试论降雨对汽车防撞雷达系统性能的影响

随着我国高速公路事业的迅速发展，路网效应逐步显现，高速公路在客货运交通中的优势地位日渐明朗。然而与此同时，因雨雾等恶劣天气引发的高速公路交通事故也在不断增加。降雨对行车安全的影响主要表现在3个方面：1)严重影响行车能见度;2)影响道路附着系数;3)严重影响通行效率。汽车防撞技术是通过对道路环境进行实时监测，以便在危险目标出现的情况下，能够辅助驾驶人员进行应急处理，可以有效避免事故发生，对整个公路交通的安全起到至关重要的作用。但如果不考虑降雨的传播特性和杂波特性，就会造成测量误差，也无法满足全天候工作需求。因此，研究降雨对汽车防撞雷达系统性能的影响，为设计合理的信号处理算法打下基础，减小不同降雨率对通行能力和运行车速的影响，同时降低恶劣天气下的车祸发生率。

近年来，有关脉冲信号在连续介质(湍流、电离层等)和离散随机介质(雨、雾等水凝物)中的传播理论研究倍受关注，但却很少涉及到对连续波在离散随机介质中传播理论的研究。而连续波体制却是汽车防撞雷达系统的常用体制，因其结构简单、成本较低、信号处理简易、分辨率高等特性被广泛应用于车载雷达系统。鉴于此，提出三角调频连续波在雨介质中的传输模型，并对其进行仿真分析，为提高降雨条件下汽车防撞雷达系统的性能提供理论依据和技术支撑。

1 雨的物理特性

1.1 水的介电特性

液态水的复介电特性是研究降雨传播特性的重

要参数，通常用相对介电常数或折射率表示。

1.2 雨滴散射

目前常用的车载雷达工作频段为24、35、66、77GHz，针对以上4个频段进行研究。雨滴半径通常介于0.05～4mm，半径大于4mm 的雨滴具有不稳定性，在下降过程会发生破裂。半径小于1mm的雨滴大多为球形，对于更大半径的雨滴，其形状为底部有一凹槽的扁椭球形。由于主要讨论雨滴的衰减效应，未涉及雨滴的去极化现象，因此可把雨滴处理成球形，利用Mie理论精确求解其散射特性。

在利用Mie理论计算雨滴散射特性时，雨滴温度取20℃，折射率应用Ray公式。根据，分别计算汽车雷达常用的工作频段的消光系数与雨滴半径a之间的关系。随着频率的增加，小雨滴的散射效应越来越大，即归一化的衰减截面增加得越来越快。同一频率时，较小雨滴的衰减截面随雨滴半径的增大而增大，当雨滴半径增大到一定程度时，开始出现震荡现象并逐步减小。根据计算单个雨滴的后向散射系数可看出，随着频率的增加，后向散射效应在小雨滴时增加得快，震荡的峰值降低，对于同一频率，随着半径的增大，震荡现象逐步减弱。

1.3 雨滴衰减

一般情况下，降雨对低频段的信号衰减比较小，对于10GHz以上的频段，雨衰减的影响就非常明显，并且随着频率的增高，雨衰减越来越严重。

2 降雨对FMCW 车载防撞雷达系统的影响

2.1 系统发射信号模型

FMCW 体制的调制信号频率与时间呈线性关系并具有周期性，一般采用三角波对其进行调制。

3 结束语

利用降雨环境下的微波传输理论，通过分析降雨在雷达主要工作频段24、35、66、77GHz的散射和衰减特性，提出了三角调频连续波在雨介质中的传输模型，并对其进行了仿真分析。仿真结果表明，在降雨环境下，由降雨引起的回波信号衰减程度随传输距离和降雨率的增大而增大，其中降雨率的影响比较明显，当降雨率较大时，有用信号将被强雨杂波淹没，LFMCW 雷达会失去距离检测能力，但只要找到合理的应对之法，汽车防撞雷达系统在恶劣的气象条件下依然可以发挥重要作用。下一步将对如何在强杂波背景下提取有用的目标信号进行研究，提出合理的信号处理算法，以满足汽车防撞雷达系统全天候工作需求。