FREQUENCY-MODULATED CONTINUOUS WAVE РАДАР В АВТОМОБИЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

Введение

Современные требования к безопасности и комфорту приводят к бурному развитию вспомогательных систем помощи при вождении, которое обусловлено, заметными достижениями в области разработки и производства электронных цифровых компонентов. По мере роста возможностей обмена информацией между отдельными системами автомобиля и совместного использования ими подсистем друг друга появляются всё более и более сложные доступные для водителя функции. По некоторым прогнозам, ещё до конца этого десятилетия станет технически возможным полностью автоматическое управление автомобилем без участия водителя. Адаптивный «круиз-контроль», «тормозной ассистент» с функцией автоматического экстренного торможения, предотвращение опережения других транспортных средств справа, функция помощи при перестроении предлагаются сегодня во многих моделях автомобилей.

Базовые функции систем активной безопасности реализуются при помощи радара, который вследствие более низкой по сравнению с видимым светом частоты излучаемых радиоволн, в существенно меньшей степени поглощаются или рассеиваются в ситуациях ограниченной видимости (туман, метель), обеспечивая работоспособность системы в более широком диапазоне условий.

Принцип работы радара

FMCW радар (Frequency-Modulated Continuous-Wave) представляет собой особый тип радиолокационных датчиков, который излучает непрерывные частотно модулированные волны. В отличие от обычных радаров, FMCW может изменять свою рабочую частоту во время измерения: то есть, передаваемый сигнал модулируется по частоте (или фазе). FMCW радар обладает следующими преимуществами:

Возможность измерения малых расстояний до цели (минимальный диапазон сравним с излучаемой длиной волны);

Возможность обнаружения неподвижных целей;

Возможность одновременного измерения расстояния до цели и ее относительной скорости;

Высокая точность измерений;

Обработка сигнала осуществляется в диапазоне низких частот, что значительно упрощает реализацию схем обработки;

Гарантированное отсутствие излучения импульса с высокой пиковой мощностью.

Основными особенностями FMCW радиолокационной системы являются:

Измерение скорости и расстояния до цели осуществляется путем сравнения частоты принятого сигнала и эталонного (обычно непосредственно передаваемого сигнала);

Продолжительность сканирующего сигнала существенно больше требуемого времени приема, для установленного диапазона расстояний.

Структура автомобильного FMCW радара

FMCW радар состоит из приемопередатчика и блока управления с микропроцессором, как показано на рисунке 1. Приёмопередатчик представляет собой компактный модуль, и обычно включает в себя составную фазированную антенную решетку (ФАР), реализованную в виде отдельных передающей и приемной частей. Передающая и приемная части ФАР выполняются симметрично, каждая состоит из отдельных патч-антенн, сориентированных между собой таким образом, чтобы была сформирована желаемая диаграмма направленности и минимизировано взаимное влияние приёмника и передатчика. Для формирования узких диаграмм направленности (до 5˚ по горизонтали и 7˚ по вертикали) патч-антенны располагаются в виде массива, содержащего определенное количество строк и столбцов.

Рисунок 2. Структурная блок - схема FMCW радара.

Высокочастотный сигнал формируется генератором управляемым напряжением (ГУН), который напрямую запитывает передающую антенну, при необходимости его мощность дополнительно усиливается малошумящим усилителем (МШУ). Так же высокочастотный сигнал подаётся на циркулятор, который выступает в роли разветвителя, формирующего маломощный генератор электрических колебаний, поступающий на квадратурный смеситель совместно с усиленным принимаемым эхо-сигналом.

Блок управления содержит микропроцессор, который формирует управляющий сигнал для передатчика, производит математические вычисления над принятым эхо-сигналом, а также обеспечивает приём и передачу данных по шине CAN в центральный блок управления автомобиля, осуществляющий принятие решения о возникновении предпосылок к аварийной ситуации.

Микропроцессор непрерывно формирует числовой код в соответствии с выбранным законом частотного моделирования выходного (излучаемого) сигнала. Числовой код поступает на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) после чего выходной сигнал ЦАП масштабируется, МШУ для приведения в соответствие с входом ГУН.

Отраженный эхо-сигнал, поступает на предварительный (высокочастотный) МШУ с низким коэффициентом усиления, после чего заводится на квадратурный смеситель, где смешивается с передаваемым сигналом. С выхода смесителя синфазный (I) и квадратурный (Q) сигналы поступают на низкочастотный МШУ с программируемым коэффициентом усиления. Усиленный низкочастотный сигнал поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), числовой код формируемый АЦП заводиться обратно на микропроцессор, где после того как накапливается достаточное количество отсчетов над ними проводится быстрое преобразование Фурье (БПФ). После нормализации результатов БПФ частоты вклады, которых находятся над уровнем шумов, являются искомыми разностными частотами .

Частота Доплера и скорость движущегося объекта связаны следующим уравнением:

где V – это скорость движущегося объекта,  – частота излучаемого радаром сигнала. При  = 24 ГГц, зависимость принимает вид  из чего следует, что при скорости движущегося объекта 300 км/ч частота принятого эхо-сигнала будет .

Заключение

Таким образом, основным преимуществом применения FMCW в автомобилестроении является возможность работы с низкочастотным спектром отраженного эхо-сигнала, что существенно упрощает аппаратную и программную реализацию и снижает стоимость радара.

В настоящие время, такие компании как Infineon, UMS, NXP производят микросхемы, так называемые «front-end», которые уже содержат на одном кристалле ГУН, смеситель и высокочастотные МШУ. Это позволяет проектировать FMCW радары, в которых, за счет своих малых размеров, с разных сторон на одной печатной плате одновременно располагаются и блок обработки, и приемо-передающие патч-антенны.

Список литературы:

1. Christian Wolff Frequency-Modulated Continuous-Wave Radar (FMCW Radar)/ Christian Wolff// [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.radartutorial.eu/02.basics/Frequency%20Modulated%20Continuous%20Wave%20Radar.en.html#abs9 (дата обращения: 27.04.2017).
2. Audi Системы адаптивного круиз-контроля (ACC) // [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://docplayer.ru/35842153-Audi-sistemy-adaptivnogo-kruiz-kontrolya-acc.html (дата обращения: 04.11.2017).