浅谈自动驾驶的毫米波雷达技术

工程师飞燕 发表于 2018-06-20 10:05:24 收藏 已收藏
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浅谈自动驾驶的毫米波雷达技术

工程师飞燕 发表于 2018-06-20 10:05:24

超声波雷达、红外雷达、激光雷达都是通过对回波的检测,与发射信号相比较,得到脉冲或相位的差值,从而计算出发射与接收信号的时间差。再分别对应于超声波、红外线、激光在空气中的传播速度,计算出与障碍物的距离与相对速度。毫米波雷达与光学和红外线雷达相比不受目标物体形状颜色的干扰,与超声波相比不受大气紊流的影响,因而具有稳定的探测性能;环境适应性好。受天气和外界环境的变化的影响小,雨雪,灰尘,阳光都对其没有干扰;多普勒频移大,测量相对速度的精度提高。

基于多传感信息融合的车辆主动防碰撞控制系统,就是根据多传感器接收到的车辆前方目标信息和本车的状态信息,利用多源信息融合技术,识别出本车前方车辆的距离和速度等状态信息,并进行碰撞危险估计的。显然,基于多传感信息融合的车辆主动防碰撞控制系统是一种主动式的防撞、防抱死的汽车安全系统,它使反应时间、距离、速度三个方面都能得到优化控制,可减少驾驶员的负担和判断错误,对于提高交通安全性将起到重要作用,是实现汽车自动化驾驶的基础。

在汽车防撞传感器当中,根据工作原理和工作过程不同,分为超声波雷达、红外雷达、激光雷达以及毫米波雷达。其中前三种雷达,都是通过对回波的检测,与发射信号相比较,得到脉冲或相位的差值,从而计算出发射与接收信号的时间差。再分别对应于超声波、红外线、激光在空气中的传播速度,计算出与障碍物的距离与相对速度。这三种采用声光原理设计出的汽车防撞雷达虽结构简单,价格低廉,但容易受到恶劣气象条件干扰,无法确保测距精度。毫米波雷达则显示出它特有的优点,与光学和红外线雷达相比不受目标物体形状颜色的干扰,与超声波相比不受大气紊流的影响,因而具有稳定的探测性能;环境适应性好。受天气和外界环境的变化的影响小,雨雪,灰尘,阳光都对其没有干扰;多普勒频移大,测量相对速度的精度提高。

下面我们就逐步介绍主流的传感器技术,目前最受关注的传感手段是运用毫米波进行测量的雷达系统。今天先介绍毫米波雷达技术。

雷达为利用无线电回波以探测目标方向和距离的一种装置。雷达为英文Radar一词的译音,该字词是由Radio DetectionAnd Ranging一语的前缀缩写而成,为无线电探向与测距的意思。全世界开始熟悉雷达是在1940年的不列颠空战中,七百架载有雷达的英国战斗机,击败两千架来袭的德国轰炸机,因而改写了历史。二次大战后,雷达开始有许多和平用途。在天气预测方面,它能用来侦测暴风雨;在飞机轮船航行安全方面,它可帮助领港人员及机场航管人员更有效地完成他们的任务。

毫米波,是工作在毫米波波段(millimeter wave),工作频率在 30~100GHz,波长在1~10mm之间的电磁波。毫米波的波长介于微波和厘米波之间,因此毫米波雷达兼有微波雷达和光电雷达的一些优点。车用毫米波雷达主要包括24GHz和77GHz毫米波雷达。

浅谈自动驾驶的毫米波雷达技术

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同厘米波导引头相比,毫米波导引头具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点。与红外、激光、电视等光学导引头相比,毫米波导引头穿透雾、烟、灰尘的能力强,具有全天候(大雨天除外)全天时的特点。毫米波雷达可以全天候工作,不受天气状况的影响,而恶劣的气候环境正是导致交通事故的主要原因之一。毫米波与光波相比,它们利用大气窗口(毫米波与亚毫米波在大气中传播时,由于气体分子谐振吸收所致的某些衰减为极小值的频率)传播时的衰减小,受自然光和热辐射源影响小。

毫米波在雷达中应用的主要限制有:雨、雾和湿雪等高潮湿环境的衰减,以及大功率器件和插损的影响会降低毫米波雷达的探测距离;树丛穿透能力差,相比微波,对密树丛穿透力低。

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毫米波和大多数微波雷达一样,有波束的概念,也就是发射出去的电磁波是一个锥状的波束,而不像激光是一条线。这是因为这个波段的天线,主要以电磁辐射,而不是光粒子发射为主要方法。这一点,雷达和超声是一样,这个波束的方式,导致它优缺点。优点,可靠,因为反射面大,缺点,就是分辨力不高。毫米波雷达可以对目标进行有无检测、测距、测速以及方位测量。

说起测距的原理,其实也简单,都是基于TOF(Time OfFlight)原理。雷达工作原理与声波的反射情形十分类似,差别只在于其所使用的波是一个频率很高的无线电波,而非声波。雷达的发射机相当于发出喊叫声的声带,可以发出类似喊叫声的电脉冲(Pulse),雷达的指向天线就好像喊话筒,使电脉冲的能量,能集中某一方向发射。接收机的作用则与人耳相仿,用以接收雷达发射机所发出电脉冲的回波。

毫米波雷达测速和普通雷达一样,有两种方式,一个基于多普勒效应(Dopler Effect)原理。所谓多普勒效应就是,当声音,光和无线电波等振动源与观测者以相对速度V相对运动时,观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同。因为这一现象是奥地利科学家多普勒最早发现的,所以称之为多普勒效应。也就是说,当发射的电磁波和被探测目标有相对移动、回波的频率会和发射波的频率不同。

当目标向雷达天线靠近时,反射信号频率将高于发射机频率;反之,当目标远离天线而去时,反射信号频率将低于发射机率。由多普勒效应所形成的频率变化叫做多普勒频移,它与相对速度V成正比,与振动的频率成反比。如此,通过检测这个频率差,可以测得目标相对于雷达的移动速度,也就是目标与雷达的相对速度。根据发射脉冲和接收的时间差,可以测出目标的距离。同时用频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线,滤除干扰杂波的谱线,可使雷达从强杂波中分辨出目标信号。所以脉冲多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能力强,能探测出隐蔽在背景中的活动目标。脉冲多普勒雷达于20世纪60年代研制成功并投入使用。

多普勒雷达就是利用多普勒效应进行定位,测速,测距等工作的雷达。但是这种方法无法探测切向速度,第二种方法就是通过跟踪位置,进行微分得到速度。

对于车辆安全来说,最主要的判断依据是两车之间的相对距离和相对速度信息。高速行驶中的车辆如果距离过近,则容易造成追尾事故。因此,常用的防撞系统都将对车辆之间的相对距离的测量作为主要的检测任务。

目前市面上的毫米波雷达有 24GHz,77GHz 两种规格。其中,77GHz 毫米波雷达主要用在车的正前方,用于对中远距离物体的探测,24GHz 毫米波雷达一般被安装在车侧方和后方,用于盲点检测,辅助停车系统等。

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雷达的工作体制主要分为脉冲方式和连续波方式。连续波(ContinuousWave:CW)雷达是指发射连续波信号,主要用来测量目标的速度。如需要同时测量目标的距离,则需要对发射信号进行调制,例如对连续波的正弦波信号进行周期性的频率调制。而脉冲雷达发射的波形是矩形脉冲,按一定的或者交错的重复周期工作。

现代脉冲雷达技术已经相当成熟了,但是从原理上来讲同时解决距离和速度测量的模糊问题是不可能的,这就需要采用多重复脉冲频率(PRF)的方法来解决距离和速度模糊,因而不仅使系统的数据传输率下降,而且不利于信噪比(SNR)的提高。而连续波雷达,例如用伪码或者随机码0~π 调相的连续波雷达,则可以很好地解决脉冲雷达盲区的问题,且有良好的速度和距离分辨率。

同时在近程雷达系统或者次级雷达中,连续波雷达和脉冲雷达相比具有独特的优点:特别是随着当今世界微波固态器件的发展,利用连续波雷达能使雷达更为简单,其原因在于连续波雷达的发射机无需甚高压,不会产生高压打火,并且调制信号可以多样化,这在相同体积和重量下有利于发射机的提高。这样,连续波雷达可以做到体积小、重量轻、发射机容易实现而且馈线损耗也较低。

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