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試論降雨對(duì)汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)性能的影響論文
隨著我國(guó)高速公路事業(yè)的迅速發(fā)展，路網(wǎng)效應(yīng)逐步顯現(xiàn)，高速公路在客貨運(yùn)交通中的優(yōu)勢(shì)地位日漸明朗。然而與此同時(shí)，因雨霧等惡劣天氣引發(fā)的高速公路交通事故也在不斷增加。降雨對(duì)行車安全的影響主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：1)嚴(yán)重影響行車能見(jiàn)度;2)影響道路附著系數(shù);3)嚴(yán)重影響通行效率。汽車防撞技術(shù)是通過(guò)對(duì)道路環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便在危險(xiǎn)目標(biāo)出現(xiàn)的情況下，能夠輔助駕駛?cè)藛T進(jìn)行應(yīng)急處理，可以有效避免事故發(fā)生，對(duì)整個(gè)公路交通的安全起到至關(guān)重要的作用。但如果不考慮降雨的傳播特性和雜波特性，就會(huì)造成測(cè)量誤差，也無(wú)法滿足全天候工作需求。因此，研究降雨對(duì)汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)性能的影響，為設(shè)計(jì)合理的信號(hào)處理算法打下基礎(chǔ)，減小不同降雨率對(duì)通行能力和運(yùn)行車速的影響，同時(shí)降低惡劣天氣下的車禍發(fā)生率。
近年來(lái)，有關(guān)脈沖信號(hào)在連續(xù)介質(zhì)(湍流、電離層等)和離散隨機(jī)介質(zhì)(雨、霧等水凝物)中的傳播理論研究倍受關(guān)注，但卻很少涉及到對(duì)連續(xù)波在離散隨機(jī)介質(zhì)中傳播理論的研究。而連續(xù)波體制卻是汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)的常用體制，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、信號(hào)處理簡(jiǎn)易、分辨率高等特性被廣泛應(yīng)用于車載雷達(dá)系統(tǒng)。鑒于此，提出三角調(diào)頻連續(xù)波在雨介質(zhì)中的傳輸模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析，為提高降雨條件下汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)的性能提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
1 雨的物理特性
1.1 水的介電特性
液態(tài)水的復(fù)介電特性是研究降雨傳播特性的重
要參數(shù)，通常用相對(duì)介電常數(shù)或折射率表示。
1.2 雨滴散射
目前常用的車載雷達(dá)工作頻段為24、35、66、77GHz，針對(duì)以上4個(gè)頻段進(jìn)行研究。雨滴半徑通常介于0.05～4mm，半徑大于4mm 的雨滴具有不穩(wěn)定性，在下降過(guò)程會(huì)發(fā)生破裂。半徑小于1mm的雨滴大多為球形，對(duì)于更大半徑的雨滴，其形狀為底部有一凹槽的扁橢球形。由于主要討論雨滴的衰減效應(yīng)，未涉及雨滴的去極化現(xiàn)象，因此可把雨滴處理成球形，利用Mie理論精確求解其散射特性。
在利用Mie理論計(jì)算雨滴散射特性時(shí)，雨滴溫度取20℃，折射率應(yīng)用Ray公式。根據(jù)，分別計(jì)算汽車?yán)走_(dá)常用的工作頻段的消光系數(shù)與雨滴半徑a之間的關(guān)系。隨著頻率的增加，小雨滴的散射效應(yīng)越來(lái)越大，即歸一化的衰減截面增加得越來(lái)越快。同一頻率時(shí)，較小雨滴的衰減截面隨雨滴半徑的增大而增大，當(dāng)雨滴半徑增大到一定程度時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象并逐步減小。根據(jù)計(jì)算單個(gè)雨滴的后向散射系數(shù)可看出，隨著頻率的增加，后向散射效應(yīng)在小雨滴時(shí)增加得快，震蕩的峰值降低，對(duì)于同一頻率，隨著半徑的增大，震蕩現(xiàn)象逐步減弱。
1.3 雨滴衰減
一般情況下，降雨對(duì)低頻段的信號(hào)衰減比較小，對(duì)于10GHz以上的頻段，雨衰減的影響就非常明顯，并且隨著頻率的增高，雨衰減越來(lái)越嚴(yán)重。
2 降雨對(duì)FMCW 車載防撞雷達(dá)系統(tǒng)的影響
2.1 系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)模型
FMCW 體制的調(diào)制信號(hào)頻率與時(shí)間呈線性關(guān)系并具有周期性，一般采用三角波對(duì)其進(jìn)行調(diào)制。
3 結(jié)束語(yǔ)
利用降雨環(huán)境下的微波傳輸理論，通過(guò)分析降雨在雷達(dá)主要工作頻段24、35、66、77GHz的散射和衰減特性，提出了三角調(diào)頻連續(xù)波在雨介質(zhì)中的傳輸模型，并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，在降雨環(huán)境下，由降雨引起的回波信號(hào)衰減程度隨傳輸距離和降雨率的增大而增大，其中降雨率的影響比較明顯，當(dāng)降雨率較大時(shí)，有用信號(hào)將被強(qiáng)雨雜波淹沒(méi)，LFMCW 雷達(dá)會(huì)失去距離檢測(cè)能力，但只要找到合理的應(yīng)對(duì)之法，汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)在惡劣的氣象條件下依然可以發(fā)揮重要作用。下一步將對(duì)如何在強(qiáng)雜波背景下提取有用的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行研究，提出合理的信號(hào)處理算法，以滿足汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)全天候工作需求。
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