CN101339246A - 混沌信号雷达汽车防撞系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混沌信号雷达汽车防撞系统及其方法，其特点是该系统由混沌激光器产生的混沌信号作为雷达载波信号，经功率分束器后，一部分作为发射信号，另一部分作为参考信号；该方法是通过相关法相关回波信号与参考信号得到回波信号的延迟时间而计算得到目标障碍物的距离，通过一定时间间隔内的距离差计算目标障碍物的相对速度。本发明通过激光器的非线性特征产生混沌信号作为雷达的载波，得到宽带混沌信号，提高了车载雷达的抗干扰能力，准确地实现相应的报警与制动，避免事故的发生，而且结构简单，性能稳定，价格低廉，实用于各种车载使用。

Description

混沌信号雷达汽车防撞系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种雷达汽车防撞系统及方法，具体地说，是一种用混沌信号雷达系统实现汽车防撞的系统及方法。

背景技术

在公路交通日益发达的今天，汽车已成为人们的重要交通工具之一，而行车安全就成为人们普遍关注的问题，在此情况下，以汽车防撞雷达为核心的安全驾驶辅助监控技术应运而生。从1971年开始，出现了超声波，激光，微波等多种主动汽车防撞雷达系统及方法。超声波雷达系统由于目标鉴别能力差，测量距离近等缺点，主要用于汽车后视雷达。激光雷达系统受大气情况，比如，雨、雾和灰尘等影响比较大，很难用于汽车防撞系统。相比较而言，微波汽车防撞雷达系统应用最为广泛。

但对于现有微波雷达技术而言，这些系统存在一个严重缺陷是相同雷达系统之间的相互干扰问题。当自身车辆周围存在其他同种车载雷达系统时，无法区分接收到的信号是自身车辆雷达系统发出的信号还是其他车载雷达系统发出的信号，容易产生混淆而导致虚警。为了有效的避免这种现象的发生，一种方法是采用对每个车载雷达系统进行编码，已有相关专利公开了这种方法，如：US572414，US015678A1，JP423638等，但是编码技术增加了汽车防撞雷达系统的技术难度和成本。另一种方法是采用随机码调制的随机信号雷达系统。目前已有较多文献和专利对此进行了报道，并且已有专利公开了随机信号雷达在车载防撞系统的应用，如：US6121915。但是受到随机码长和调制速率的限制，其距离分辨率较低，存在虚警问题。曾有中国专利CN00109204提出了一种用高频三级管产生高速随机码的方法，随后又有专利CN1335516A采用高速混沌码做雷达调相信号源的方法，但得到的脉冲宽度都在50ns左右，相应的测距精度为7.5m左右，测量精度较差，对于汽车防撞监控不够理想，容易产生虚警。

混沌信号具有不可预测的类噪声特点，因此具有天然的抗干扰能力，无需调制，不受码长的限制，从而在雷达以及汽车防撞系统应用方面更具有优越性。目前混沌信号雷达尚属于起步阶段，在研究中用到的混沌信号或是对热噪声的放大，或是利用非线性电路产生，如：文献1(张锡祥：“噪声雷达原理及其应用”，电子对抗技术，1995年2期)和已经公开的专利CN1952685A，由于受到电子器件带宽的限制，所得到的微波混沌信号带宽小，测量精度低，且成本高。2006年8月在英国举行的“Workshop on Transmission of Chaotic Signal”上，美国宇航局报道了他们研制的混沌雷达的原理性样机，其中的混沌信号由“Yong-Silva”混沌电路产生，带宽仅200MHz(S.Osofsky，A.M.Young，C.P.Silva，A chaotic radar demonstrationsystem，Workshop on Transmission of Chaotic Signals，Univeristy of Bristol，August，2006，UK.)。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有汽车防撞雷达系统的不足，提供一种用于汽车防撞系统，具有较高的抗干扰能力且测距精度高的混沌信号雷达汽车防撞系统，本发明还进一步提出了使用该系统的方法。

本发明提供一种混沌信号雷达汽车防撞系统，包括混沌激光器，光电探测器，功率分束器，功率放大器，发射天线，接收天线，数字相关器，信号处理器，声光报警器，显示器，制动系统。其混沌激光器由激光器I、准直透镜、分束器、光衰减器、和反射镜构成，且依次通过光连接，或由激光器II、光纤耦合器、光衰减器、偏振控制器和激光器II构成，且依次通过光纤接口连接，或是将激光器II、光纤耦合器、光衰减器和偏振控制器依次由光纤接口连接后，再由光连接反射镜

上述的混沌信号雷达汽车防撞系统，其特征在于：混沌激光器产生的混沌激光输入到光电探测器，光电探测器将混沌激光转化为电信号后输入功率分束器。功率分束器一个输出端的信号作为参考信号接入数字相关器，另一输出端的信号作为探测信号输入放大器。放大器的输出接入发射天线。发射天线发射的宽带混沌信号遇到目标障碍物后发生反射，接收天线对反射回波信号进行接收。接收天线的输出依次接入放大器和数字相关器，数字相关器的输出接入信号处理器，信号处理器的输出接入显示器，声光报警器，以及制动系统。

上述的混沌信号雷达汽车防撞系统，其特征在于所述的激光器I是窗口输出的半导体激光器；激光器II是光纤输出的半导体激光器。

上述的混沌信号雷达汽车防撞系统，其特征在于所述的信号处理器可以使用基于微处理器，DSP或FPGA的嵌入式处理系统。

本发明用于上述系统进行汽车防撞的方法，其特征在于它是按下列步骤进行的：首先是利用光反馈或光注入的方式，混沌激光器产生宽带的混沌激光，经由光电探测器转换成电信号后输入到功率分束器。功率分束器将混沌信号分成两束，一部分作为探测信号经由发射天线发射出去，另一部分作为参考信号。其次是数字相关器对接收到的具有时延的回波信号和参考信号进行互相关运算，通过相关测距法得到目标障碍物的距离，并将结果输入信号处理器。最后是信号处理器根据一定时间间隔内测得的距离差计算出目标障碍物的相对速度。当目标障碍物的距离小于预先设置的报警距离(此预置报警距离根据汽车与障碍物的相对速度不同而不同，可在1m～100m间调节)时由信号处理器控制声光报警器进行声光报警，同时根据测得的目标障碍物的相对速度控制制动系统做出相应的制动控制。

上述的混沌信号雷达汽车防撞系统的使用方法，还在于该系统首先通过光反馈或光注入实现混沌激光输出，而后输出的混沌激光经过光电探测器转换成电信号作为混沌雷达的载波进行目标探测。

本发明混沌信号雷达汽车防撞系统具有的积极效果在于该系统通过半导体激光器的非线性特征产生宽带的混沌信号，产生的混沌激光信号带宽可达5GHz以上，测量精度达厘米级，对窄带噪声和宽带噪声均有较强的抗干扰能力，其时域波形与噪声类似，抗截获能力强。与传统车载雷达系统相比，能够避免传统车载雷达系统的相同系统之间的相互干扰问题，提高车载雷达的抗干扰能力。利用半导体激光器的非线性特征能够比较容易的产生宽带的混沌信号，具有结构简单，性能稳定，价格便宜等优点。基于半导体激光器的非线性特征产生宽带混沌信号的混沌信号雷达汽车防撞系统，具有高的带宽，高的抗干扰能力，厘米级的测距精度。

附图说明

图1是本发明的原理结构示意图

图2是混沌激光器的一个具体结构示意图

图3是混沌激光器的另一个具体结构示意图

图4是混沌激光器的另一体结构示意图

图5是本发明的方法流程图

图中：1：激光器I  2：准直透镜  3：分束器  4：光衰减器  5：反射镜  6：激光器II  7：光纤耦合器  8：偏振控制器

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步的详细说明

一、混沌信号雷达汽车防撞系统

如图1所示，本发明包括：混沌激光器，光电探测器，功率分束器，功率放大器，发射天线，接收天线，数字相关器，信号处理器，声光报警器，显示器，制动系统。

(a)混沌激光器产生宽带混沌激光信号，输入光电探测器转化为电信号，经过功率分束器后一部分信号被功率放大器放大后作为探测信号接入发射天线发射出去。

(b)经过功率分束器后另一部分作为参考信号接入数字相关器。

(c)发射天线发射的混沌信号遇到目标障碍物后被反射，具有时延和频移的回波信号被接收天线接收，并输入功率放大器进行放大。被功率放大器放大后的探测信号接入数字相关器

(d)数字相关器对接收到的参考信号和探测信号进行相关，数字相关器的输出接入信号处理器，得到目标障碍物的速度，距离等信息。

(e)信号处理器的输出接入显示器，声光报警器，以及制动系统。由显示器实时显示目标障碍物的距离以及相对速度。当目标障碍物的距离以及相对速度达到预定的门限值时控制制动系统进行制动与声光报警器进行报警。

以下具体阐述各个部分的实施方式：

混沌激光器利用半导体激光器的非线性特征产生混沌激光，这是本发明的关键创新之处，其具体实现方式见下面的混沌激光器实施方式。

光电探测器可以采用高速/高增益雪崩二极管，如上海派铼兹科贸有限公司的AD230-8(T052S1)，该产品的截止频率为2GHz，增益为200。

功率分束器为单路输入双路输出的功率分束器，市场上可选产品很多。如南京万全信息有限公司的XKG-2一分二功率分束器，该功率分束器的工作频率范围为0.8GHz-2.5GHz.

发射天线和接收天线可以采用喇叭口天线形式，可选用西安恒达微波技术开发有限公司的双脊喇叭天线HD-0220DRHA，工作频段为200MHz-2GHz。

数字相关器：包括数据采集卡以及数字相关芯片。首先利用高速数据采集卡对输入到数字相关器的参考信号和探测信号进行模/数变换，然后利用数字相关芯片对模/数变换得到的数字信号进行相关。数字相关芯片可以选用美国TRW公司推出的相关运算芯片TMC2032，TMC2032是一种新型的全数字相关器电路，其相关字长和相关门限可编程。数据采集卡属于已有技术，可选产品较多，不再详述。

信号处理器可以使用基于微处理器，DSP或FPGA的嵌入式处理系统来实现，属于已有技术，不再详述。

功率放大器，声光报警器，显示器，制动系统的具体组成，结构及其作用属于已有技术，不再详述。

混沌激光器实施方式：

实施方式一：

图2是利用光反馈实现混沌激光输出的混沌激光器的一种结构示意图。

混沌激光器包括激光器I 1、准直透镜2、分束器3、光衰减器4和反射镜5，它们之间依次通过光连接。

激光器I 1选用商用窗口输出的半导体激光器，输出中心波长为808nm激光，输出光经过准直透镜2后经由分束器3分成两束，透射光和与透射光方向垂直的反射光，透射光经过一个光衰减器4后由反射率为85％的反射镜5反射回激光器I 1并产生混沌激光。分束器3的反射光作为混沌光器的输出。

实施方式二：

图3是利用光注入实现混沌激光输出的混沌激光器的一种结构示意图。

混沌激光器包括注入激光器II 6、光纤耦合器7、光衰减器4、偏振控制器8和被注入激光器6且它们之间依次通过光纤连接。

激光器II 6选用商用光纤输出的半导体激光器(LDM5S752)，输出中心波长为1550nm，输出光依次经过光纤耦合器7、光衰减器4和偏振控制器8进入被注入激光器II 6。被注入激光器II 6产生的混沌激光由光纤耦合器7一端输出。

实施方式三：

图4是利用光反馈实现混沌激光输出的混沌激光器的一种结构示意图。

混沌激光器包括激光器II 6、光纤耦合器7、光衰减器4和偏振控制器8依次由光纤接口连接后，再由光与反射镜5连接

激光器II 6选用商用半导体激光器(LDM5S752)，输出中心波长为1550nm，输出光依次经过光纤耦合器7、光衰减器4和偏振控制器8后经由反射镜5反射回激光器II 6，激光器II 6产生的混沌激光经由光纤耦合器7一端输出。

上述三种实施方式中所用到的激光器以及光学元件均为普通器件，市场上可选产品比较多，具体结构以及作用不再详述。

二、混沌信号雷达汽车防撞系统的方法

见图5所示的方法流程图，方法步骤如下：

第一，目标汽车的探测。接通激光器电源，利用光反馈或光注入的方式，混沌激光器产生混沌激光。混沌激光经由光电探测器转换成电信号后输入到功率分束器。功率分束器将混沌信号分成两束，一部分作为探测信号经由发射天线发射出去进行目标探测，另一部分作为参考信号。当有障碍物时，探测信号被反射回来。反射回来的回波信号被接收天线接收。

第二，利用相关测距法得到目标障碍物的距离。数字相关器对参考信号和接收到的具有时延的回波信号进行互相关运算，根据相关结果得到回波信号相对于参考信号的延迟时间，即探测信号探测目标的往返时间τ，利用公式L＝τC/2得到目标障碍物的距离，C为光速，并将结果输入信号处理器。

第三，目标障碍物相对速度的计算。信号处理器根据一定时间间隔t内测得的距离差ΔL计算出目标障碍物的相对速度V。即：V＝ΔL/t。

第四，报警与防撞。当目标障碍物的距离小于预先设置的距离(此距离与汽车与障碍物的相对速度有关，可在1m～100m间调节)时，由信号处理器控制声光报警器进行声光报警，同时根据测得的目标障碍物的相对速度控制制动系统做出相应的制动控制。

该混沌信号雷达汽车防撞系统由测距、测速雷达，以及报警，制动等组成，具有测距，测速，智能避撞等功能，并且造价低，结构简单。该混沌信号雷达汽车防撞系统的方法可以快速准确测量距离与速度，实施报警与制动，能有效地防止汽车之间以及汽车与障碍物之间的碰撞，具有巨大的经济效益和社会效益。

Claims (9)

1.混沌信号雷达汽车防撞系统，包含有混沌激光器、光电探测器、功率分束器、功率放大器、发射天线、接收天线、信号处理器、声光报警器、显示器、数字相关器和制动系统，其特征在于：混沌激光器产生的混沌激光输入到光电探测器，光电探测器将混沌激光转化为电信号后输入功率分束器，功率分束器一个输出端的信号作为参考信号接入数字相关器，另一输出端的信号作为探测信号输入功率放大器；功率放大器的输出接入发射天线，发射天线发射的宽带混沌信号遇到障碍物后发生反射，接收天线对反射回波信号进行接收，接收天线的输出依次接入功率放大器和数字相关器，数字相关器的输出接入信号处理器，信号处理器的输出接入显示器，声光报警器以及制动系统。

2.权利要求1所述的混沌信号雷达汽车防撞系统，其特征在于混沌激光器是由激光器I(1)、准直透镜(2)、分束器(3)、光衰减器(4)和反射镜(5)构成，且依次由光连接；

或者是由激光器II(6)、光纤耦合器(7)、光衰减器(4)、偏振控制器(8)和激光器II(6)构成，并依次通过光纤接口连接；

或者是将激光器II(6)、光纤耦合器(7)、光衰减器(4)和偏振控制器(8)依次由光纤接口连接后，再由光连接反射镜(5)。

3.权利要求2所述的混沌信号雷达汽车防撞系统，其特征在于激光器I(1)是窗口输出的半导体激光器；激光器II(6)是光纤输出的半导体激光器。

4.权利要求1所述的混沌信号雷达汽车防撞系统，其特征在于信号处理器是微处理器、DSP或FPGA的嵌入式处理系统。

5.一种用于混沌信号雷达汽车防撞系统的方法，该方法是由下列步骤进行：

(1)通过光反馈或光注入的方式，混沌激光器产生宽带的混沌激光，经由光电探测器转换成电信号后输入到功率分束器，功率分束器将混沌信号分成两束，一部分作为探测信号经由发射天线发射出去，另一部分作为参考信号；

(2)数字相关器对接收到的具有时延的回波信号和参考信号进行互相关运算，通过相关测距法得到目标障碍物的距离，并将结果输入信号处理器；

(3)信号处理器根据一定时间间隔内测得的距离差计算出目标障碍物的相对速度，当目标障碍物的距离小于预先设置的报警距离(此预置报警距离根据汽车与障碍物的相对速度不同而不同，可在1m～100m间调节)时，由信号处理器控制声光报警器进行声光报警，同时根据测得的目标障碍物的相对速度控制制动系统做出相应的制动控制。

6.权利要求1或5所述的混沌信号雷达汽车防撞系统的方法，其特征在于目标障碍物是混沌信号雷达汽车防撞系统所能够探测到的动态和静态的物体。

7.权利要求5所述的混沌信号雷达汽车防撞系统的方法，其特征在于通过数字相关器对接收到的具有时延的回波信号和参考信号进行互相关运算，得到探测信号探测目标障碍物的往返时间，从而得到目标障碍物的距离。

8.权利要求5所述的混沌信号雷达汽车防撞系统的方法，其特性在于根据时间间隔内目标障碍物的距离差计算目标障碍物的相对速度。

9.权利要求5所述的混沌信号雷达汽车防撞系统的方法，其特征在于混沌激光器是基于半导体激光器的非线性特征，通过光反馈或光注入产生宽带混沌信号。

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