CN102353954B

CN102353954B - 线性调频连续波汽车防撞雷达系统及使用方法

Info

Publication number: CN102353954B
Application number: CN 201110180308
Authority: CN
Inventors: 蒋留兵; 柴林峰; 车俐; 林和昀; 沈翰宁
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: CN102353954A

Abstract

本发明为线性调频连续波汽车防撞雷达系统及使用方法，本雷达系统的信息处理平台包括DSP和FPGA双处理器，FPGA的信息处理算法单元中含有时空复杂率分配模块。DSP有一个RAM，FPGA有双RAM，提高运算速度。FPGA配有串口、USB、I/O、PCI总线及光纤接口。FPGA可嵌入NIOS II。FPGA连接有人机界面的上位机，上位机可连接报警装置和/或自动刹车装置等。本系统使用方法为信息处理平台对实时数据计算处理，得到前方目标的位置和速度的实时数据，在人机界面显示。时空复杂率分配方法根据处理雷达信号算法的时空复杂率Q进行m-t分解，按上下门限将各种算法分别送给FPGA和DSP完成，充分二者的优势，工作流畅、效率高，实时反映车前图像，辅助安全驾驶，可保“防撞”。

Description

线性调频连续波汽车防撞雷达系统及使用方法

(一)技术领域

本发明涉及汽车预警技术领域，具体为一种线性调频连续波汽车防撞雷达系统及使用方法。

(二)背景技术

随着汽车数量的增加，汽车行驶安全问题日益受到重视。汽车结构的增强、安全气囊的安装、安全带的改进等只解决了汽车受到碰撞时的防护。为了真正解决防撞问题，需要安装雷达系统。

现今市场上适用于近距离低速情况下的倒车防撞雷达比较成熟，也已推广使用。但用于在汽车正常行驶中探测前方障碍物的前向防撞雷达还难以实际应用。以激光雷达防撞装置主要缺点是激光易受气候干扰，在雨或雾中使用会出现严重误报，而能见度差的雨天或雾天才最需要防撞装置。另外空气介质对光波的衰减率大，使激光雷达探测距离有限。

已出现有属于无线电波的线性调频连续波雷达系统，为了加快处理速度采用了数字信号处理器(DSP)和可编程门阵列的双处理器(FPGA)。DSP是串行处理结构，擅长解决空间复杂度的问题，而FPGA是并行处理结构，适合解决时间复杂度高的问题。但是目前还没有一套成熟的算法用以解决DSP和FPGA的分配，也就无法达到FPGA和DSP的资源得以充分的利用。

目前用于军事的无线电雷达，因无线电穿透力强，空气介质衰减小，故实时性好，稳定性好，测速测距精度均大幅提高，但若用于汽车防撞系统，需要解决后端的数字信号的高速处理，才能形成完善的实时测速、测距、控制、人机界面体系，辅助驾驶员安全驾驶。另外还得做到体积小、成本低，才能推广使用。

(三)发明内容

本发明的目的是设计一种线性调频连续波汽车防撞雷达系统及使用方法，将线性调频连续波雷达用于汽车防撞系统，采用数字信号处理器和可编程门阵列的双处理器结构，并设计了时空复杂率平均算法，充分利用和合理分配数字信号处理器和可编程门阵列，使系统高效率工作。

本发明设计的线性调频连续波汽车防撞雷达系统包括线性调频连续波雷达信息处理平台，该信息处理平台包括数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)连接组成的双处理器，数模转换器、下变频器、射频发射天线、模数转换器、上变频器、射频接收天线，射频接收天线接入下变频器，射频信号下变频为中频信号，下变频器的输出经模数转换器转为数字信号接入现场可编程门阵列的输入端，现场可编程门阵列的输出端经数模转换器转为模拟信号接入上变频器，上变频为射频信号接入射频发射天线。本发明的现场可编程门阵列含有数字下变频单元、数字上变频单元和信息处理算法单元，数字下变频单元与模数转换器相连接，将数字中频信号下变频为数字基带信号接入信息处理算法单元，数字上变频单元与信息处理算法单元的输出端相接将数字基带信号上变频为数字中频信号接入数模转换器。

现场可编程门阵列的信息处理算法单元中含有时空复杂率分配模块，接收的信息数据先进行时空复杂率平均算法，将各种雷达信号处理算法分割分配给现场可编程门阵列或数字信号处理器进行计算处理。

数字信号处理器接有一个随机存储器(RAM)，现场可编程门阵列接有双随机存储器(双RAM)，用于数据暂存，以提高运算速度。现场可编程门阵列的双随机存储器作为高速乒乓缓存器，比单数据缓冲器数据吞吐量提高一倍，提高算法执行效率。

为了增强数据吞吐率，现场可编程门阵列配有串行接口和USB接口(通用串行总线接口)以及普通的I/O(输入输出)接口，还增加了PCI总线(外部设备互连总线)接口以及光纤接口，这些的高速接口保证了实时数据的连续性。

现场可编程门阵列内可嵌入软核处理器NIOS II，NIOS II可用作备用CPU，增强FPGA接口功能，如利用NIOS II制作嵌入式人机交互界面等。

现场可编程门阵列连接上位机，上位机接有人机界面。现场可编程门阵列经所述PCI总线连接微型计算机或者现场可编程门阵列安装有嵌入式处理器，微型计算机或者嵌入式处理器连接人机界面，还有串行接口、USB接口和光纤接口。微型计算机或者嵌入式处理器可连接报警装置和/或自动刹车装置等。

现场可编程门阵列还接有复杂可编程逻辑器件(CPLD)，用于系统加密。

本发明设计的线性调频连续波汽车防撞雷达系统使用方法如下：连续波雷达信息处理平台发射线性连续波并接收其回波，雷达信息处理平台对发射波的强度、周期，回波的强度、周期、接收时间，本雷达运动速度和位置等实时数据进行雷达信号算法的计算处理，雷达信号算法包括雷达测距算法、多普勒测速算法、脉冲压缩算法、目标配对算法、恒虚警处理算法、匹配滤波器算法、镜像对消算法等，得到前方目标的位置和速度的实时数据，有关前方目标的实时数据送入上位机在人机界面显示前方实时画面，为驾驶员提供辅助信息，当前方目标的速度和与本车距离达到警戒值时，还可启动报警装置或自动刹车装置。

本雷达信息处理平台采用时空复杂率分配方法将处理雷达信号的各种算法分别送给数字信号处理器和现场可编程门阵列完成，以充分利用双处理器。

时间复杂度是度量算法执行的时间长短；而空间复杂度是度量算法所需存储空间的大小。时空复杂率分配方法以处理雷达信号的某算法A的时间复杂度和空间复杂度的比值Q为时空复杂率，按算法的Q值大小来确定该算法A选用数字信号处理器或现场可编程门阵列处理。

当算法A的Q→∞时，说明该算法A的时间复杂度远远大于空间复杂度，故选用适合解决时间复杂度高的现场可编程门阵列为最优化选择；当Q→1时，该算法A的时间复杂度和空间复杂度基本相等，此时选用数字信号处理器和现场可编程门阵列均可，但是考虑到系统响应时间，则还是选择现场可编程门阵列；当Q→0时，时间复杂度远远小于空间复杂度，故选用擅长解决空间复杂度的数字信号处理器。

实际上处理雷达信号的各种算法均并非是这三种极端情况。故将每种算法分解，其中接近Q→∞的子算法为时间复杂度较高的t部分，接近Q→0的子算法为空间复杂度较高的m部分，m部分通过数字信号处理器完成；t部分则通过现场可编程门阵列完成。

用概率统计常用雷达信号和各种处理算法特性，雷达信号处理算法可以分解为累加级数∑、累乘级数∏以及暂存变量M。其中∑和∏是纯时间复杂度的算法，M是纯空间复杂度算法，本发明设计m-t分解将算法中的∑、∏同M剥离。由于算法本身的复杂性，完全的m-t分解理论上来说是不可能的。

本发明设计的m-t分解设定某个算法A的时空复杂率为时间复杂度和空间复杂度的比值，Q＝时间复杂度(步)/空间复杂度(bit)，其中时间复杂度是度量算法执行的时间长短，其值为执行算法所需要的累加级数∑和累乘级数∏的步数总和；空间复杂度是度量算法所需存储空间的大小，其值为执行算法所需要的暂存空间比特(bit)量值M，Q的取值范围为(0，∞)，m和t的分界线为Q＝1处，根据常用雷达信号处理算法，推得归类门限，并设定归类下门限P₁＝0.01～0.1，上门限P₂＝150～300，如果算法A的时空复杂率Q≥P₂，则该算法A＝t，直接送交FPGA处理；而当该算法A的时空复杂率Q≤P₁时，则认为A＝m，直接分配给DSP处理；如果Q＝1，则归类为t，直接送交FPGA处理；如果1＜Q＜P₂或P₁＜Q＜1，则对该算法A进行m-t分解，将该算法A分为n个子算法，即子算法A1、子算法A2、……子算法An。对于各子算法的处理与算法A的处理相同，计算它们的时空复杂率Q1、Q2、……Qn，再用归类门限P₁和P₂判断各子算法可否归为t或m部分，用1＜Q＜P₂或P₁＜Q＜1判断是否继续分解；多重m-t分解至全部子算法、子子算法……均归为t部分或m部分，分配给现场可编程门阵列或数字信号处理器处理。

本发明线性调频连续波汽车防撞雷达系统的优点为：1、采用数字信号处理器和现场可编程门阵列双处理器结构，且按时空复杂率合理地将雷达信号的处理算法分配给二者，充分利用FPGA和DSP的优势，系统工作流畅、效率高；2、配有上位机，形成完善的实时测速、测距、控制、人机界面体系，人机界面实时反映汽车前方图像、辅助安全驾驶，且可在紧急时刻报警或启动刹车装置以保“防撞”；3、现场可编程门阵列的双随机存储器作为高速乒乓缓存器，比单数据缓冲器数据吞吐量提高一倍，提高算法执行效率；4、现场可编程门阵列配有串行接口和USB接口，还有PCI总线接口以及光纤接口，增强数据吞吐率，保证了实时数据的连续性；5、采用双处理器结构的雷达硬件平台，满足了数据吞吐和通用性的双重要求，在保证安全和精度的条件下降低成本；6、上位机同时能采用FPGA嵌入NIOS II软核处理器作为嵌入式人机界面，在保证PC上位机多种功能特性的前提下，增加了便携式低功耗界面系统。

本发明线性调频连续波汽车防撞雷达系统使用方法的优点为：采用m-t分解，按时空复杂率将计算量大要求速度高的算法交由FPGA处理，将重复度高，速度要求适中的算法交由DSP处理，充分发挥DSP和FPGA各自的优势，使双处理器协调工作，系统工作数据流畅，不会出现咽喉效应导致系统性能堵塞，高效地完成实时测速、测距和控制。

(四)附图说明

图1为本线性调频连续波汽车防撞雷达系统实施例结构示意图；

图2为本线性调频连续波汽车防撞雷达系统使用方法实施例m-t分解流程示意图。

(五)具体实施方式

线性调频连续波汽车防撞雷达系统实施例

本线性调频连续波汽车防撞雷达系统实施例如图1所示，包括线性调频连续波雷达信息处理平台，该信息处理平台包括数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)连接组成的双处理器，射频接收天线经下变频器、模数转换器(A/D)接入现场可编程门阵列的输入端，现场可编程门阵列的输出端经数模转换器(D/A)、上变频器接射频发射天线。本例现场可编程门阵列含有数字下变频单元DDC、数字上变频单元DUC和信息处理算法单元，数字下变频单元的输入端与模数转换器相连接、输出端接入信息处理算法单元，数字上变频单元的输入端与信息处理算法单元的输出端相接、输出端接入数模转换器。

所述现场可编程门阵列的信息处理算法单元中含有时空复杂率分配模块，接收的信息数据先进行时空复杂率平均算法，将各种雷达信号处理算法分割分配给现场可编程门阵列或数字信号处理器进行计算处理。

数字信号处理器接有一个随机存储器(RAM)，现场可编程门阵列接有双随机存储器(RAM1\RAM2)。

现场可编程门阵列配有串行接口、USB接口、普通的I/O接口，以及PCI总线接口以及光纤接口。

现场可编程门阵列嵌入软核处理器NIOS II。

本例的现场可编程门阵列经PCI总线连接微型计算机作为上位机，上位机接有人机界面和报警装置、自动刹车装置。

线性调频连续波汽车防撞雷达系统的使用方法实施例

本线性调频连续波汽车防撞雷达系统的使用方法实施例为连续波雷达信息处理平台发射线性连续波并接收其回波，雷达信息处理平台对发射波的强度、周期，回波的强度、周期、接收时间，本雷达运动速度和位置等实时数据进行雷达信号算法的计算处理，雷达信号算法包括雷达测距算法、多普勒测速算法、脉冲压缩算法、目标配对算法、恒虚警处理算法、匹配滤波器算法、镜像对消算法等，得到前方目标的位置和速度的实时数据，有关前方目标的实时数据送入上位机在人机界面显示前方实时画面，为驾驶员提供辅助信息，当前方目标的速度和与本车距离达到警戒值时，则启动报警装置或自动刹车装置。

本例雷达信息处理平台采用时空复杂率分配方法将处理雷达信号的各种算法分别送给数字信号处理器和现场可编程门阵列完成。

时空复杂率分配方法以处理雷达信号的某算法A的时间复杂度和空间复杂度的比值Q为时空复杂率，按算法的Q值大小来确定该算法A选用数字信号处理器或现场可编程门阵列处理。

当算法A接近Q→∞时，为时间复杂度较高的t部分，选用现场可编程门阵列；当Q→1时，该算法A的时间复杂度和空间复杂度基本相等，仍选择现场可编程门阵列；当算法A接近Q→0时，为空间复杂度较高的m部分，选用数字信号处理器。

图2所示为某个算法A的m-t分解流程示意图，本例设定归类下门限为P₁＝0.01923，上门限P₂＝200，如果算法A的时空复杂率Q≥P₂，则该算法A＝t，直接送交FPGA处理；而当该算法A的时空复杂率Q≤P₁，则A＝m，分配给DSP处理；当该算法A的Q＝1，也归类为t，直接送交FPGA处理；如果1＜Q＜P₂或P₁＜Q＜1，则对该算法A进行m-t分解，将该算法A分为n个子算法，即子算法A1、子算法A2、……子算法An。对于各子算法的处理与对算法A的处理相同，判断各子算法的时空复杂率Q1、Q2、……Qn，同样用归类门限P₁和P₂判断各子算法可否归为t或m部分，用1＜Q＜P₂或P₁＜Q＜1判断是否需要继续分解。经过多重m-t分解至全部子算法、子子算法……均归为t部分或m部分，即算法A经多重m-t分解后按时空复杂率分配给FPGA或DSP处理。

以杂波抑制的MTD算法为例，其中包含512*2点时间维FFT和8点的速度维FFT，同时包含数据调配算法。MTD算法流程为：读取数据→时间维FFT(512点复数)→调整数据→速度维FFT(8点复数)→输出数据。分析整个MTD算法流程，其中时间复杂度＝20992，空间复杂度＝464，通过计算得出时空复杂率Q＝45.24137，得出1＜Q＜200，根据上述时空复杂率判决准则，MTD算法需要进行m-t分解，设MTD算法＝A，按其流程分为4个子算法：A1＝时间维FFT(512点复数)，A2＝调整数据，A3＝速度维FFT(8点复数)，A4＝读取数据+输出数据。通过计算得出，Q1＝256，Q2＝1，Q3＝256，Q4＝1。算法A2和A4归类为t部分，交由FPGA处理。因Q1和Q3均大于200，A1和A3归类为t部分，也交由FPGA处理。一次分解后，不存在有1＜Q＜P₂或P₁＜Q＜1的子算法，所以分解终止。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.线性调频连续波汽车防撞雷达系统，包括线性调频连续波雷达信息处理平台，该信息处理平台包括数字信号处理器和现场可编程门阵列连接组成的双处理器，数模转换器、下变频器、射频发射天线、模数转换器、上变频器、射频接收天线，射频接收天线接入下变频器，下变频器的输出经模数转换器接入现场可编程门阵列的输入端，现场可编程门阵列的输出端经数模转换器接入上变频器，再接入射频发射天线；其特征在于：

所述现场可编程门阵列含有数字下变频单元、数字上变频单元和信息处理算法单元，数字下变频单元的输入端与模数转换器相连接、输出端接入信息处理算法单元，数字上变频单元的输入端与信息处理算法单元的输出端相接、输出端接入数模转换器；

所述现场可编程门阵列的信息处理算法单元中含有时空复杂率分配模块，接收的信息数据先进行时空复杂率平均算法，将各种雷达信号处理算法分割分配给现场可编程门阵列或数字信号处理器进行计算处理；

采用时空复杂率分配方法将处理雷达信号的各种算法分别送给数字信号处理器和现场可编程门阵列完成；

所述时空复杂率分配方法以处理雷达信号的某算法A的时间复杂度和空间复杂度的比值Q为时空复杂率，其中时间复杂度的值为执行算法所需要的累加级数Σ和累乘级数Π的步数总和；空间复杂度的值为执行算法所需要的暂存空间比特量值，Q的取值范围为(0,∞)；设定归类下门限P₁=0.01～0.1，上门限P₂=150～300；当算法A的时空复杂率Q≥P₂，则该算法A= t，送交现场可编程门阵列处理；当该算法A的时空复杂率Q≤P₁时，则该算法A=m，分配给数字信号处理器处理；当Q=1，则归类为t，送交现场可编程门阵列处理；当1＜Q＜P₂或P₁＜Q＜1，则对该算法A进行m-t分解，将该算法A分为n个子算法，即子算法A1、子算法A2、……子算法An；对于各子算法的处理与算法A的处理相同，计算它们的时空复杂率Q1、Q2、……Qn，再用归类门限P₁和P₂判断各子算法是否归为t或m部分，用1＜Q＜P₂或P₁＜Q＜1判断是否继续分解；经过多重m-t分解至全部子算法、子子算法……均归为t部分或m部分，分配给现场可编程门阵列或数字信号处理器处理。

2.根据权利要求1所述的线性调频连续波汽车防撞雷达系统，其特征在于：

所述数字信号处理器接有一个随机存储器，所述现场可编程门阵列接有双随机存储器。

3.根据权利要求1所述的线性调频连续波汽车防撞雷达系统，其特征在于：

所述现场可编程门阵列配有串行接口、USB接口、PCI总线接口和光纤接口中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的线性调频连续波汽车防撞雷达系统，其特征在于：

所述现场可编程门阵列嵌入软核处理器NIOS II。

5.根据权利要求1所述的线性调频连续波汽车防撞雷达系统，其特征在于：

所述现场可编程门阵列经PCI总线连接微型计算机或者现场可编程门阵列安装有嵌入式处理器，微型计算机或者嵌入式处理器作为上位机连接人机界面，还连接报警装置和/或自动刹车装置。

6.根据权利要求1所述的线性调频连续波汽车防撞雷达系统，其特征在于：

所述现场可编程门阵列还接有复杂可编程逻辑器件。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的线性调频连续波汽车防撞雷达系统的使用方法，其特征在于：

连续波雷达信息处理平台发射线性连续波并接收其回波，雷达信息处理平台对发射波的强度、周期，回波的强度、周期、接收时间，本雷达运动速度和位置的实时数据进行雷达信号算法的计算处理，得到前方目标的位置和速度的实时数据，有关前方目标的实时数据送入上位机在人机界面显示前方实时画面，当前方目标的速度和与本车距离达到警戒值时，启动报警装置和/或自动刹车装置。