汽車防碰撞預(yù)警執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì),汽車,碰撞,預(yù)警,執(zhí)行,系統(tǒng),設(shè)計(jì)
基于數(shù)字信號(hào)處理的脈沖激光測(cè)距技術(shù)汽車防撞應(yīng)用的方法
王志輝*
北京理工大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院 中國(guó)北京市中關(guān)村南街 5 號(hào)，100081
簡(jiǎn)介：
針對(duì)汽車防碰撞應(yīng)用設(shè)計(jì)并實(shí)施了 1.55μm 數(shù)字激光雷達(dá)系統(tǒng)。 為了減少有霧，多雨和多雪的天氣對(duì)激光檢測(cè)的影響，采用了數(shù)字信號(hào)處理方法。 多脈沖相干平均算法用于將回聲的信噪比提高 N 倍。 采用相關(guān)檢測(cè)算法來(lái)估計(jì)飛行時(shí)間。 多時(shí)間延遲相關(guān)方法用于改善飛行時(shí)間估計(jì)分辨率。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的數(shù)字信號(hào)處理方法可以減少惡劣天氣條件的影響，并獲得高范圍精度。
關(guān)鍵詞：汽車防碰撞，距離測(cè)量，激光測(cè)距，激光雷達(dá)，飛行時(shí)間估計(jì)，數(shù)字信號(hào)處理，弱信號(hào)檢測(cè)，相關(guān)檢測(cè) 1.介紹
交通事故頻繁發(fā)生，隨著汽車數(shù)量和速度的增加。安全駕駛越來(lái)越受到關(guān)注，
汽車防撞系統(tǒng)的研究也變得越來(lái)越熱。汽車防碰撞系統(tǒng)采用毫米波雷達(dá)或激光雷達(dá)檢測(cè)前進(jìn)車輛，障礙物，行人和測(cè)量物體的距離。當(dāng)距離小于安全距離時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)警告駕駛員或制動(dòng)器。因此，在惡劣的天氣條件例如雨天，雪天，霧氣中的駕駛安全性增強(qiáng)，并且可以避免交通事故。與毫米波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)的主要優(yōu)點(diǎn)是更成熟，可靠，更便宜。然而，激光雷達(dá)的缺點(diǎn)是其不能穿透雨和霧， 并且還存在關(guān)于使用高功率脈沖激光器的眼睛安全的問(wèn)題，因此激光雷達(dá)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有遇到汽車制造商的良好意見(jiàn)。最近，隨著激光二極管，光電探測(cè)器以及信號(hào)處理技術(shù)的制造技術(shù)的進(jìn)步，汽車激光雷達(dá)的弱點(diǎn)被克服。一些公司如 IBEO， 歐姆龍汽車電子，大發(fā)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的汽車激光雷達(dá)，它們的性能與 mm 波雷達(dá)一樣好[1-3]。
本文針對(duì)汽車防碰撞應(yīng)用設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了 1.55μm 數(shù)字激光雷達(dá)系統(tǒng)。 通過(guò)比較 1.55μm 激光和 0.9μm 激光，1.55μm 激光對(duì)眼睛是安全的，其檢測(cè)和穿透霧的能力更強(qiáng)。 系統(tǒng)采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)脈沖回波信號(hào)進(jìn)行采樣， 然后采用數(shù)字信號(hào)處理方法進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理和飛行時(shí)間估計(jì)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 弱回波信號(hào)的檢測(cè)能力增強(qiáng)，系統(tǒng)的測(cè)距精度提高。 因此，數(shù)字激光雷達(dá)系統(tǒng)在惡劣天氣條件下的性能得到提高。
2.汽車激光雷達(dá)系統(tǒng)概述。
2.1 工作原理
汽車激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理如圖 1 所示。當(dāng)前方車輛 R 的距離小于 S1（報(bào)警范圍）時(shí)，系統(tǒng)警告駕駛員減速; 當(dāng)范圍 R 小于 S2（制動(dòng)范圍）時(shí)，系統(tǒng)警告駕駛員自動(dòng)制動(dòng)或制動(dòng)。
圖 1.汽車激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理
基于激光脈沖的發(fā)送之間的經(jīng)過(guò)時(shí)間計(jì)算前行車輛 R 的行駛距離
接收反射光[4]。 已知激光脈沖以光速 c（m / s）行進(jìn)并測(cè)量激光脈沖Δt 的飛行時(shí)間，范圍 R（m）由下式給出
R=c·?t/2 (1)
激光雷達(dá)測(cè)距方程是設(shè)計(jì)系統(tǒng)和評(píng)估系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)。 假設(shè)目標(biāo)大于光束并且具有朗伯反射分布，則等式為[5]
Pt·rt·ri·p·D2·r2
Pr=
(2)
注解：Pr=以瓦為單位接收的功率 Pt=以瓦特為單位傳輸?shù)墓β师觮=傳輸光學(xué)效率 τr=接收光學(xué)效率 ρ=反射率 D=入口瞳孔直徑以米為單位 τa=大氣透射系數(shù)（單程）= exp(-σR), σ=大氣衰減系數(shù)，單位為 km -1 R=范圍以米為單位
a
4·R2
從等式（2）可以看出，幾個(gè)因素影響激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能。 一般來(lái)說(shuō)，什么時(shí)候研究性能; 激光雷達(dá)測(cè)距方程通常以信噪比（功率）的形式表示：
信噪比=( Pr )2=( Pt )2·(rt·rr·p·D2·eth (t2·t·Rt)2 (3)
NtP
NtP
4·R2
注解：NEP 是以瓦特為單位的噪聲等效功率，它被解釋為加性噪聲的高斯分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差。 NEP 通過(guò)檢測(cè)器和前置放大器中的噪聲組合在一起
NtP2
detector
+ NtP2
hrea?h潯i?ier
NEP=
注解：NEPdetector=檢測(cè)器的噪聲等效功率
NEPpreamplifier=前置放大器的噪聲等效功率
(4)
等式（3）將信噪比（SNR）與給定硬件參數(shù)，天氣條件和目標(biāo)特性的范圍相關(guān)聯(lián)。
SNR 是評(píng)估激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能的重要參數(shù)。
檢測(cè)的概率是另一個(gè)重要參數(shù)，基于使用匹配濾波器的白噪聲中的脈沖檢測(cè)，檢測(cè)的概率是
Pd= 1 + 1 er? ( SNRt?NR t
(5)
注釋：Pd=檢測(cè)概率 erf（x）=單向誤差函數(shù)
t 2潯n (2 3·r·FtRt
TNR=閾值 - 噪聲比，表示如下：
TNR=
注釋：τ=脈沖寬度，F(xiàn)AR=平均誤報(bào)率= P fa. ·PRF,
2 2 2
(6)
Pfa=單脈沖誤報(bào)率，PRF=激光脈沖重復(fù)頻率
2.2 0.9μm 和 1.55μm 激光雷達(dá)之間的比較
通常，0.9μm 激光雷達(dá)僅在良好的可見(jiàn)度條件下具有協(xié)作障礙才表現(xiàn)出良好的性能; 為了檢測(cè)非合作障礙并改善惡劣天氣條件下的性能，需要 I 類以外的設(shè)備[6]，并且引起眼睛安全的問(wèn)題。 與 0.9μm 激光器相比，1.55μm 激光器對(duì)眼睛安全，霧化能力更強(qiáng); 因此允許的發(fā)射激光脈沖能量增加，并且提高了低可見(jiàn)度的檢測(cè)能力。
從等式（2）可以看出，大氣效應(yīng)限制了激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能。 雙向大氣透射系數(shù) Ta[7]
a
Ta=r2=exp(-2·σ·R) (7)
注解：大氣衰減系數(shù)σ為[7]
σ= 3th1 ( 入
t -q
Rv 0t??
(8)
注解：λ=激光波長(zhǎng)（μm） RV=可見(jiàn)距離（km） q=散射顆粒的尺寸分布
=1.6 高可見(jiàn)度（R v> 50 公里）
=1.3 對(duì)于平均可見(jiàn)度（6km
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