毫米波雷达的汽车盲点检测系统研究与设计

第9期

2013年9月

机械设计与制造

Machinery Design ＆Manufacture

25

毫米波雷达的汽车盲点检测系统研究与设计

李守晓，毕欣，曹云侠

北京100049；2. 中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁沈阳110016）（1. 中国科学院研究生院，

摘要：避免事故发生的技术。盲点探测系统作为汽车主动安全是一种使汽车在事故可能发生时能够主动采取措施，汽车主动安全系统的重要组成部分，在车辆进行并道或超车时，能有效降低因视觉盲区发生的事故。针对车辆行驶过程中后视镜存在的盲点问题，研究和设计了基于毫米波雷达的盲点检测系统，主要对系统的雷达信号处理部分做了分析与研究。采用三角波线性调频连续波能有效解决速度距离耦合现象，并对实验数据进行了仿真分析，实验结果表明方法的有效性。

关键词：盲点检测；毫米波雷达；FMCW ；信号处理；FFT 中图分类号：TH16；TN957.51

文献标识码：A

文章编号：1001-3997（2013）09-0025-03

Study and Design of Millimeter-Wave Radar Blind Spot Detection System

BI Xin ，CAO Yun-xia LI Shou-xiao ，

Beijing 100049，China ；（1.Graduate School of Chinese Academy of Sciences ，

2.Shenyang Institute of Automation Chinese Academy of Sciences ，Liaoning Shenyang 110016，China ）

Abstract ：Automotive active safety is a technology which can make vehicles to take initiative measures to avoid potential accidents. As an important part of the automotive active safety system ，Blind Spot Detection system （BSD ）can effectively reduce the accidents occurred due to the visual blind spot during merging or overtaking. Considering the problem of rearview mirror blind spot during driving ，it studied and designed the blind spot detection system based on MMW radar ，and the main research and analysis is the radar signal processing. The triangle wave linear FM continuous wave can effectively resolve speed distance coupling phenomenon ，and the experimental data of the simulation analysis ，and the experimental results show that the validity of the method.

Key Words ：Blind Spot Detection ；MMW Radar ；FMCW ；Signal Processing ；FFT

1引言

随着社会的发展，交通安全问题越来越凸显，传统的汽车安全理念也在逐渐发生变化，传统的安全理念很被动，比如安全带、安全气囊、保险杠等多是些被动的方法并不能有效解决交通事故的发生，随着科技的进步，汽车的安全被细化，目前汽车安全分为主动安全、被动安全两种概念[1]。随着高速公路的发展和汽车性能的提高，汽车行驶速度也相应加快，加之汽车数量增加以及交通运输日益繁忙，汽车事故增多所引起的人员伤亡和财产损失，已成为一个不容忽视的社会问题，汽车的行车安全更显得非常重要。而传统的被动安全已经远远不能避免交通的事故发生，因此主动安全技术将成未来汽车的研发重点。汽车盲点检测系统（BSD ）是一种汽车主动安全技术，能够检测车辆盲区内是否有行人或者其他车辆，通过报警提示驾驶员危险因素的存在，从而有效降低交通事故的发生。沃尔沃的BLIS 盲点信息系统最早装备在第二代S80上，这是一个对行车安全非常有帮助的驾驶辅助系统。

它通过安装在车身两侧的后向摄像头，侦测汽车两侧的车

流状况。奥迪在2009年开始也在国内的A4L 和A6L 等车型上装备类似的Audi Side Assist 奥迪侧向辅助系统。盲点检测系统/盲点信息系统/侧向辅助系统作为一个简单实用的驾驶安全辅助装置，值得推广，让更多的车主受益，而不是只在一些高档车上得到应用。

2盲点检测系统的工作原理

盲点检测系统主要有主控开关、传感器（雷达）、指示灯三部分组成。主控开关控制检测系统的启动与关闭，雷达用来探测是否有其他车辆位于盲区内，指示灯用来警示司机盲区内有其他车辆，注意行驶。

车辆的盲点区域，如图1所示。采用76GHz 雷达传感器检测车辆盲区内是否有行人或者其他车辆，进而报警。76GHz 雷达传感器是传感器的一种。它能通过发射与接收频率为76.125GHz 左右的毫米波来感应物体的存在，并计算出物体的速度、距离及角度。该系统可检测位于本车相邻的（1~2）个车道，最大探测距离为50m 。

2012-11-14来稿日期：

基金项目：沈阳市科技攻关计划（F10-066-2-00）作者简介：李守晓，（1987-），女，山东日照人，硕士在读，主要研究方向：雷达信号处理方向；

毕欣，（1980-），男，吉林敦化人，博士，副研究员，主要研究方向：信号处理、控制工程方向

26李守晓等：毫米波雷达的汽车盲点检测系统研究与设计第9期

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

盲点区域

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。

FMCW 毫米波雷达的发射信号采用的是频率调制，常用的调频波有三角波、锯齿波和正弦波等，当以三角波或锯齿波作为调频波时，称其为线性调频连续波（LFMCW ）。三角波线性调频连续波利用差拍傅立叶方式在一个周期内就可无模糊确定目标距离和速度，处理简单，易于实现，它利用发射信号的线性调频和从目标反射回来的接收信号频率的变化相关和频谱配对来进行动目标的测量，比较易于实现的测距测速连续波雷达，因此三角波线性调频连续波雷达的设计和实现，有着非常重要的现实意义。

LFMCW 波雷达的工作原理是用回波信号和发射信号的一部分进行相干混频，得到包含目标的距离和速度信息的中频信号，然后对中频信号进行检测即可得到目标的距离和速度。当目标物体是相对静止的，发射信号碰到目标物体后被反射回来，产生回波信号，回波信号与发射信号形状相同，只是在时间上延迟了τ（τ=2R /c ），式中：R —目标物体的距离；c —光速。

f

发射信号

回波信号

f 0

T

f 0

（b ）

τ

（a ）

（a ）t

图1车辆盲点区域

Fig.1Vehicle Blind Spot Area

盲点检测系统中的雷达检测部分，如图2所示。主要由信号发生模块、雷达前端、数据采集模块、信号处理模块、数据处理模块组成。主要讨论雷达信号处理部分。

信号发生模块

信号发生器

滤波器

雷达

前端

数据处理

信号处理处理模块

数据采集

图2毫米波雷达检测系统框图

Fig2The Diagram of Millimeter-Wave Radar Detection System

信号发生器产生高频电信号，一部分能量输入混频器作为本振信号，另一部分能量经由发射天线以电磁的方式向外辐射出去。电磁波在空气中向前传播，前方有障碍物的时候，就会有一小部分电磁波被发射回来，发射回来的电磁波被天线截获形成电信号，成为回波信号。本振信号和回波信号输入混频器，混频器输出一个频率较低，包含了障碍物和雷达天线之间的相对距离和相对速度信息，甚至是其他信息的电信号，被称之为差拍信号，即中频信号。

中频信号处理是整个盲点检测系统的一个重要组成部分，它对系统的测距测速性能有着决定性的影响。中频信号的整个处理流程，如图3所示。由前端混频输出的中频模拟信号首先进入数据采集模块，进行A/D转换，得到数字信号，然后对数字信号进行频谱分析，对频谱分析结果求模，与门限判决，剔除虚警，最终输出目标的距离和速度信息。

混频输出模拟信号求模

中频采样

数字信号

频谱分析

ΔF

O t

图4FMCW 雷达静止目标回波信号

Fig.4FMCW Radar Stationary Target Echo Signal

门限判决

剔除虚警

输出目标

发射信号与回波信号的频率差即为混频输出的中频信号频率f 0，根据相似三角形的关系，由图4（a ）可以得出：

τ=T /2

0得：R =cT f 0

（2）（1）

图3中频信号处理流程

Fig.3IF Signal Processing

3雷达工作原理

雷达的工作体制主要分为脉冲方式和连续波方式。连续波）雷达是指发射连续波信号，主要用来测量（Continuous Wave:CW

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

式中：T —调制三角波周期；ΔF —调频带宽。将τ=2R /c 带入上式可

从上式中可以看出，在调制周期T 和调频带宽确定的情况下，目标距离与LFMCW 雷达前端混频器输出的中频信号频率成正比，这就是目标物体处于相对静止的情况下LFMCW 雷达测距原理。

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data=rd_txt（‘data115.txt ’）；

27

当目标物体处于相对运动状态时。从运动物体反射回来的回波信号中包含一个由于目标的运动引起的多普勒频移f d 。如图5所示。

f

f b+

f b-发射信号

静止目标回波信号运动目标回波信号

信号的时域图，如图6所示。

21.81.61.4幅度1.210.80.6

时域信号

f d

（a ）t

f 0

（b ）

o

t

0.4

[***********][***********]

时间

图5FMCW 雷达运动目标回波信号

Fig.5FMCW Radar Moving Target Echo Signal

图6信号时域图Fig.6Time Domain Signal

从图5中可以看出，三角波的上升沿和下降沿中频信号的频率可分别表示如下：

f b+=f 0-f d f b-=f 0+f d

上两式中为目标物体相对静止时中频信号的频率，为多普勒频移。由（2）式和多普勒频移公式原图可得：

f b+=4△F -2fv

f b-=4△F -2fv f +f" R =cT ! b-b+f -f " v=c ! b-b+

（3）（4）

（2）数据分析

由于调制信号是三角波信号，通过对调制三角波上下扫频段的分析可得上下扫频段的中频信号的频率，从而得到目标的距离和速度信息。因此，可以将数据分成两部分进行处理。

（3）加窗FFT 变换

海明窗的调用方式如下：win_ham=hamming（N ）;

对差拍信号做加窗FFT 变换，得到差拍信号的中频频谱。如图7所示。

100幅度（d B ）

500

0100幅度（d B ）

500

X ：4249Y ：72.33

上升沿频域信号

联立以上两式，可求得目标的距离和速度表达式如下：

（5）（6）

0.51

1.522.5

频率（Hz ）下升沿频域信号

3

3.5×104

以上两式虽然是在目标处于相对运动状态下推导出来的，但是对于相对静止的目标同样适用，因此，在实际应用中，不管目标是处于相对运动还是相对静止，只要分别求出调制三角波在上升沿和下降沿的中频信号的频率，就可以利用以上两式来计算目标的距离和速度信息，这就是FMCW 毫米波雷达测距测速原理。

X ：5714

Y ：62.28

0.51

1.522.5

频率（Hz ）

3

3.5

×104

4实验测试结果

通过实验得到雷达的回波信号数据，并以文本格式存储，测试雷达的参数，如表1所示。

表１测试雷达参数

Ｔａｂ．１ＴｅｓｔＲａｄａｒＰａｒａｍｅｔｅｒｓ

参数名称中心频率f 0调频带宽调制周期

雷达参数76GHz 500M 1ms

图7信号频谱图

Fig.7Frequency Domain signal

（4）计算目标的距离和速度

通过以上频谱分析可分别得到上升沿和下降沿的频率f b+和f b-，（5）式和（6）式，即可得到目标的距离和速度。根据

5总结

重点分析了盲点监测系统中信号处理的部分，如今雷达技术之所以能够取得快速的发展，非常重要的一个原因就是数字信号处理技术在雷达系统中的应用。盲点检测系统这一小小的装置，其对整体行车安全的提升幅度却并非毫不起眼，也并非乏善可陈。尤其是在高速变道或者在车辆众多突发情况极易出现的城市道路变道时，其所起的作用往往超越了车辆其他安全配置，对避免事故，增加行车安全举足轻重。

（1）采样数据导入

将采样数据导入。通过函数调用，

function data=rd_txt（filename ）fid =fopen （filename ，‘r ’）；data=fscanf（fid ，‘%f’，inf ）；调用函数如下：

参考文献

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（下转第31页）

得到的优化结果，如表3所示。的厚度进行优化，

机械设计与制造

参考文献

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表３优化前后的参数比较

Ｔａｂ．３ＴｈｅＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＰａｒａｍｅｔｅｒｓ

设计要求本体质量本体一阶固有频率最大应力值左侧本体厚度筋板厚度

优化前551.24kg 21.243Hz 6.6408MPa 65mm 0mm

优化后494.34kg 18.148Hz 7.2791MPa 46.9mm 8.3mm

改变量减少10.3%减少14.6%增加9.61%减少27.8%

—

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从表3中的数据，我们可以看出本体的质量减少了10%以上，本体左侧的厚度大幅减少。在本体质量减少的同时，它的各阶固有频率和最大应力值也随之出现相应的变化：固有频率变小了3Hz ，但仍远大于多边形效应的激振频率，而且振型也基本相同，未发生较大变化；最大应力值增加量不大，也远小于本体材料的许用应力，并且通过增加筋板使得本体的应力分布更加均匀。

4结论

通过对刀库本体的有限元静态预应力模态分析，分别得到它们的应力分布云图和各阶固有频率及振型，并对其应力分布云图和振型进行了分析研究。通过在Pro/E里对结构的参数化建模，以及在ANSYS Workbench 里的分析，最终得到比较合理的结构优化方案，得到如下结论：（1）根据本体有限元分析的结果，原结构的设计形式比较合理，最大应力远小于材料的许用应力，最大应力发生在主动链轮处，一阶固有频率远大于刀库工作时的激振频率，满足本体的设计要求。（2）根据分析结构，本体存在很大的优化空间。通过优化计算，在满足刀库本体设计要求的基础上，本体的结构优化使得床身部件的质量减轻了10.3%；一阶固有频率减少14.6%，仍远大于其冲击频率，因而本体不会发生共振，优化后的固有频率和振型与原结构基本相同，说明结构优化不会对刀库本体的动态特性有较大的影响，保证了刀库的换刀精度。（3）经过对本体减少壁厚和添加筋板，优化后本体的应力分布更加均匀，虽然最大应力增加了9.61%，但仍远小于本体材料的许用应力。改进方案中只对刀库本体的局部壁厚和筋板的厚度进行了优化，结构上没有做很大的变化，对生产中降低产品的成本是一个很好的选择。

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（上接第27页）

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