24G毫米波雷達(dá)在機(jī)車測(cè)距及避撞應(yīng)用的探索

最近接到一個(gè)項(xiàng)目，需要在機(jī)車上設(shè)計(jì)一款雷達(dá)產(chǎn)品，主要用于軌道交通方面的機(jī)車測(cè)距和避撞。在網(wǎng)上搜尋了一段時(shí)間，可以選擇的有激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、紅外雷達(dá)和毫米波雷達(dá)。對(duì)比了各個(gè)雷達(dá)的特點(diǎn)，激光雷達(dá)具有探測(cè)距離遠(yuǎn)，探測(cè)精確的特點(diǎn)，但是容易受到雨霧，特別是下雪和粉塵的干擾，這個(gè)在軌道交通行業(yè)中適應(yīng)性不是很好。超聲和紅外雷達(dá)，具有價(jià)格低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是同樣容易受到溫度變化的影響，在南方和北方會(huì)有很大的差別，另外探測(cè)的距離也有限。毫米波雷達(dá)探測(cè)的介質(zhì)是電磁波，具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、穿透能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)以及實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，尤其是波長(zhǎng)較短者。

俗話說萬事開頭難！在搜尋了各大廠商的方案之后，最終選擇了UMS的24G雷達(dá)方案，選擇這個(gè)方案有幾點(diǎn)好處：

1）方案比較靈活，可以選擇集成度高、設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單的單發(fā)雙收的雷達(dá)芯片。也可利用分立器件自由組合出多個(gè)收發(fā)結(jié)合的方案，這樣可以探測(cè)更加精準(zhǔn)和擴(kuò)展更廣闊的探測(cè)范圍。

2）擁有業(yè)界唯一的GaAs工藝，工作溫度范圍為-40度—125度，適用于機(jī)車工作環(huán)境。

3）開發(fā)工具和參考資料比較齊全。

在筆者的項(xiàng)目中，選擇的是集成度較高的單芯片方案CHC2442-QPG。從圖 1 CHC2442-QPG的內(nèi)部架構(gòu)，可以看出其內(nèi)部集成了低噪聲的VCO、Tx PA、混頻器、接收LNA和中頻放大器等核心功能。只需加上DSP處理單元就可以完成雷達(dá)的功能設(shè)計(jì)。如圖2 UMS機(jī)車24G雷達(dá)模塊原理框圖所示，雷達(dá)模塊支持單發(fā)雙收和一路視頻，與車載控制單元之間通過CAN總線以及以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。

圖1：CHC2442-QPG的內(nèi)部架構(gòu)

圖2：UMS機(jī)車24G雷達(dá)模塊原理框圖

在實(shí)際上車調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)低速行車容易誤報(bào)警，造成急剎車。然而實(shí)際場(chǎng)景中，車的前方并沒有任何障礙物。于是把雷達(dá)模塊射頻前端的信號(hào)取樣分析后發(fā)現(xiàn)，是軌道旁邊的AP桿和信號(hào)機(jī)的桿子反射的雷達(dá)波，造成了芯片誤讀取前方有障礙物信號(hào)，從而輸出報(bào)警造成急剎車。分析如圖 3雷達(dá)探測(cè)范圍示意圖所示。

圖3：雷達(dá)探測(cè)范圍示意圖

找到原因后，經(jīng)過項(xiàng)目組分析討論分兩個(gè)方向來解決：

一是CHC2442-QPG的接收增益可調(diào)，在低速行車時(shí)調(diào)低雷達(dá)的接收增益，也就是降低雷達(dá)的接收靈敏度來濾掉軌旁的偽障礙物，如AP桿子、信號(hào)機(jī)等。該方向很容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)镃HC2442-QPG可以通過SPI控制接收增益，這個(gè)接收增益可調(diào)節(jié)的范圍為24dB，比較寬。

二是優(yōu)化天線設(shè)計(jì)，縮小水平方向的波瓣寬度，由目前的60度減小到30度。該方向需要重新設(shè)計(jì)天線，從調(diào)整天線輻射單元的布局以及單個(gè)輻射單元的形狀兩個(gè)方面縮小水平方向的波瓣寬度。圖 4陣列天線的設(shè)計(jì)對(duì)比所示，陣列天線的布局從左邊長(zhǎng)條形的布局調(diào)整到右邊這種正方形的緊湊布局。天線的單元也由原來的單一輻射結(jié)構(gòu)改為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，并且在天線單元之間增加了功分網(wǎng)絡(luò)，保證阻抗的合理匹配。這種對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以在保持輻射增益不降的情況下，有效地縮小天線的面積。

圖4：陣列天線的設(shè)計(jì)對(duì)比

通過不斷努力優(yōu)化，從如圖 5的最終版陣列天線的水平波瓣寬度和增益可以看出，天線的水平波瓣寬縮小到30度，比初版縮小了一倍，增益保持在原來的21dBm左右。面積也減小了三分之一左右。最終通過同時(shí)控制CHC2442-QPG的接收增益和縮小天線的水平輻射波瓣寬度兩個(gè)方面解決了誤報(bào)警問題。

圖5：最終版陣列天線的水平波瓣寬度和增益