激光测距雷达及智能时代

1、激光测距雷达与智能时代激光测距雷达与智能时代1 概述2 雷达测距的组成元件3 雷达测距的工作原理4 雷达测距的性能指标5 几种常见的测距雷达6 雷达测距的发展趋势1 概 述 安全性是汽车最基本也是最重要的性能，对乘员的安全保护是汽车发展所追求的永恒主题。随着电子技术的发展，许多智能化技术被广泛应用到汽车安全装置上。 汽车安全装置分为主动安全装置和被动安全装置。 主动安全装置是指为避免交通事故的发生而主动采取的有效配备， 如车轮的防抱死制动系统ABS、 电脑控制行驶平稳系统ESP、 加速防滑控制系统ASR、 电脑控制循迹控制系统ETS; 被动安全装置则是指事故发生时保护乘员安全的装备系统， 如安

2、全带自动拉紧装置、防撞安全气囊、车门内置防撞横梁、车身防撞 能量局部吸收等安全装置。 雷达测距防撞控制系统雷达测距防撞控制系统(Distronic(Distronic，简称，简称DTR)DTR)属于汽车主动安全装置，是当前国际汽车安全领域研究的热点之一。 汽车防碰撞技术首先需要解决的问题是汽车之间的安全距离。汽车与汽车之间的距离小于安全距离，就应该能够自动报警，并采取制动措施。 目前，测定汽车之间安全距离的方法有三种:超声波测距、毫米波雷达测距和激光测距， 防撞雷达系统装配在车辆的前方、侧方或者后方，完成前视防撞(防追尾碰撞)、侧视防撞(防更换车道时两车相撞)和后视防撞(防倒车时与车后阻碍物相

3、撞)等侧重点各异的功能。 主要功能：主要功能：防撞预警，辅助停车，盲点探测等，n为完成上述功能所应达到的技术要求是系统应具有测距、测距、测速、测角测速、测角的功能。n下图为奔驰车距监控防撞系统，奔驰车距监控防撞系统，可以在车辆停车和倒车时检测车辆前、后、侧面的障碍物距离，在靠近障碍物时会发出声音警报。 图1.1 系统示意图2 雷达测距控制系统的组成DTR雷达控制模块DTR雷达传感器（激光雷达、 毫米波雷达传感器）DTR电脑可变巡航控制(CC)开关DTR开关座(具有距离测量电位差计和警报信号消除开关)信息联络(CAN)(用于仪板上的显示装置及警报信号 发布装置和各种控制机构的信息联络)天线、发射

4、/接受组件中频信号处理装置电源及报警显示雷达测距系统的组成框图雷达测距系统的组成框图1.收发天线收发天线可安装于车辆保险杠内，向车前方发出发射信号，并接收反射信可安装于车辆保险杠内，向车前方发出发射信号，并接收反射信 号号2.射频收发前端射频收发前端是雷达系统的核心部件，负责信号调制是雷达系统的核心部件，负责信号调制.，射频信号的发射接，射频信号的发射接收及接收信号解调收及接收信号解调3.信息处理模块信息处理模块自动分析，计算出与前方车辆间的距离和相对速度，并且防自动分析，计算出与前方车辆间的距离和相对速度，并且防止转弯时错误测量临近车道车辆的情况发生止转弯时错误测量临近车道车辆的情况发生4.

5、汽车控制装置汽车控制装置： 即控制汽车的自动操作系统，达到自动即控制汽车的自动操作系统，达到自动减速慢速行车，或紧急刹车。通过限制发动机输出转速，调节刹减速慢速行车，或紧急刹车。通过限制发动机输出转速，调节刹车作用力及变速箱挡位，控制定速巡航的车速车作用力及变速箱挡位，控制定速巡航的车速5.报警系统报警系统：安装在驾驶室前部，精确显示前方障碍物的距离值，：安装在驾驶室前部，精确显示前方障碍物的距离值，面板上的数字键，可根据实际情况设定保京距离值，还有特殊输面板上的数字键，可根据实际情况设定保京距离值，还有特殊输出接口，当系统报警时，该接口会输出出接口，当系统报警时，该接口会输出TTL电平，可用

6、于自动刹车电平，可用于自动刹车开发开发3.雷达测距的基本原理n工作原理：在车辆行驶中，雷达窄波束向前发射电磁波信号，当发射信号遇在车辆行驶中，雷达窄波束向前发射电磁波信号，当发射信号遇到目标时，被反射回来被同一天线接收，经混频放大处理，可用其差拍信号到目标时，被反射回来被同一天线接收，经混频放大处理，可用其差拍信号间来表示雷达与目标的距离，再根据差频信号相差与相对速度关系，计算出间来表示雷达与目标的距离，再根据差频信号相差与相对速度关系，计算出目标对雷达的相对速度，微处理器将上述两个物理量代入危险时间函数数字目标对雷达的相对速度，微处理器将上述两个物理量代入危险时间函数数字模型后，既可算出危险

7、时间，当危险程度达到各种不同等级时，分别输出报模型后，既可算出危险时间，当危险程度达到各种不同等级时，分别输出报警信号或通过车辆控制电路去控制车速或刹车。当距离过近时，有些车型警警信号或通过车辆控制电路去控制车速或刹车。当距离过近时，有些车型警告喇叭会响起，以警告驾驶者注意前方障碍物已经接近车体，同时告喇叭会响起，以警告驾驶者注意前方障碍物已经接近车体，同时DTR电脑电脑会通过车身电脑网络会通过车身电脑网络CAN-BAS与发动机与发动机ECU、变速器、变速器ECU及及ESP(车辆稳定车辆稳定行驶系统行驶系统) 、ABS刹车系统刹车系统ECU，通过限制发动机输出转速，调节刹车作用，通过限制发动机

8、输出转速，调节刹车作用力及变速箱挡位，控制定速巡航的车速。若前方无障碍物（力及变速箱挡位，控制定速巡航的车速。若前方无障碍物（100米为限）则警米为限）则警告灯会熄灭，车子便会加速至预设的巡航速度告灯会熄灭，车子便会加速至预设的巡航速度n装有避撞雷达的汽车上了高速公路以后，驾驶员启动车上的避撞雷达。雷达选定好跟随的汽车以后，被跟随的汽车就成了后面汽车的“目标车”，无论加速，减速，停车，启动，后面的汽车都会在瞬间之内知晓，如果前面的汽车行驶一段时间之后，不再适合于自己的“目标车”，驾驶员可以重新选择另一辆“目标车”。汽车防撞系统流程图汽车防撞系统流程图 图3.3 脉冲雷达测距原理图测距公式: R

9、=(1/2)c*T其中R为两车的相对距离, c为光速, T为从发射激光束到接受激光的时间间隔.n信号的瞬时频率随时间线性变换，当前方有单目标回波时，发射信号和反射信号将进行混频，混频后得到的信号中含有目标的相对距离和相对速度的信息。 n现记f0作为发射信号中心频率，B为频带宽度，T为扫频周期，调制信号为三角波，c为光速，R和V分别为目标的相对距离和相对速度。在发射信号的上升段和下降段，中频输出信号可以表示为: 若忽视汽车与目标间的相对速度,则两车的距离可以表示为: R=(1/2)c*T其中R为相对距离, c为光速, T为从发射到接受的时间间隔.存在的问题问题一：由于采用单脉冲雷达，只能测量距离

10、，角度，不能判定被测物的由于采用单脉冲雷达，只能测量距离，角度，不能判定被测物的类别和性质，并且随着路面的变化和车辆的运动。导致目标失踪。类别和性质，并且随着路面的变化和车辆的运动。导致目标失踪。 改进对策：采用双脉冲雷达，利用激光反射的相干性，使用激光全息摄像技改进对策：采用双脉冲雷达，利用激光反射的相干性，使用激光全息摄像技术，对被测物进行全息摄像，经术，对被测物进行全息摄像，经CPU模拟处理，辨别确定被测物的类别和性模拟处理，辨别确定被测物的类别和性质，质，已扩束的激光已扩束的激光1全息传感器全息传感器2全息传感器全息传感器1n问题二一般所说的雷达为一次雷达，通过目标的二次散射功率来发现

11、 目标。二次散射功率取决于目标接收到的功率和目标的雷达截面积。由于雷达截面积与目标的材质(导电性能)、几何形状、尺寸、雷达波束的照射方向以及载波频率等诸多因素有关，不确定性太大，要求雷达接收机有很大的动态范围。而且，二次散射功率向全空间辐射，返回雷达接收天线的功率只占很小一部分，回波功率太弱会降低雷达作用距离。n改进策略：采用双机应答式测距采用双机应答式测距n甲机所完成的功能与一次雷达相同，向目标车辆发射信号、接收信号，然后计算车甲机所完成的功能与一次雷达相同，向目标车辆发射信号、接收信号，然后计算车距。乙机位于目标车辆的尾部，其接收甲机发射来的频率为距。乙机位于目标车辆的尾部，其接收甲机发射

12、来的频率为F1的信号，经放大，变的信号，经放大，变换到频率换到频率F2后再回发给甲机，对信号进行透明转发。后再回发给甲机，对信号进行透明转发。(甲机发射频率即为乙机接收甲机发射频率即为乙机接收频率，甲机接收频率即为乙机发射频率，频率，甲机接收频率即为乙机发射频率，4.雷达测距的性能指标n1最大探测距离n2测距精度n3最小探测距离n4方位精度n5其他特殊情况最大的探测距离最大的探测距离激光射束形状和扫描区域 弯道的探测情况弯道的探测情况垂直方向探测区域垂直方向探测区域探测领域随发射接收光面的沾污而劣化探测领域随发射接收光面的沾污而劣化5. 几种常见的雷达测距n5.1 毫米波雷达测距n5.2 激光

13、雷达测距n5.3 超声波倒车雷达 汽车各种测距方式主要技术参数对比表汽车各种测距方式主要技术参数对比表5.1毫米波雷达测距 防撞雷达,防止汽车追尾n对于车载雷达,一般选用60GHz 、 120GHz 、 180GHz波段,对应的波长为毫米级,故成为毫米波雷达.n特点：毫米波雷达采用的是波长在1厘米以下，频率30GHZ以上的高频电磁波，波长短，沿直线传播且穿透能力强，几乎不受气象条件的影响。n不但可以探测目标的距离，还可测出相对速度和方位。n价格昂贵，n需要防止电磁波干扰由于存在其它通讯设施电磁波干扰以及雷达装间的相互影响,容易发生误动作. 雷达向空间发射一定重复周期高脉冲,当遇到目标,目标反射

14、回来的反射波将滞后与发射高频脉冲一个时间差Tr和一个频移(多谱勒频移)Fa,根据雷达可以测出这个数据,就可以依据以下公式断定目标位置: R=1/2C*Tr; R-目标到雷达的距离; Fa=2Vr/ C-光速; Tr-电波往返目标与雷达的时间间隔; Fa-多谱勒频移; -雷达波波长; Vr-雷达与目标的相对速度 5.2 激光测距雷达n原理同毫米波雷达测距，用窄激光束对某一地区进行扫描。n特点：快，准，远，抗干扰，无盲区，测距精度可达厘米甚至毫快，准，远，抗干扰，无盲区，测距精度可达厘米甚至毫 米级，比微波雷达高近米级，比微波雷达高近100倍，测角精度理论上比微波雷达高一义倍倍，测角精度理论上比微

15、波雷达高一义倍以上。以上。n 遇到下雨或大雾等恶劣天气，穿透能力差，导致无法使用遇到下雨或大雾等恶劣天气，穿透能力差，导致无法使用图3.2 激光雷达方框图激光雷达的组成如下图所示:防追尾碰撞激光报警装置n该装置结构如图3.4所示。包括发光部、受光部、计算车间距离的激光雷达、信号处理电路、显示装置、车速传感器等构成。 图3.4 报警装置的车载状态 n激光镜头使用脉冲状的红外激光束向前方照射，并利用汽车后部反光镜的反射光，通过受光装置检测其距离，如图3.5所示。使用汽车反光镜，检测距离约l00m，最大检测宽度35m以上。为了能区分出道路两侧的树木桥墩和车辆前方真正的障碍物，可采用三光束工作方式，通

16、过控制电路的控制，三个激光束中的左右激光束，取其35m以上，宽度控制在3.5m，中央激光束的检测距离取其200米以上，这样就能够更早地检测插入车流的车辆，并发出警报，同时它还能抑制弯道上的标识物而发出报警，使之达到最优状态，如图3.6所示。 图3.5 激光通过路线图 3.6检测范围和报警发生范围扫描式激光雷达 n最早的前方用激光雷达都是发出多股激光光束，并依靠前行车反光镜的反射时间来测定其距离。但是由于要对前方车辆进行辨别，因而开始采用扫描式激光雷达，如图3.7所示。 n 这样，不但至前方车的距离可测，而且其横向方向的位置也可以检测出来。此技术的进一步发展，可使扫描角度成360。这时，如果在车

17、辆四角设置类似的扫描式激光雷达，那么车辆四周的障碍物都可以测出。 图3.7扫描式激光雷达 5.3 超声波电子倒车雷达图4.1 倒车雷达位置示意图超声波测距特点：n优点：1对雨，雪，雾穿透能力强，衰减小， 2测距原理简单，制作方便，成本低，n缺点：n 1 超声波的传播速度相对电磁波来说慢的多，当汽车在高超声波的传播速度相对电磁波来说慢的多，当汽车在高 速公速公 路上以每小时上百公里速度行驶时，超声波测距无法跟上车距实时变路上以每小时上百公里速度行驶时，超声波测距无法跟上车距实时变化，误差大。化，误差大。n 2. 方向性差，发散角大。由于发散使能量大大降低，另一方面方向性差，发散角大。由于发散使能

18、量大大降低，另一方面使分辨力下降，导致将邻车道的车辆或路边的物体作为测量目标使分辨力下降，导致将邻车道的车辆或路边的物体作为测量目标n结论：由于上述问题，超声波雷达应用在汽车倒车方面。在倒车过程中，可实现对汽车尾部左后，右后数米以内障碍物和突然闯入危险区域内的行人的自动探测并告警。n n超声波测距原理: S=CT/2 T为自发射出超声波到接收到反射回波的这段时间差,C是超声波的声速,在标准状态下=340/。 图4.2超声波测距原理n超声波电子倒车雷达的组成: 探头(感应器):发出和接收超声波信号,具有声电 和电声转换功能. CPU:对于检测到的信号作出反应并发出相应的指令. 放大设备:用于放大超声波信号. 显示设备和语音报警设备. 图4.3倒车雷达硬件电路框图 4.4 几款