0 引言

    随着社会的发展，汽车成为人们出行交通工具的首选。出行人口众多的复杂交通状况导致我国车辆碰撞类交通事故频发。车辆碰撞类交通事故已经成为我国交通安全治理的难题。此难题同样困扰着国际上主要发达国家，为了解决此难题，国际各主要国家投入大量人力、物力对汽车防撞系统进行研制，而车载测距雷达的研制无疑是汽车防撞系统研制的核心。微波测距相比于超声波、激光和摄像等测距方式，不易受天气因素影响，抗干扰性能强，已成为车载测距雷达研制的首选^[1]。美国、英国、德国、日本和瑞典先后研制出测量距离大于100 m的车载防撞雷达，已经投入实用化^[2]。我国车载测距雷达的研究起步稍晚，目前国内市场上实用防撞雷达系统还较少见，各大研究机构都在开展车载雷达系统的研究^[3-7]，因而进行车载测距雷达系统研制的意义重大。工业和信息化部于2012年发布了《24 GHz频段短距离车载雷达设备使用频率的通知》，明确规定了24 GHz车载雷达的设计标准。本文基于异质结场效应晶体管NE3514研制车载雷达射频电路模块，设计并实现车载测距雷达系统。

1 测距原理

    调频连续波（FMCW）雷达的工作原理：雷达发射微波信号，微波信号被探测物反射，回波信号被原雷达接收机接收，比较接收时刻的雷达接收信号与发射信号之间的频差，能够获得探测物的距离信息。

    雷达与目标物无相对速度的情况下，雷达发射信号与接收信号的时间频率关系如图1所示。

其中，波形f_t表示发射信号的时间与频率的关系，波形f_r表示接收信号的时间与频率的关系。由图可知，接收信号相对发射信号在时间上延迟Δt，如果用R表示雷达相对目标的距离，c表示光速，则：

    当雷达与探测目标存在相对速度时，雷达波形的时间与频率关系如图2所示。

    由于探测目标与回波信号之间存在相对速度，产生多普勒频移，表现在同一时刻接收信号和发射信号的频差相对于探测目标与雷达静止时接收信号和发射信号的频差有所升高或者降低。在调制三角波上升半周期内，中频信号可以表示为：

其中Δf为探测物与雷达相对静止时的中频频率，f_d为多普勒频移，由式(4)与式(5)可以求得多普勒频移：

其中，λ为发射电磁波的波长，当目标与雷达相向运动，v的符号为正；当目标与雷达背向运动，v的符号为负。

2 车载测距雷达系统设计

2.1 系统总体设计

    车载雷达系统的总体设计如图3所示，系统包括3个电路模块，分别是雷达射频模块、中频信号处理模块和数字基带处理模块。雷达模块用于雷达射频信号收发；中频信号处理模块用于中频信号放大与滤波；数字基带处理模块用于中频信号的采集与分析，同时完成系统控制。

2.2 雷达射频模块

    如图4所示，雷达射频模块为108个阵元构成的非对称窄波束远距离雷达传感器，该传感器模块包含1个射频低噪声放大器(RF LNA)，I、Q两通道一共4个中频电路预放大器(IF preamplifiers)、2个混频器和1个压控振荡器(VCO)。其中VCO的输出信号频率由FM input端口直接控制。在本文中， 由DAC产生的三角波被放大与直流电平调整，控制VCO产生受控频率信号通过发射天线阵列发射，发射信号被探测车辆反射，反射信号为接收天线所接收，接收信号通过RF LNA放大，并与当前时刻VCO产生信号相混频得到中频信号，中频信号经过IF preamplifiers放大后输入中频信号处理模块进行处理。

2.3 中频信号处理模块设计

    中频信号处理模块电路结构如图5所示。该模块主要包括3个部分：高通滤波器、可变增益放大器和低通滤波器。由于射频电路模块各端口无法完全隔离，由射频模块I、Q两路中频输出接口输出的中频信号中存在泄露的三角波信号，为此需要高通滤波器将中频信号中泄露的三角波滤除。高通滤波器采用TLV2374运算放大器构成多路反馈二阶滤波电路实现，滤波电路低频3 dB截止频率为30 kHz。可变增益放大电路主要使用TLV2374运算放大器实现反向放大电路，通过MCP42100数字电位器对普通电阻替代达到增益控制的目的，可变增益放大器的放大倍数范围为1～500倍。低通滤波器的主要作用是滤除输入信号自身携带的高频噪声与中频信号处理模块产生的高频噪声，同时使输入信号带限，为后级ADC采样做准备。低通滤波器采用AD8532运算放大器构成无线增益多路反馈二阶滤波电路来实现，滤波电路的3 dB截止频率为103 kHz。中频信号处理模块的最大放大倍数为5 000倍(74 dB)。

2.4 数字基带处理模块设计

    数字基带处理模块主要完成数字信号特征信息的提取与电路系统整体控制，如图6所示。

    数字基带处理模块主要由STM32F407微处理器与外围模块电路构成。本文中MCU首先通过DMA1+DAC的模式产生三角波，三角波通过放大与直流电平调整，作为调制信号直接接入雷达射频模块的VCO控制输入口FM input进行信号调制； DMA1的半传输中断和传输完成中断作为ADC采样开始的标志，ADC1与ADC2分别对I、Q两路信号进行采集。为保证ADC对信号以固定采样率进行采集，采用ADC+DMA2的模式进行设计；MCU通过控制数字电位器MCP42100的阻值来控制中频电路模块的可变增益放大器放大倍数；信号采集完成后，MCU需要对ADC采集后的信号进行数字信号特征信息提取。在本文中，信号特征信息的提取为信号频率信息提取，本设计采用离散傅里叶变换的快速算法(FFT算法)对信号的频率信息进行提取，该算法需要进行大量浮点数运算，而STM32F407微处理器内部集成浮点运算器(FPU)，该模块能够快速进行大量浮点数运算，计算出最终的测量结果在OLED屏上实时显示。

3 系统功能测试

    系统测试电路如图7所示。该测试电路包括正反两面，其中图7(a)上方为数字基带处理模块，下方为中频信号处理模块；图7(b)上方为雷达射频模块，下方为电源。

    典型的测试回波信号如图8所示。该图展示了54 m处目标回波信号与信号的频谱幅值，从图8（a）中能够清晰观测出回波信号，对图8（a）中回波信号进行离散傅里叶变换分析，得到如图8（b）所示的回波信号频谱幅度值，可以分辨出目标的距离信息为53 m。

    系统测试电路对目标物距离测量结果如表1所示，在12 m～90 m范围内测量误差不超过10%。

4 结论

    本文介绍了一款24GHz FMCW车载测距雷达系统的设计，该系统设计结构简单、体积小，可满足雷达测距基本要求，能够作为车载防撞雷达原型机进行车载防撞雷达系统的研发。

参考文献

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[2] 王秀春.汽车防撞雷达的发展前景[J].江苏交通，2003(3)：50-52.

[3] 黄文奎.毫米波汽车防撞雷达的设计与实现[D].上海：中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所），2006.

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[5] 郑锐.毫米波汽车防撞雷达的设计与实现[D].镇江：江苏大学，2010.

[6] 王文钦.防撞雷达关键技术研究[D].成都：电子科技大学，2005.

[7] 徐俊.77GHz汽车防撞雷达系统一些关键技术研究[D].南京：东南大学，2015.