                      2.1.5 线性调频连续波体制存在的问题
                    2.2 多重频率键控体制波形
                      2.2.1 多重频率键控体制工作原理
                      2.2.2 多重频率键控体制存在的问题
                    2.3 多阶线性频率键控波形
                      2.3.1 多阶线性频率键控波形结构设计
                      2.3.2 多阶线性频率键控波形参数设计方法
                      2.3.3 多阶线性频率键控波形距离速度测量方法
                      2.3.4 多阶线性频率键控角度测量方法
                      2.3.5 多阶线性频率键控上下扫频联合探测方法
                    2.4 波形性能仿真对比
                      2.4.1 波形参数设计
                      2.4.2 信号处理运算量
                      2.4.3 数据空间的占用情况
                      2.4.4 测距测速性能分析
                      2.4.5 波形性能总结
                  3 多阶线性频率键控汽车防撞雷达多目标跟踪方法设计
                    3.1 多目标跟踪系统框架
                    3.2 帖内点迹凝聚
                    3.3 帖间数据关联
                      3.3.1 跟踪点迹预测
                      3.3.2 生成成本矩阵
                      3.3.3 拓扑匹配
                    3.4 轨迹判定
                    3.5 跟踪滤波算法
                  4 多阶线性频率键控汽车防撞雷达原理样机设计与实现
                    4.1 雷达系统框架设计
                    4.2 芯片选型
                    4.3 汽车防撞雷达一体化设计
                    4.4 射频与信号处理板原理图及PCB设计
                      4.4.1 射频?榈缏
                      4.4.2 中频功放电路
                      4.4.3 信号处理?
                      4.4.4 VCO控制信号产生电路
                      4.4.5 电源转换?
                      4.4.6 PCB设计与实现
                    4.5 汽车防撞雷达软件设计
                    4.6 上位机界面设计
                  5 多阶线性频率键控汽车防撞雷达测试与分析
                    5.1 多阶线性频率键控雷达探测指标测试
                      5.1.1 测试环境搭建
                      5.1.2 实测结果分析
                    5.2 多阶线性频率键控雷达多目标跟踪测试
                      5.2.1 测试环境搭建
                      5.2.2 实测结果分析
                  6 总结与展望
                  致谢
                  参考文献
                  附录

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