基于汽车防撞的激光测距系统

摘要： 随着高速公路的发展和汽车保有量的增长，汽车碰撞事故越来越多，行车安全问题成为备受关注的社会问题。为有效减少事故发生，关键是车辆采取主动防护措施。本系统利用相位激光测距的原理，使用先进的DSP 微处理器对采样数据进行处理，实现中短距离的高精度测量，实现报警或自动制动等操作防止汽车相撞。

1 引 言

随着汽车行驶速度和流量的不断增加，汽车碰撞事故越来越多，行车安全问题也越来越受到人们的重视。据有关统计分析，80 %以上的事故是由于司机反映不及时或判断失误引起的。由于被动防护手段可以在发生事故时保护车内人员的安全、降低车辆碰撞事故里死亡人数，降低车辆碰撞事故里死亡人数。本系统采用相位法激光测距技术，在测相前先进行混频处理，使测量更加简单可行，并采用先进的频域数字测相方法和改进的快速傅里叶变换，使得DFT 的运算大大简化，最终实现高精度测量和报警、自动制动等操作防止汽车相撞。

2 相位法测距的基本原理

相位法激光测距是用连续调制的激光光束照射被测目标并接收反射光，利用发射光和接收光之间光波的相位差包含的距离信息实现对目标距离的测量。设光以速度c 在大气中传播，调制波的频率为f，待测两点之间的距离为d，往返时间为t2d ,则两点之间往返一次的时间和距离之间的关系为

设在起始时刻t1发射的调制光光强为：

在接收时刻的调制光光强为

接收光与发射光的相位差为：

可得所测两点间的距离为：

其中，N 为相位差Φ中包含2π 的整数倍，ΔN 为不足整波数的尾数，λ 为调制波的波长。L=1 /2λ 称为测尺长度。

在实际应用中，由于无法确定N 的数值而采取增大调制光波长λ 的方法，即测尺长度L大于被测距离d 的2 倍。在本系统中所选测量量程为100 米，即调制波波长为200 米，调制波频率为1.5MHz。

3 系统硬件设计

本系统是采用ADSP-BF533开发平台设计的高精度激光测距系统。整个系统由BF533最小系统开发板、激光发射单元、激光接收单元、显示单元、报警单元、制动单元等组成。其结构框图如图1所示。

激光发射单元包括产生调制波信号的直接信号频率合成器（简称DDS）和激光器驱动电路。本系统选用的DDS是AD公司的一款四通道高速直接信号频率合成器AD9959。处理器通过SPI接口向DDS写入控制字产生两路频率相近的正弦信号，分别作为本振信号和主振信号。

液晶显示单元使用TFT-LCD液晶显示器。DSP处理器通过PPI口实现对TFT屏的驱动及图像和距离的实时显示；报警单元采用TI公司的TLV320AIC23B音频Codec芯片连接BF533处理器的SPORT口，实现音频报警功能。激光接收单元利用雪崩二极管将接收到的光信号转化为电信号，经过混频器AD831的混频处理后，利用AD转换器转换为数字信号通过SPI口进入微处理器。微处理器先利用FFT算法计算出相位差，再根据相应的算法分别采取报警或制动处理。

图1 系统结构框图

4 系统软件设计

4.1 软件流程图

系统的软件部分采用C语言编写，用MATLAB对信号进行仿真，最终在Visual DSP++环境下编译完成。软件流程框图如图2所示。系统上电后首先进行初始化工作，主要包括设置堆栈指针、初始化LCD、DDS、时钟等工作。初始化工作完成以后，系统进入键盘扫描等待状态。等有键按下时，判断是停止按键还是设置按键，如果是停止按键则系统停止运行，如果是设置状态，等完成设置后进入中断子程序。当有停止键按下时，系统停止运行。中断子程序流程图如图3所示。

图2 软件主流程图 图3 中断流程图

4.2 FFT的原理和实现

傅里叶变换是将信号由时域信号变换到频域信号，进而在频域内对信号进行分析的一种重要的工具。FFT显著地减小了DFT运算的强度，对于用DSP技术实现“实时”频谱分析有着重要价值。FFT的原理是通过许多小的更加容易进行的变换去实现大规模的变换。本系统的分解方法采样时域抽选法（DIT），这种方法是将输入序列的奇数点和偶数点分别抽取出来组成两个N/2点的序列进行DFT，产生的中间结果再通过N/2次的2点DFT合成，得到所需的输出结果。

一维离散傅里叶变换的公式为：

式中，n为输入离散信号f(n)的序列号，m是转换后F(m)的序列号，称为蝶形因子。

用二进序号表示的信号频率和DFT中采样点数以及采样频率有关的关系式是：

式中，f为信号频率，Δf 为频率分辨率， f s为A/D转换的采样频率，m为出现功率谱最大值的频率序号。当满足式（3.2）时，单一频率的FFT结果在功率上正好对应于一条谱线。

最后在幅度谱上取第m个频谱值的实部Re和虚部Im，按照公式（3.3）计算就可以得到输入信号的初始相位。

5 试验结果

由试验得出，在一定测向精度下，提高相位式测距仪精度的主要手段是提高激光测距仪的调制频率。频率与测尺长的关系如表4.1所示：

表1 调制频率与测尺长的关系

由于本系统所选测尺为100米，即调制频率为1.5MHz，测量精度为10cm。

6 结论

本系统利用相位激光测距的原理，使用先进的DSP微处理器对数据进行处理，采用改进的快速傅里叶变换（FFT）对采样的电信号进行频谱分析，实现了中短距离的高精度测量，并通过LCD数字显示单元实时显示出来，根据测得的实时距离采取相应处理，可以有效的防止汽车相撞事故的发生，其社会效益和经济效益都是巨大的。

[1].ADSP-BF533datasheethttp://www、dzsc、com/datasheet/ADSP-BF533_314552、html.
[2].AD9959datasheethttp://www、dzsc、com/datasheet/AD9959_1131346、html.
[3].TLV320AIC23Bdatasheethttp://www、dzsc、com/datasheet/TLV320AIC23B_10162、html.
[4].AD831datasheethttp://www、dzsc、com/datasheet/AD831_1055555、html.