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?yán)走_(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(bào)率很高。

　　這種雷達(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(bào)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[1].

　　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。

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　　圖1汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域

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　　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(bào)率低以及多目標(biāo)識別的優(yōu)越性能。測量精度高、誤報(bào)率低源于數(shù)據(jù)融合技術(shù)，這就要求每個傳感器在時(shí)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(shí)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(shí)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。

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　　圖3近距離傳感器結(jié)構(gòu)圖

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　　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(shí)間標(biāo)準(zhǔn),這就是時(shí)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(shí),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(shí)間同步控制誤差要求在10ns內(nèi)。所以高精度時(shí)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(shí)鐘源的配置[3]，各個收發(fā)單元上的DDS同步時(shí)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(shí)間基準(zhǔn)來校準(zhǔn)。用作校準(zhǔn)的時(shí)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(shí)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(shí)，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)傳感器的目標(biāo)分類系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號處理過程，它可以識別六種不同的雷達(dá)目標(biāo)的類別，包括：步行者、騎自行車的人、車輛、人群、樹木和交通標(biāo)志等。

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　　圖5 汽車?yán)走_(dá)對目標(biāo)的分類處理過程

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　　圖6 汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)對單目標(biāo)

　　實(shí)現(xiàn)測量

　　3 運(yùn)動目標(biāo)位置估算算法

　　FMCW雷達(dá)的基本原理是利用發(fā)射和回波信號之間的頻率差來確定目標(biāo)的距離和速度[5]。傳統(tǒng)體制的FMCW采用等周期調(diào)頻，在測量單個目標(biāo)的情況下，簡單可行，表現(xiàn)了良好的實(shí)時(shí)性和測距測速功能。但是當(dāng)前方出現(xiàn)多個目標(biāo)的時(shí)候，雷達(dá)就會出現(xiàn)判斷上的困難。為了識別多個目標(biāo)的距離和速度，可以采用變周期的 FMCW波形作為發(fā)射信號。文獻(xiàn)[6]給出了采用變周期的發(fā)射信號測量目標(biāo)的距離和速度的算法。

　　對于本文所討論的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言，四個近距離雷達(dá)傳感器即是發(fā)射機(jī)又是接收機(jī)。如圖6所示，通過電掃開關(guān)的控制，其中的一個NDS擔(dān)當(dāng)發(fā)射機(jī)，反射信號被四個NDS同時(shí)接收。經(jīng)過信號處理之后，因各個NDS之間位置的不同，可以得到四組關(guān)于被測目標(biāo)的距離和相對速度值(r1, 1 v1, 1)、(r1, 2 v1, 2)、(r1, 3 v1, 3)、(r1, 4 v1, 4)。這種采用單基地發(fā)射多基地接收的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)體制，盡管對傳感器之間的時(shí)間同步控制要求很高，但是可以避免鄰近傳感器之間的相互干擾。

　　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。在一個測量周期中，每個NDS輪流擔(dān)當(dāng)一次發(fā)射機(jī)。因此有16種距離和相對速度的組合，用向量表示為：

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　　在笛卡爾坐標(biāo)系中用目標(biāo)的狀態(tài)向量他t來表述目標(biāo)的位置矢量和相對速度矢量：

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　　每個傳感器在笛卡爾坐標(biāo)系中的位置用向量s表示為：

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　　對于每個傳感器而言，如果已知該傳感器和目標(biāo)在坐標(biāo)系中的位置，那么目標(biāo)的距離可以由下面的非線性方程來計(jì)算：

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　　同理，得到關(guān)于目標(biāo)的相對速度的方程：

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　　綜合方程(1)、(2)、(4)、(5) , 可以得到目標(biāo)的狀態(tài)向量與四個傳感器測得的目標(biāo)的距離速度的多個非線性方程，用向量函數(shù)表示成：

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　　其導(dǎo)數(shù)矩陣，也就是雅可比矩陣為：

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　　對方程(7)采用高斯-牛頓迭代算法可以精確計(jì)算出目標(biāo)狀態(tài)向量的參數(shù)值，繼而可以得到目標(biāo)的位置和相對速度值。由于上述運(yùn)算能夠給出運(yùn)動目標(biāo)位置的笛卡爾坐標(biāo)，因此很方便確定位置估算的精度和分辨率[7]。

　　4 毫米波汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　目前，盡管國際上將毫米波汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)的77GHz頻段的研究很充分，但是，具體采用什么頻段，每個國家還有差異，目前關(guān)于汽車用近距離雷達(dá)傳感器的爭論焦點(diǎn)之一是采用24GHz頻段還是77GHz頻段。爭論的原因是77GHz雷達(dá)器件的成本和技術(shù)成熟度問題。因此，77GHz雷達(dá)傳感器的成本和技術(shù)成熟度是汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)是否能夠在市場上取得普及應(yīng)用的關(guān)鍵。在77GHz雷達(dá)傳感器的研發(fā)方面，關(guān)鍵技術(shù)是如何采用GaAs(鎵砷)器件的工藝技術(shù)來設(shè)計(jì)和制造低成本的汽車近/遠(yuǎn)距離雷達(dá)傳感器，進(jìn)而降低整個汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)的成本。國外GaAs器件制造業(yè)發(fā)展的速度很快，已經(jīng)出現(xiàn)了一些極具性價(jià)比的汽車?yán)走_(dá)傳感器，一些報(bào)道甚至預(yù)言在2007年末2008年，汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)的市場將啟動，并有望成為普及型轎車的基本配置。

　　汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)相對于其它系統(tǒng)，技術(shù)門檻要低得多。目前，中國汽車?yán)走_(dá)的開發(fā)還主要集中在汽車倒車?yán)走_(dá)、汽車?yán)走_(dá)測速器的層面上，所使用的技術(shù)和頻段差別很大，還沒有從器件、頻率分配、汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、近距離和遠(yuǎn)距離雷達(dá)傳感器、運(yùn)動目標(biāo)位置估算算法、運(yùn)動目標(biāo)的分類、汽車專用信號處理器等多層次、系統(tǒng)和產(chǎn)業(yè)鏈的角度來研究和開發(fā)汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這與國際上日益普及的汽車?yán)走_(dá)研究與應(yīng)用相比，還存在很大的反差。這種狀況與中國作為全球的汽車消費(fèi)大國的地位是不相適應(yīng)的。

　　5結(jié)束語

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn):提出了一種基于毫米波雷達(dá)傳感器的汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),并從組成結(jié)構(gòu),單個傳感器設(shè)計(jì)以及信號處理的算法上給出了可行性分析. 汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)作為汽車安全系統(tǒng)的一個部分，實(shí)現(xiàn)方案多種多樣。通過汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)，可以帶動車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、車載計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，以便在即將形成的巨大的汽車?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)行業(yè)爭得一席之地。