编者的话:本篇论文主要目的为研制77 GHz前视汽车防撞雷达警示系统。本雷达系统整合77 GHz天线、自我研发之65nm CMOS制程射频电路及讯号处理器等关键技术;具有前方警示之功能,可于行进中侦测前方远距离的车辆信息;其中前视远距离雷达侦测距离可达150米达成对车辆驾驶人提醒之功能
77 GHz前视汽车防撞雷达警示系统
锺世忠,蔡青翰
(台湾交通大学)
1引言
近几年来,随着世界各国机动车辆的快速成长,已使得道路交通状况变得十分拥挤、混乱与复杂。然而,在机动车辆数目快速增长的同时,伴随而来便是交通事故与车祸伤亡人数增加等问题,因此许多先进的国家与汽车大厂都将车辆的安全问题视为重要的民生课题,并积极的寻求先进科技运用在车辆上以提升车辆行驶时的安全性能,以求能够减少事故以及伤亡的发生。
近年来由于在电子、通讯等技术之高度发展及应用,促使驾驶人开始利用相关技术加强汽车安全系统[1,2,3],监控驾驶人的精神状态、加强视野、防止碰撞,增进交通安全,带动相关先进车用电子产品之蓬勃发展。汽车防撞雷达目的在辅助人类感测能力的不足,主要利用先进的通讯、控制与信息科技,侦测车辆周遭的动态状况,如其他车辆、行人、或路上障碍物的相对位置、速度与加速度等讯息,并适时通知驾驶人采取必要措施(如加速、减速或保持车道等),以防止发生撞击,增进车辆驾驶的安全性与舒适度。根据研究,如图1(图略)所示,驾驶人如能多0.5秒之反应时间,则车辆追撞之机率可减少60%;而如能多1秒之反应时间,则追撞机率可减少90%。汽车防撞系统的作用即在利用先进的电子设备,争取驾驶人的反应时间。
为了提高行车安全,目前有多种感测系统可用来辅助驾驶人做安全的判断,如声波(超音波)、光波(可见光、雷射光、红外线)、影像处理、或微波/毫米波等技术等,然而何种技术较适合用于防撞雷达上则取决于实际应用时的环境状况。此雷达必须能在各种常见的天候状况,包含雨天、下雪及起雾的天气下能有效的工作。同时当雷达表面因天候环境的影响而有水气、薄冰凝结、甚至沙尘、污泥覆盖时,其功能必须还能维持一定的水平。表1(表略)描述了各系统的优缺点[4],超音波在测距和测速上较其他系统差,实现整个系统所需的体积较其他系统大,此外空气介质对声波有很大的影响,所以超音波抗天候环境的能力较弱,红外线及雷射光虽然在某种程度上能穿透雾气及水气,但当雷达表面有积尘时,穿透能力将大受影响,微/毫米波技术则可满足上述之需求,一方面因其对雨滴、雾气、沙尘的穿透力较红外线、雷射光强,另一方面因其频率高、波长短,因此雷达体积小,故微/毫米波技术较适合应用于汽车防撞雷达系统。
汽车防撞雷达的关键技术包含天线、电路、讯号处理器三部分,目前各先进国家多采用近毫米波或毫米波频段,如24 GHz、60 GHz、77 GHz、94 GHz等,做为雷达传感器的讯号频段。其中77GHz汽车前视防撞雷达系统需要有长距的目标针测距离与高精度角度辨识度。因此本篇论文选用77GHz汽车防撞雷达系统为主要研究目标,为了适应不同类型之侦测需求,我们开发出多种不同功能之雷达天线及收发模块,可于行进中侦测前方远距离的车辆
2 77 GHz雷达系统架构
这一章节主要介绍本雷达系统的核心技术,包含雷达收发模块功能方块、频率连续调变波算法及毫米波天线设计。
2.1雷达收发模块
本论文主要目标为研制一77 GHz之频率连续调变波雷达(Frequency Modulated Continuous WaveRadar,FMCW Radar)之功能元件与整合,图2(图略)为雷达系统方块图,可看出整个雷达系统包含一个synthesizer、一个自我开发之77 GHz CMOS RFIC、一发三收77 GHz长距天线、中频电路、毫米波电路及信号处理单元(DSP)。DSP控制频率产生器(synthesizer)先产生一个随时间而改变的三角波(Linear Ramp),毫米波RFIC主要功能为产生所需77 GHz FMCW雷达波,并经由天线发射;同样地,被反射的雷达回波被接收天线接收下来后,经由滤波、放大、降频等动作处理后,送到后面的中频及数位电路进行运算。图3(图略)为77 GHz CMOS RFIC照片,图4(图略)为77 GHz前视雷达的正面照片。
电路上有一个synthsizer,用于驱动RFIC产生77 GHz的调变波,最后由天线发射雷达调变讯号。在接收端部分,雷达回波由三支接收天线进行接收,经过RFIC后转为IF讯号,由于接收机的灵敏度往往为第一级电路所决定且回波讯号通常都很微弱,IF电路必须设计低噪声指数且高增益,降频后的IF讯号上面承载距离和速度的信息,经由ADC送到DSP分析并计算目标物的距离及相对速度。
2.2频率调变连续波雷达
频率调变连续波雷达系统是利用时间上改变发射信号的频率,其发射频率与接收频率的相对关系不仅可测量目标距离,而且还可测量出目标的径向速度。如图3(图略)所示,发射信号的线性调频和从动态目标散射回来的接收信号频率变化,两条曲线上峰值之间的频率差就是动态目标加在散射信号上面的都普勒频移,则目标物速度将由其公式所算出,其中v为雷达与目标物之相对速度在电磁波行径方向上的分量,c为电磁波的速度,f0为电磁波的发射频率。而两个连续峰值之间的时间差τ就是信号从雷达发射到动态目标物再返射回雷达接收端的时间。因此,如果发射机和接收机放在相同的位置,则目标物距离将由得知。
2.3发射机量测
此自我开发的77 GHz RFIC为2T6R架构,其发射功率在77~81 GHz汽车雷达频段内可最大可达14 dBm。Phase noise为-85 dBc/Hz@100 kHz。图6(图略)为发射功率量测图
3雷达系统整合与量测
前一章节为介绍雷达的核心技术,这一章节主要为本研究开发之汽车警示系统的性能需求、整合、装机情况及实际量测。
3.1雷达系统的性能需求
为了适应于不同类型之侦测需求,本研究开发多种不同功能之雷达天线及收发模块,可于行进中侦测前方远距离的车辆。其主要侦测前方150米内车辆的相对距离及速度。警告机制为装置在车上的显示面板,当前车与我车的距离或速度超出安全值时,显示面板便会发出警讯告知驾驶人,以便由驾驶人控制车辆行进方向或实时减速。
3.2雷达系统量测结果
本论文所提出的77 GHz前视雷达系统经安装于车上,并经过许多不同种道路测试以验证其目标针测效能。图7(图略)为本论文提出之汽车防撞雷达系统安装照片,图中可以看见前视雷达装置在车前,以侦测前方之车辆状态。图8(图略)及图9(图略)分别为为雷达车于高速公路及快速道路上,随机侦测前方车辆并经过FMCW算法计算出的目标图,在图上目标车的距离、速度、及相对雷达车的角度都被解析出来。
4结论
本论文所提出之汽车雷达防撞警示系统具有前方警示功能,雷达系统包含77 GHz收发模块、77GHz天线及讯号处理器之整合,并配合连续调变波之算法计算出目标物的距离及相对速度信息。实车测试之结果显示雷达系统有良好的侦测及警示功能,能够有效地侦测车辆周遭的车辆动况;前视远距离雷达可侦测150米以内前方三个车道内之车辆,若遇危险情况,可适时通知驾驶人采取必要措施,以免发生撞击,以增进车辆驾驶的安全性。
参考文献
[1] S.Tokoro,“Automotive application systems of millimeter-wave radar,”IEEE Proc.Of Intelligent Vehicles Symp.,pp.260-265,1996.
[2] H.H.Meinel,“Automotive radar and related traffic application of millimeter waves,”in Topical Symp.on MillimeterWaves,pp.151-154,1998.
[3] R.Mende,H.Rohling,“New automotive applications for smart radar systems,”GRS Bonn,Sep.2002.
[4] Cambridge consultants Ltd.,“Latest development in intelligent car safety system,”www.cambridgeconsultants.com,Jun.2000.