车用测距雷达的研究与应用

统计表明,70%～90%的交通事故是由于驾驶员操作失误造成的。在美国、日本等国家,消费者选购汽车的着眼点已把驾驶汽车的安全程度放在第一位。如果抛开驾驶的熟练程度和驾驶经验外,最有效的降低事故的方法就是让车具有碰撞报警或主动避撞功能。随着人们对交通安全的不断重视,推动了汽车前向碰撞报警系统(forwardcollisionwarningsystems,FCWS)、前向主动避撞系统(forwardcollisionavoidancesystems,FCAS)、自适应巡航控制系统(adaptivecruisecontrol,ACC)等先进车辆主动安全技术的飞速发展。上述系统的共同点是通过车用测距雷达测量主车与目标车之间的距离、相对速度以及相对方位角等信息,并将其传送给系统的控制单元。车用测距雷达俗称车用雷达,是实现汽车主动安全技术的关键技术之一,是当前智能交通、信号处理以及传感器工业的研究热点。

一、车用雷达分类及概况

按测量介质不同,可将车用雷达分为超声波雷达、红外雷达、激光雷达以及微波雷达。超声波雷达、红外雷达因其探测距离相对较短,目前,主要应用于汽车倒车控制系统。

激光雷达和微波雷达因其具有测量距离远、精度高等优点,被广泛应用于车辆主动安全控制系统。

激光雷达的优点是结构相对简单,具有高单色性、高方向性、相干性好、测量精度较高、探测距离远、能识别道路状况、价格便宜等特点。缺点是测量性能易受环境因素干扰,在雨、雪、雾等天气情况下,测量性能会有所下降,受测量原理限制只能传递相对距离信息。按测量原理不同可分为脉冲式激光测距雷达和相位式激光测距雷达2种。

微波雷达探测距离远、运行可靠、测量性能受天气等外界因素的影响较小,可以获得主车与目标车辆间距离、相对速度,有些雷达还可获得相对方位角和以及相对加速度等信息,但价格比较昂贵。按测量原理不同,可分为脉冲调频(pulsefrequencymodulation,PFM)和调频连续波(frequencymodulationcontinuouswave,FMCW)。

当前,微波雷达的使用频率主要集中在23～24,60～61,76～77GHz3个频段,波长均为毫米级,也称微波雷达为毫米波雷达。在这些特殊频段上,微波的辐射能量在大气中具有很大的衰减特性。24GHz雷达信号在大气中传播的衰减系数约为0.2dB/km,60GHz约为15dB/km,77GHz约为0.4dB/km。整体上是随频率的升高而上升,但在上述3个频段内由于大气中水蒸汽、氧分子的吸收和散射作用产生出衰减尖峰,使得雷达信号的传播被限制在一个较短的范围之内,从而可以尽量降低对其他车辆雷达或无线电设备的影响,并减少对周围人体的辐射。

二、车用雷达的研究进展与应用

雷达技术首先应用于军用,随着全世界对道路交通安全、汽车安全技术的不断重视,雷达技术开始转为民用,主要用于交通的管制、雷达测速以及汽车主动安全技术方面。

国外对车用雷达的研究开始比较早,在以德国、美国、日本、法国等为代表的主要西方发达国家内展开。随着汽车电子技术、嵌入式技术以及信号处理技术的发展,推动了车用雷达的研制与应用,世界各国掀起了研发车用雷达的热潮。

车用毫米波雷达的研究始于20世纪60年代。典型代表是德国ADC公司生产的ASR100毫米波雷达采用脉冲测距方式。戴姆勒奔驰、日产、福特等汽车公司广泛开发的汽车主动避撞系统以及自适应巡航系统多采用该款雷达。

日本丰田公司与Denso公司、三菱公司合作开发的电子扫描式毫米波(electronicallyscanningMMW)雷达,采用调频连续波测距方式,结构紧凑、抗干扰性能好。它是世界上第一款采用先进的相控阵技术的车用雷达。与机械扫描雷达相比,相控阵雷达的天线无需转动,波束扫描更加灵活,对目标识别的性能优异。表1所示为2种不同测距方式下的毫米波雷达的技术参数。