CN101354438A - 毫米波时分线性调频多目标检测汽车防撞雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线电定位雷达技术领域，具体是一种毫米波时分线性调频多目标检测汽车防撞雷达。采用全相参收/发基准信号，时分时序异步控制，收/发两用准光集成介质透镜天线阵列由DSP按车道扫描波束警戒路面可能发生碰撞的目标，路况摄像结合本车速及GPS数据MCU控制时分n路调制频率和波形毫米波线性锁相调频，经R/T₂、环形器、波束开关、天线阵列发射，回波经天线阵列、波束开关、环形器、R/T₁、低噪声高放、分谐波混频、中放、时分电路、多目标信号相关匹配滤波在DSP与MCU处理控制，遇多个路障目标DSP抑制虚警确定方位、距离和相对速度，CRT显示三维图像，目标距离越近分辨力越高，识别与本车最近距离的目标，小于安全距离声光报警，接近危险距离智能避障或减速、刹车，其控制参考路况、本车速及GPS数据作出抉择，显著提高汽车行驶安全。

Description

毫米波时分线性调频多目标检测汽车防撞雷达

技术领域

本发明涉及无线电波发射和接收探测目标方位、距离和速度的技术领域，具体是一种毫米波时分线性调频多目标检测汽车防撞雷达。

背景技术

目前，汽车等机动车大量增多，道路拥挤超负荷，车祸频繁发生，造成大量的生命伤亡和重大的财产损失，成为全世界严重的社会问题，美、欧、日本等国投入大量人力和物力研制先进防撞雷达，由于汽车防撞雷达工作环境和条件十分苛刻，快速行驶的车辆避撞过程的时间极短，不足一秒钟，技术要求很高，存在不少难题需解决。据分析，FM-CW调频连续波防撞雷达局限于检测单个目标，实际路况行驶多辆汽车、摩托车、电动车、自行车，还有众多行人，因此不可避免地会出现遇到多个路障目标的问题。而不同目标雷达反射截面RCS是不同的，其距离远近回波延时必然不同，运动速度不同其多普勒频移不同。调频调制信号用单一频率、波形作为检测信号的标志，不能对观察区域内所有目标同时无模糊测距、测速。且对可能发生碰撞的目标大小、距离远近分辨力单一，相邻多个目标回波相互交调、串扰对检测数据分辨产生困难影响判断。由于调频连续波雷达发射能量辐射泄漏阻塞接收回波信号，降低检测弱小目标回波信号。天线使用喇叭结构水平方向角度分辨力不够高，道路弯曲时更差，反射式天线抛物面机扫速度慢抗振防尘、防蚀差故障率高，并影响汽车外观和气动性，微带天线毫米波频率损耗较大。此外，简单雷达显示器不能显示全景信息图像，对多个目标相对位置、距离远近及相对移动速度不能作出准确预警。脉冲体制雷达发射脉宽遮挡回波接收信号存在盲距，不宜汽车近距防撞检测，汽车行驶在高速公路上无后视预警防撞雷达时有发生多辆汽车追尾相撞的可能，天气能见度差时形势更为严峻。现有汽车防撞雷达缺少用传感器信号构成闭环控制的功能，缺少道路环境天线自适应控制和自动避障、减速及刹车的智能控制，能见度差或行驶遇险情不及时帮助司机解危避免事故。

发明内容

本发明的目的是提供相对快速的同时测定多个路障目标方位、距离和速度的一种毫米波时分线性调频多目标检测汽车防撞雷达。

本发明技术方案设有：设有环形器、中放、声表器件SAW匹配滤波器组、数据缓冲存储器FIFO、数字信号处理器DSP、微控制器MCU、双口存储器RAM、接口I/O、路况摄像传感器、本车速传感器、卫星定位传感器GPS、声光报警器、避障器、减速器、刹车器、键盘，还设有收/发两用准光集成介质透镜天线阵列、波束开关、收/发开关T/R₁、T/R₂、频率合成器、时分电路、低噪声高放、分谐波混频器、毫米波时分线性调频器、调制信号发生器、多目标信号提取电路、光栅扫描图像显示器CRT，其中，收/发两用准光集成介质透镜天线阵列按路面最多车道量在车体前后设置线阵，频率合成器输出fc₁接入时分电路为时钟信号、fc₂接入DSP为时钟信号、fc₃接入MCU为时钟信号，DSP按车道编码脉冲分配序列接入波束开关、CRT，时分电路预置经接口I/O接入MCU，路况摄像传感器、本车速传感器、卫星定位传感器GPS信号经接口I/O接入MCU控制时分电路生成n路时分脉冲，高电平逻辑“1”接入收/发开关T/R₂，低电平逻辑“0”接入T/R₁，频率合成器输出f_N接入毫米波时分线性调频器锁定基频，二或四次谐频为发射载频f₀，频率合成器输出fm接入调制信号发生器为基准频率，调制信号发生器频率、波形变换预置端经接口I/O接入MCU，路况摄像传感器、本车速传感器、卫星定位传感器GPS信号MCU控制调制信号发生器产生n组调制信号频率和波形，在时分电路编码为频率递增排列的n路脉冲接入毫米波时分线性调频器，经T/R₂至环形器、波束开关，天线阵列发射，频率合成器输出f_L接入分谐波混频器为内在二或四次倍频本振信号、f_i接入多目标信号提取电路为中频相干检波基准信号，回波射频经天线阵列、波束开关、环形器、T/R₁、低噪声高放、分谐波混频器、中放，n路脉冲在时分电路时序异步选通门选取发射编码的n组目标信号经声表器件SAW匹配滤波器组、多目标信号提取电路、数据缓冲存储器FIFO接入DSP数据总线，DSP与MCU数据总线、地址线、控制线经双口存储器RAM汇接及提供仲裁信号，接口I/O分别接入CRT、声光报警器、避障器、减速器、刹车器、键盘，DSP软件设计片内分组时分复用数据重排、动目标显示MTI、快速傅里叶变换FFT、距离旁瓣抑制、恒虚警处理CFAR，MCU系统软件编程包括主程序和数据采集、数据处理、对象控制子程序，中放检出自动增益控制AGC电压经滤波、放大接入低噪声高放、中放AGC控制端，频率合成器、时分电路、低噪声高放、分谐波混频器、波束开关、环形器、收/发开关T/R₁、T/R₂、毫米波时分线性调频器集成为雷达收/发电路，屏蔽；

其中，频率合成器由恒温晶振、晶振分频器、倍频放大链、混频器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器VCO、环路分频器组成，VCO由砷化镓高电子迁移率晶体管GaAsHEMT、介质谐振器反馈振荡变容管压控调谐，环路分频器由前置分频器和可编程分频器组合，可编程分频器分频控制端接口I/O经接入微控制器MCU，恒温晶振输出分两路，一路经倍频放大链与VCO输出接入混频器后，再经环路分频器接入鉴相器，另一路经晶振分频接入鉴相器，鉴相电压经环路滤波器压控VCO锁相频率合成，VCO输出f_N锁定毫米波时分线性调频器基频，输出谐频为雷达载频f₀，f_N经定向耦合器为分谐波混频器内在倍频本振信号f_L，可编程分频器输出f_i为中频相干检波基准信号、fm为调制基准信号、fc₁为时分时钟信号、fc₂为DSP时钟信号、fc₃为MCU时钟信号；

收/发两用准光集成介质透镜天线阵列由介质基片微带双偶极振子集成天线、介质透镜、阵列基座、防护罩构成，介质透镜是一端面为半球体，另一端面为圆柱体截面，介质基片微带双偶极振子集成天线紧贴放置在介质透镜的圆柱截面为馈源，介质透镜半球端面为天线辐射面，天线阵列按路面最多车道量设置收/发两用线阵，在车前、后方向一车道设至少一透镜天线，阵元水平直线排列安置在阵列基座上，外置防护罩，数字信号处理器DSP按车道编码脉冲分配序列接入波束开关和光栅扫描图像显示器CRT坐标变换器；

波束开关在天馈波导传输线集成PIN二极管芯片，串、并联为单刀单掷开关SPST，控制偏压经低通网络接入数字信号处理器DSP按车道编码脉冲分配序列，多个SPST波束开关组合成单刀多掷开关，收/发开关T/R₁、T/R₂设在环形器收/发分支处，均由PIN二极管芯片，串、并联为单刀单掷开关SPST，偏压经低通网络由时分脉冲高电平逻辑“1”接入T/R₂，低电平逻辑“0”接入T/R₁；

毫米波时分线性调频器由毫米波压控振荡器VCO、环路滤波器LF、鉴相器DP组成，其VCO由耿管Gunn、超突变结变容管及电容芯片、鳍线波导、悬置微带线构成，鳍线设单脊周期栅，耿管Gunn谐振电路、变容管调谐支路匹配安装在单脊鳍线上，偏压、调制信号经接地旁路电容悬置微带线引入，频率合成器输出f_N与其VCO基频信号接入鉴相器DP，相差电压经环路滤波器LF接至VCO变容管压控端，并接入n路时分脉冲线性调频，由输出波导隔离基频选取二或四次谐频为雷达发射载频f₀，VCO单独屏蔽；

调制信号发生器由并行的n组前置分频器M、锁相环PLL、可编程分频器N、数字波形变换器WV组成，频率合成器输出fm接入调制信号发生器为基准频率，可编程分频器N分频预置端、数字波形变换器WV计数预置经接口I/O接入微控制器MCU，路况摄像、本车速传感器卫星定位传感器GPS信号在MCU控制调制频率递增的n组锁相环PLL产生频率和波形变换，输入接前置分频器M，输出接可编程分频器N数字波形变换器WV，可变为三角波或锯齿波或正弦波f₁、f₂、fn的n组调制信号；

低噪声高放由一个双栅磷化铟为衬底砷化镓高电子迁移率晶体管InPGaAsHEMT、微带线匹配网络构成，第一栅极接入回波射频匹配网络微带线，第二栅极为自动增益控制AGC控制端，接入中放AGC输出电压，源极阻容接地，漏极经匹配网络微带线接分谐波混频器SHP，频率合成器输出f_N经定向耦合器接入SHP为本振信号f_L，SHP由两个肖特基二极管反向并接在本振信号f_L微带匹配网络与回波信号微带匹配网络之间，中频信号IF在本振信号f_L网络一侧经带通滤波网络取出；

多目标信号提取电路由声表器件SAW匹配滤波器组、相干检波器I/Q、模数转换器A/D组成，中放输出在时分电路n路异步时序选通门选取发射编码f₁′、f₂′、fn′组回波信号接入声表器件SAW匹配滤波器组、相干检波器I/Q，其检波器由I支路、Q支路两个乘法器构成，频率合成器输出中频相干信号f_i接I支路，移相π/2接Q支路为相干基准本振，输出经A/D、数据缓冲存储器FIFO接入数字信号处理器DSP数据总线；

时分电路由现场可编程门阵列PFGA组构计数器、单稳态触发器、译码器、编码开关、时序异步选通门，频率合成器输出fc₁时钟信号接入计数器时钟端Cp与单稳态触发器输入端，计数器可编程控制端经接口I/O接入MCU，路况摄像传感器、本车速传感器、卫星定位传感器GPS信号经接口I/O接入MCU控制生成n路时分脉冲，高电平逻辑“1”接入收/发开关T/R₂，低电平逻辑“0”接入T/R₁，f₁、f₂、fn组调制信号接入编码开关，计数器数据端、单稳态触发器输出端与译码器输入对接，译码器输出与编码开关控制端相接构成n组调制信号按频率递增的n路时分脉冲压控毫米波调频器，调频输出接至T/R₂、环形器、波束开关，准光集成介质透镜天线阵列发射，回波射频经准光集成介质透镜天线阵列、波束开关、环形器、T/R₁、低噪声高放、分谐波混频器、中放，在时分电路时序异步选通门选取按发射编码f₁′、f₂′、fn′的n组信号依次对接声表器件SAW匹配滤波器组，经多目标信号提取电路相干检波器I/Q、模数转换器A/D、数据缓冲存储器FIFO接入DSP数据总线。

光栅扫描图像显示器CRT由坐标变换器、图像存储器RAM、地址选择I/O控制器、数模转换器D/A、标尺产生器、字符产生器、图形颜色产生器、显示控制器、辉亮电路、显像管X-Y-Z偏转系统组成，  数字信号处理器DSP按车道编码脉冲分配序列接入坐标变换器、波束开关，多目标回波信号在DSP运算数据经双口存储器RAM接入微处理器MCU接口I/O送至显示控制器，该控制器分别连接坐标变换器、地址选择I/O控制器、图像存储器RAM、数模转换器D/A、标尺、字符产生器、显像管X-Y-Z偏转系统，其中坐标变换器、数模转换器D/A、标尺、字符及图形颜色产生器分别还接入辉亮电路控制显像管调辉电极。

本技术方案由路况摄像、本车速和GPS信息数据MCU控制n路时分脉冲，n组调制信号频率与波形的捷变，时分编码n路脉冲锁相调频发射，相对快速的同时测定多个路障目标无模糊测距、测速，脉内线性调频加宽信号瞬时带宽，脉压匹配滤波加权获取大信噪比高分辨力，发射一路接收一个目标信息或接收多个目标相干积累，目标距离由远到近时分编码脉宽线性变窄，距离越近分辨力越高，多谱勒频移越大，三维图像细节分辨越清楚，时分脉冲高电平逻辑“1”前沿时T/R₂接通发射，T/R₁关断接收，后沿时进入低电平逻辑“0”T/R₂关断发射，T/R₁接通接收，时序异步选通门选取目标信号后沿检测，从时间上完全隔离发射能量泄漏，提高弱小目标信号检测增大雷达作用距离，后沿检测消除发射脉宽遮挡避免盲距实现近距防撞，改善动态范围；DSP抑制虚警识别与本车最近距离目标，当前方无车由司机设速行驶，出现车辆时雷达检测其信号，跟踪至最近车辆，控制本车速保持安全距离，偏离安全距离时声光报警，逼近危险距离MCU指令避障器自动避障或启动减速器、刹车器的智能控制，MCU智能控制是根据雷达测得的相关数据，参考路况和本车速及GPS传感信息数据作出抉择，起到能见度差行驶司机不易看清楚的避障功能，并识别静止车辆绕道而过，极大提高防撞性能；全相参雷达信号多个基准频率、时钟信号取自同一个恒温晶振信号，与其成整数倍关系，确保收/发载频、中频解调、调制信号、A/D转换采样相干性，保证时分脉位准确，有效抑制车道两侧山丘、树木、建筑物、广告牌虚假目标杂波背景检测行驶车辆多普勒信息，提高抗干扰能力；发射频率锁定基频输出谐频为雷达载频，与分谐波混频内在倍频相配合，低成本获取毫米波高端载频，体现宽带脉压测距高分辨力和测速高精度；准光集成介质透镜天线毫米波传输损耗小增益高，抗振防尘强，DSP电扫波束检测多目标视野宽广，方位角分辩力高，精确，尤其是MCU控制DSP可灵活调整波束，自适应道路环境。

附图说明

图1本发明雷达技术方案原理图

图2雷达收/发脉冲时序图

图3频率合成器

图4调制信号发生器

图5毫米波时分线性调频器

图6时分电路

图7多目标信号提取电路

图8光栅扫描图像显示器

具体实施方法

按照图1，本发明具体实施方法及实施例设有：环形器3、中放6、声表器件SAW匹配滤波器组7、数据缓冲存储器FIFO13、数字信号处理器DSP14、微控制器MCU15、双口存储器RAM16、接口I/O20、路况摄像传感器17、本车速传感器18、卫星定位传感器GPS19、声光报警器21、避障器22、减速器23、刹车器24、键盘26，还设有收/发两用准光集成介质透镜天线阵列1、波束开关2、收/发开关T/R₁、T/R₂、频率合成器12、时分电路10、低噪声高放4、分谐波混频器5、毫米波时分线性调频器9、调制信号发生器11、多目标信号提取电路8、光栅扫描图像显示器CRT25，其中，收/发两用准光集成介质透镜天线阵列1按路面最多车道量在车体前后设置线阵，频率合成器12输出fc₁接入时分电路10为时钟信号、fc₂接入DSP14为时钟信号、fc₃接入MCU15为时钟信号，DSP14按车道编码脉冲分配序列接入波束开关2、CRT25，时分电路10预置端经接口I/O20接入MCU15，路况摄像传感器17、本车速传感器18、卫星定位传感器GPS19信号经接口I/O20接入MCU15控制时分电路10生成n路时分脉冲，高电平逻辑“1”接入收/发开关T/R₂，低电平逻辑“0”接入T/R₁，频率合成器12输出f_N接入毫米波时分线性调频器9锁定基频，二或四次谐频为发射载频f₀，频率合成器12输出fm接入调制信号发生器11为基准频率，调制信号发生器11频率、波形变换预置端经接口I/O20接入MCU15，路况摄像传感器17、本车速传感器18、卫星定位传感器GPS19信号MCU15控制调制信号发生器11产生n组调制信号频率和波形，在时分电路10编码为频率递增排列的n路脉冲接入毫米波时分线性调频器9，经T/R₂至环形器3、波束开关2，天线阵列1发射，频率合成器12输出f_L接入分谐波混频器5为内在二或四次倍频本振信号、f_i接入多目标信号提取电路8为中频相干检波基准信号，回波射频经天线阵列1、波束开关2、环形器3、T/R₁、低噪声高放4、分谐波混频器5、中放6，n路脉冲在时分电路10时序异步选通门选取发射编码的n组目标信号经声表器件SAW匹配滤波器组7、多目标信号提取电路8、数据缓冲存储器FIFO13接入DSP14数据总线，DSP14与MCU15数据总线、地址线、控制线经双口存储器RAM16汇接及提供仲裁信号，接口I/O20分别接入CRT25、声光报警器21、避障器22、减速器23、刹车器24、键盘26，DSP14软件设计片内分组时分复用数据重排、动目标显示MTI、快速傅里叶变换FFT、距离旁瓣抑制、恒虚警处理CFAR，MCU15系统软件编程包括主程序和数据采集、数据处理、对象控制子程序，中放检出自动增益控制AGC电压经滤波、放大接入低噪声高放4、中放6的AGC控制端，频率合成器12、时分电路10、低噪声高放4、分谐波混频器5、波束开关2、环形器3、收/发开关T/R₁、T/R₂、毫米波时分线性调频器9集成为雷达收/发电路，屏蔽。

本发明在车前、后按路面最多车道数量设置收/发两用准光集成介质透镜天线阵列，其介质基片微带双偶极振子集成天线元紧贴粘置在介质透镜的截面为馈源，介质透镜半球端面用来作辐射源，模拟集成天线无穷厚介质基片，消除表面波，改变圆柱体长度可获得合适的波束宽度的准光高斯束辐射高辨力方向性。基于准光透镜天线毫米波传输损耗小增益高，口径所对应的载频波长尺寸小，收/发互易性强，抗振和防尘能力良好，成本低，安装使用方便，不影响汽车外观和气动性。

波束开关在其天馈波导PIN二极管芯串、并联单刀单掷开关SPST，由数字信号处理器DSP按车道编码脉冲分配序列偏置PIN管工作状态，组合控制为单刀多掷波束开关“多选一”模式循环扫描多个车道路障目标，一个车道发射一个波束照射路面，回波接收不仅在道路直线行驶有良好的方位角度分辨力，在道路弯曲或坡较大行驶时也能控制天线波束较低旁辨，水平方向空域视野开阔，方位角分辨精度高，微控制器MCU由路况摄像结合本车速和GPS信息控制DSP编码脉冲分配序列，调整路面车道波束，自适应控制道路环境。

收/发开关T/R₁、T/R₂其PIN管芯分别设在环形器接收、发射分支处，当时分脉冲高电平逻辑“1”前沿时发射支路串联的PIN管正偏导通，并联的PIN管反偏截止，T/R₂接通发射信号，这时T/R₁串联的PIN管反偏为开路，并联的PIN管正偏处于短路，关断接收；当时分脉冲后沿时进入低电平逻辑“0”，接收支路串联的PIN管正偏导通，并联的PIN管反偏截止，T/R₁接通接收信号，在DSP电扫波束开关的控制，天线收到的目标信号经环形器传入接收通道，同时T/R₂串联的PIN管反偏为开路，并联的PIN管正偏短路，关断雷达发射，射频反射回环形器，吸收PIN管反射功率。

天线波束开关、收/发开关采用PIN二极管芯片便于毫米波电路集成，单个PIN管开关电路隔离度和工作带宽都较小，两个以上PIN管串、并结构隔离度较高，与环形器收/发隔离度组合，可达到预期效果。PIN管控制偏压经低通网络接入，防止毫米波泄漏到控制电路避免不良影响。

为了克服噪声影响提高雷达接收弱小目标信号，选用磷化铟为衬底砷化镓高电子迁移率双栅InPGaAsHEMT器件为毫米波低噪声高放明显改善强噪声背景下检测目标，由于防撞雷达作用距离近，功率增益12dR左右即可，针对目标回波信号强弱起伏大，低噪声高放、中放分步设有自动增益控制AGC，保持雷达接收有足够大的动态范围，适应检测不同目标和距离的增益。双栅器件第二栅控制I_S对g_m变化特性，源极电阻自给偏压，I_S在其电阻压降，使栅极产生负偏压，选取合适的I_b工作点和跨导g_m，加上AGC电压可得到良好的控制性能。

中放AGC可以做得较大动态范围的负反馈系统，与高放AGC分步控制避免大卡车、大巴强目标回波信号过载和防止干扰信号引起的过载，并兼顾小目标如摩托车、电动车、自行车及行人的中放增益，目标起伏保持较高的检测概率。

分谐波混频器SPH(即次谐波混频器)，由两个反向并接肖特基二极管设在回波与本振f_L匹配网络上，利用“背靠背”二极管正向导通特性防止混频级输入大信号饱和阻塞，相互保护在过高反向电压时不被烧毁。回波载频与本振频率谐频相隔甚远，隔离大于30dB，内在倍频本振频率只取一半或四分之一接收发射载频，其电路结构简单，无须耦合电桥和直流电源，降低了成本。

雷达收/发电路集成一体简化连接，节省波导和同轴接头，缩小体重，提高雷达自身工程的电磁兼容性和可靠性。

图2雷达收/发脉冲时序图，(a)是天线波束开关在DSP编码脉冲分配序列循环扫描一个车道脉冲T_S的波形，(b)是时分电路时钟信号fc₁波形，(c)是单稳态触发器定时脉冲t₁及占空因子t₂波形，时分脉冲高电平逻辑“1”前沿时T/R₂接通发射，T/R₁关断接收，后沿时进入低电逻辑“0”T/R₂关断发射，T/R₁接通接收，异步时序选通门选取目标信号。图中(d)、(e)、(f)、(g)浅色波形为时分n路时序脉冲控制n组调制信号压控锁相调频VCO基频，输出谐频为雷达发射载频，脉宽τ与t₁相等，深色波形为时分异步接收目标回波脉冲，(d)收/发脉冲重叠吻合，回波延时Δt＝0，零距离目标无回波产生，(g)回波延时Δt＝max为雷达最大非模糊作用距离对应时间。(e)目标回波脉冲延时Δt＞0，产生回波，(f)回波延时为Δt＜max信号能量最大。可见，距离近回波脉冲窄，信号功率小，但处于近区场辐射较强，信噪比下降不大时近距检测可行，由于回波信号功率较弱接收不易饱和阻塞，改善动态范围提高检测概率。后沿检测回波不被发射脉宽遮档，在雷达最大作用距离内无盲区，从时间上完全隔离发射能量的泄漏，极大改进雷达检测弱小信号目标的能力，达到FM-CW雷达、PD雷达不具备的优点。

时分多个通道检测多目标信号是在时间上分步进行，时分脉宽、工作周期远快于目标运动速度，相对于145km/h高速车辆行驶不会有大的突变，可视为同时检测。

图3频率合成器，恒温晶振12a输出信号一路经晶振分频器12f与环路分频器12k接入鉴相器12g，鉴相电压经环路滤波器12h压控振荡器VCO12i锁定相位，另一路经倍频放大链12b、12c、12d、12e与VCO12i输出接混频器121，取和频接入环路分频器12k，使频率反馈下移，减少环路分频器12k分频比，改善相噪特性。VCO12i介质谐振器反馈振荡频稳度较高，变容管调谐范围较宽，经恒温晶振12a锁相频率合成，频稳度优于10^-10/ms，能适于汽车强振动和温差大的恶劣环境下工作，提供智能防撞雷达相干检测与控制精确的基准信号。频率合成器输出f_N信号锁定毫米波时分线性调频器基频，输出谐频为雷达载频f₀，同时f_N经定向耦合器12j为分谐波混频本振信号f_L，其内在倍频与发射倍频组合，低成本获得高载频检测。环路分频器12k可编程分频由接口I/O20接入MCU，输出f_i正交相干检波器I/Q基准信号、调制基准信号fm、时分时钟信号fc₁、DSP时钟信号fc₂、MCU时钟信号fc₃，因此，多个基准频率和时钟信号与恒温晶振12a频率成整数倍关系，确保收/发信号起始相位、调制信号、A/D采样、中频检波相干性及时分脉冲的准确性，有效抑制车道两侧树木、建筑物、广告牌、山丘虚假目标杂波背景检测车辆及行人多普勒频谱，有较强的抗地物杂波干扰能力。

图4调制信号发生器，可编程分频器N分频预置端、数字波形变换器WV计数预置端经接口I/O20接入微控制器MCU，频率合成器输出fm为基准频率信号，设11a、11b、11n组相邻频率调制信号，并留有一定的频率间隔防止信号串扰，n组调制信号在路况摄像传感器、本车速、卫星定位传感器CPS信号MCU控制下，对并行的n组锁相环PLL产生合适的调制信号频率和波形，其输入前置分频器M分频为fr，输出可编程分频器N分频为fs，锁相环PLL锁定时fr/M＝fs/N，压控振荡器VCO输出频率fs＝frN/M，数字波形变换器WV将其变换为三角波或锯齿波或正弦波，输出f₁、f₂、fn的n组调制信号，n组调制信号在时分电路10编码开关输出n路时序脉冲信号，轮流压控毫米波调频器9进行雷达载频调频。

图5毫米波时分线性调频器，n组调制信号f₁、f₂、fn在时钟信号fc₁控制的时分电路10按时序编码为频率递增排列，加到毫米波时分线性调频器9，为了保证毫米波载频和线性调频信号的相干性，雷达载频与基准信号相位严格同步，引用频率合成器输出f_N信号与压控振荡器VCO基频在鉴相器DP相位比较，环路滤波器LF滤除杂波噪声、锁定基频，经截止波导仅允许二或四次谐频输出为雷达载频f₀。n路时分编码调制信号经求和节点∑实现VCO有源时分线性锁相调频，谐频为载频具有宽带调频优点，当VCO或调制信号频率偏差就会产生误差信号V_d，闭环控制VCO相位随时保持与基准信号同步。VCO鳍线设置单脊周期栅易于与Gunn耿管、变容管阻抗匹配，提高性能。

图6时分电路，计数器10a可编程预置经接口I/O20接入MCU，路况摄像、本车速、GPS信号MCU控制由时钟信号fc₁触发的计数器10a改变二进-十进计数生成n路时分脉冲，高电平逻辑“1”前沿时T/R₂接通发射，T/R₁关断接收，后沿时进入低电平逻辑“0”T/R₂关断发射，T/R₁接通接收单稳态触发器10b由时钟信号fc₁触发对时分脉冲定时为t₁为雷达发射脉宽τ，占空因子t₂为雷达检测最大作用距离。计数器输出在译码器10c形成n路时序控制n组调制信号，经编码开关10d将f₁、f₂、fn排列为频率递增时分脉冲依次压控毫米波时分线性调频器9，经T/R₂、环形器、馈送天线发射，中放6回波信号在时分电路时序异步选通门10e选取f₁′、f₂′、fn′，在其后沿进行检测，从时间上完全隔离发射能量泄漏到接收系统，提高弱小目标信号的检测能力，增大检测雷达作用距离，后沿检测消除发射脉宽遮挡，避免盲距实现近距防撞，并改善动态范围。时分电路既控制雷达n路调制信号编码发射，接收回波又在其时序异步选通门选取，时间分割检测多目标信号，脉内线性调频加宽信号瞬时带宽，脉压匹配滤波加权获取大的信噪比高分辨力，发射一路接收一个目标信息或接收多个目标相干积累，目标距离由远到近时分编码脉宽线性变窄，距离越近分辨力越高，多谱勒频移越大，三维图像细节分辨越清楚，单目标在一个工作周期n路收/发脉冲中积累观察，多目标则重复工作过程，第二、第三…循环计数，延长相干积累观察时间改善雷达检测性能。时分多通道本质是时间划分检测多目标，在时域、频域、空域有序进行，检测信号在频率、时间双重编码识别多目标有较强的抗干扰性。路况车流稀密程度和道路弯直摄像数据结合本车速度及GPS提供本车当前位置数据MCU控制DSP调整的天线波束，提高防撞性能。

图7多目标信号提取电路，中频信号n路脉冲在时分电路10时序异步选通门选取，接入声表器件SAW匹配滤波器组7对回波中频信号f₁′、f₂′、fn′防混叠和脉压匹配加权，脉冲压缩网络与发射调频相关匹配，获取高信噪比信息传输。此时，意味着目标回波信号处理从时域转为频域，雷达目标的全部信息蕴含于中频复调制信号之中，因此，在回波信号数字化处理之前，将其中频去掉，进行零中频的同相/正交相干检波(或称零中频相参混频)，输出零中频基带信号。图中8a、8b、8n正交相干检波器I/Q，分I支路和Q支路两个乘法器，取频率合成器输出fi信号及移相π/2为相参本振信号，雷达中频回波信号同相/正交两路相干检波进行多目标信号提取。这复调制信号被分解成实部和虚部，信号的幅度和相位两个信息都保存下来，经模数变换A/D、数据缓冲存储器FIFO13送到数字信号处理器DSP14。数据缓冲存储器FIFO13使多个目标数据先进先出，提高DSP14运算速度。

数字信号处理器DSP14片内分组时分复用对回波信息数据重排、动目标显示MTI、快速傅里叶变换FFT、距离旁瓣抑制、恒虚警处理CFAR，FFT变换等效于大量的距离门和多普勒滤波器组，对多个目标差拍的距离和相对速度频谱分析。恒虚警处理CFAR是参考剩余杂波的强度自动调节检测门限，使虚警概率保持在允许值内，超过门限的信号作出相关信息处理，以确定是否真实目标，确实是，则对目标的距离、速度及方位角度等数据送到图像显示器CRT，DSP14识别与本车最近距离的目标，前方无车由司机设速行驶，出现车辆时雷达测其距离和相对运动速度，跟踪至最近车辆，控制本车速保持安全距离，偏离安全距离声光报警，至逼近危险距离有一段可以避撞时间的距离，此时司机作出正确操作60％以上可以避撞，启用自适应控制系统智能防撞雷达，避撞不受司机心理和生理能力所限，正确率大大提高。

逼近危险距离时MCU指令避障控制器自动避障或启动减速器、刹车器的智能控制，如发生迎面相撞的险情，时间是两车速度之和，安全距离急剧缩短，要求驾驶素质、经验更高，相应地智能防撞雷达自适应控制系统反映速度为ms级甚至μs级，比人类反映快得多，在无机械故障条件下人控是不能替代的。利用动目标显示MTI脉冲对消滤波区分识别静止车辆或建筑物，使其本车绕道而过。MCU智能控制是根据雷达测得的相关数据，参考路况和本车速及GPS传感信息数据作出抉择。雷达信号软件编程由DSP、MCU引导程序和主程序组成，DSP主程序主要完成快速傅里叶FFT变换，得到目标回波信号的频率和相位信息，将处理完的数据传递给MCU内存，等待下一步由路况摄像、本车速、GPS传感器信号综合处理控制执行机构。

双口存储器RAM使DSP与微控制器MCU交换数据双方握手操作，每个数据在双口RAM中按字节由低到高占用，双口存储器RAM提供仲裁信号避免DSP与MCU数据处理发生竞争。

图8光栅扫描图像显示器，坐标变换25a是将数字信号处理器DSP14控制按车道天线阵列编码脉冲分配多波束转换的周期时序信号变换为二进制的数字图像X、Y数据，并为图像存储器RAM25b提供图像信息的地址，采用高速乘法器矢量产生的方法实现坐标转换。图像存储器25b实质是一个大容量的随机读写RAM，其地址与图形上的像素相等，即一址一像素，适应多个路障目标复杂信息图形的显示，显示控制器25e具有显示定时、显示控制信号产生和光栅扫描、编址功能，标尺25f、字符25g及图形颜色产生器25h为图像显示提供刻度定位和文字说明的标志及色彩，辉亮电路25i和图像X-Y-Z偏转系统25j是CRT必备的电路和部件，光栅扫描产生后形成水平X、垂直Y扫描及其辉亮Z信号，加至CRT的偏转控制，通过地址选择控制器25c，扫描数据为图像RAM的读出地址，将图像信息同步读出。

本发明图像显示力求简明可辨，适于不经专业培训的司机即能快速判别读取汽车防撞雷达图像显示所需的信息，多目标雷达回波信号在DSP14、MCU15处理与控制，经接口I/O20传入回波信息数据存储在图像RAM25b之中，然后在光栅扫描产生电路的同步下读出图像数据、数模转换器D/A，25d和辉亮电路25i加至CRT的调辉电极上，即可动态显示车辆或行人多个目标的方位和距离信号图形及其在相对变化的速度信号三维全景图像。

实施例准光集成介质透镜天线，水平方位角2°，垂直方位角3°，增益G 31.5dB，天线阵列按高速公路车道量在车体设左、中、右，前后2个线阵6个波束循环扫描，警戒识别主车道危险目标，预警左车道潜在危险目标和右车道可能威胁目标，DSP编码脉冲分配序列控制波束开关，确保快速扫掠探测路面前后方向路障目标，单车道扫描速率为936ns/Hz，全程扫描5.6μs/Hz，毫米波时分线性调频器基频锁定在38.5GHz，输出二次谐频77GHz国际通用毫米波W波段为雷达发射载频f_o，分谐波混频内在二倍频接收，时分多通道n最大为12，路况摄像、本车速及GPS信息MCU控制，道路车流量密集时12组最佳组合调制频率和波形时分压控锁相调频，12组声表器件SAW匹配滤波器相关脉压加权、I/Q相干检波提取目标信息DSP作数据重排、动目标显示MTI、FFT谱分析，距离旁瓣抑制、恒虚警处理CFAR传入MCU数据处理控制执行机构。单稳态触发器定时t₁6ns，占空因子t₂72ns，中频带宽Bn 1.5GHz，噪声系数Fn 9.8dB，毫米波收/发系统损耗Ls和大气传播损耗Latm 7.3dB，信噪比(S_o/N_o)₁min12.5dB，发射输出峰值功率Pt 150mw，路障目标为大巴、卡车雷达最大检测距离Rmax150m，中巴、轿车100m，摩托车、自行车60m，行人50m，最小检测路障目标距离Rmin＜1m，最近目标识别时间＜150μs，自动刹车机电时延＜10ms，角度分辨力≤2°，目标距离分辨力≤0.25m，速度分辨力＜1.5km/h，本车时速145km/h在平坦道路能紧急制动。

Claims (10)

1、一种毫米波时分线性调频多目标检测汽车防撞雷达，设有环形器、中放、匹配滤波器组、数据缓冲存储器FIFO、数字信号处理器DSP、微控制器MCU、双口存储器RAM、接口I/O、路况摄像传感器、本车速传感器、卫星定位传感器GPS、声光报警器、避障器、减速器、刹车器、键盘，其特征在于：还设有收/发两用准光集成介质透镜天线阵列、波束开关、收/发开关T/R₁、T/R₂、频率合成器、时分电路、低噪声高放、分谐波混频器、毫米波时分线性调频器、调制信号发生器、多目标信号提取电路、光栅扫描图像显示器CRT，其中，收/发两用准光集成介质透镜天线阵列按路面最多车道量在车体前、后设置线阵，频率合成器输出f_c1接入时分电路为时钟信号、f_c2接入DSP为时钟信号、f_c3接入MCU为时钟信号，DSP按车道编码脉冲分配序列接入波束开关、CRT，时分电路预置经接口I/O接入MCU，路况摄像传感器、本车速传感器、卫星定位传感器GPS信号经接口I/O接入MCU控制时分电路生成n路时分脉冲，高电平逻辑“1”接入收/发开关T/R₂，低电平逻辑“0”接入T/R₁，频率合成器输出f_N接入毫米波时分线性调频器锁定基频，二或四次谐频为发射载频f₀，频率合成器输出f_m接入调制信号发生器为基准频率，调制信号发生器频率、波形变换预置端经接口I/O接入MCU，路况摄像传感器、本车速传感器、卫星定位传感器GPS信号MCU控制调制信号发生器产生n组调制信号频率和波形，在时分电路编码为频率递增排列的n路脉冲接入毫米波时分线性调频器，经T/R₂至环形器、波束开关，天线阵列发射，频率合成器输出f_L接入分谐波混频器为内在二或四次倍频本振信号、f_i接入多目标信号提取电路为中频相干检波基准信号，回波射频经天线阵列、波束开关、环形器、T/R₁、低噪声高放、分谐波混频器、中放，n路脉冲在时分电路时序异步选通门选取发射编码的n组目标信号经匹配滤波器组、多目标信号提取电路、数据缓冲存储器FIFO接入DSP数据总线，DSP与MCU数据总线、地址线、控制线经双口存储器RAM汇接及提供仲裁信号，接口I/O分别接入CRT、声光报警器、避障器、减速器、刹车器、键盘，DSP软件设计片内分组时分复用数据重排、动目标显示MTI、距离旁瓣抑制、快速傅里叶变换FFT、恒虚警处理CFAR，MCU系统软件编程包括主程序和数据采集、数据处理、对象控制子程序，中放检出自动增益控制AGC电压经滤波、放大接入低噪声高放、中放AGC控制端，频率合成器、时分电路、低噪声高放、分谐波混频器、波束开关、环形器、收/发开关T/R₁、T/R₂、毫米波时分线性调频器集成为雷达收/发电路，屏蔽。

2、根据权利要求1所述的毫米波时分线性调频多目标检测汽车防撞雷达，其特征在于：频率合成器由恒温晶振、晶振分频器、倍频放大链、混频器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器VCO、环路分频器组成，其中VCO由砷化镓高电子迁移率晶体管GaAsHEMT、介质谐振器反馈振荡，变容管压控调谐，环路分频器由前置分频器和可编程分频器组合，可编程分频器分频控制端经接口I/O接入MCU，恒温晶振输出分两路，一路经倍频放大链与VCO输出接入混频器后，再经环路分频器接入鉴相器，另一路经晶振分频接入鉴相器，鉴相电压经环路滤波器压控VCO锁相频率合成，VCO输出f_N锁定毫米波时分线性调频器基频，输出谐频为雷达载频f₀，f_N经定向耦合器为分谐波混频器内在倍频本振信号f_L，可编程分频输出f_i为中频相干检波基准信号、f_m为调制基准信号、f_c1为时分时钟信号、f_c2为DSP时钟信号、f_c3为MCU时钟信号。

3、根据权利要求1所述的毫米波时分线性调频多目标检测汽车防撞雷达，其特征在于：收/发两用准光集成介质透镜天线阵列由介质基片微带双偶极振子集成天线、介质透镜、阵列基座、防护罩构成，介质透镜是一端面为半球体，另一端面为圆柱体截面，介质基片微带双偶极振子集成天线紧贴放置在介质透镜的圆柱截面为馈源，介质透镜半球端面为天线辐射面，天线阵列按路面最多车道量设置收/发两用线阵，在车体前、后方向一车道设至少一透镜天线，阵元水平直线排列安置在阵列基座上，外置防护罩，数字信号处理器DSP按车道编码脉冲分配序列接入波束开关、光栅扫描图像显示器CRT坐标变换器。

4、根据权利要求1所述的毫米波时分线性调频多目标检测汽车防撞雷达，其特征在于：波束开关在天馈波导传输线集成PIN二极管芯片，串、并联为单刀单掷开关SPST，控制偏压经低通网络接入数字信号处理器DSP按车道编码脉冲分配序列，多个SPST波束开关组合成单刀多掷开关，收/发开关T/R₁、T/R₂设在环形器收/发分支处，均由PIN二极管芯片，串、并联为单刀单掷开关SPST，控制偏压经低通网络由时分脉冲高电平逻辑“1”接入T/R₂，低电平逻辑“0”接入T/R₁。

5、根据权利要求1所述的毫米波时分线性调频多目标检测汽车防撞雷达，其特征在于：毫米波时分线性调频器由毫米波压控振荡器VCO、环路滤波器LF、鉴相器DP组成，其VCO由耿管Gunn、超突变结变容管及电容芯片、鳍线波导、悬置微带线构成，鳍线设单脊周期栅，耿管Gunn谐振电路、变容管调谐支路匹配安装在单脊鳍线上，偏压、调制信号经接地旁路电容悬置微带线引入，频率合成器输出f_N与VCO基频信号接入DP，鉴相电压经LF接至VCO变容管压控端，并接入n路时分脉冲线性调频，由输出波导隔离基频选取二或四次谐频为雷达发射载频f₀，VCO单独屏蔽。

6、根据权利要求1所述的毫米波时分线性调频多目标检测汽车防撞雷达，其特征在于：调制信号发生器由并行的n组前置分频器M、锁相环PLL、可编程分频器N、数字波形变换器WV组成，频率合成器输出fm接入调制信号发生器为基准频率，可编程分频器N分频预置端、数字波形变换器WV计数预置经接口I/O接入微控制器MCU，路况摄像传感器、本车速传感器及卫星定位传感器GPS信号MCU控制调制频率递增的n组锁相环PLL产生频率和波形变换，输入接前置分频器M，输出接可编程分频器N数字波形变换器WV，可变为三角波或锯齿波或正弦波f₁、f₂、fn的n组调制信号。

7、根据权利要求1所述的毫米波时分线性调频多目标检测汽车防撞雷达，其特征在于：低噪声高放由一个双栅磷化铟为衬底砷化镓高电子迁移率晶体管InPGaAsHEMT、微带线匹配网络构成，第一栅极接入回波射频匹配网络微带线，第二栅极为自动增益控制AGC控制端，接入中放AGC输出电压，源极阻容接地，漏极经匹配网络微带线接分谐波混频器SHP，频率合成器输出f_N经定向耦合器接入SHP为本振信号f_L，SHP由两个肖特基二极管反向并接在本振信号f_L微带匹配网络与回波射频信号微带匹配网络之间，中频信号IF在本振信号f_L网络一侧经带通滤波网络取出。

8、根据权利要求1所述的毫米波时分线性调频多目标检测汽车防撞雷达，其特征在于：多目标信号提取电路由声表器件SAW匹配滤波器组、相干检波器I/Q、模数转换器A/D组成，中放输出在时分电路n路异步时序选通门选取f₁′、f₂′、fn′组回波信号接入声表器件SAW匹配滤波器组、相干检波器I/Q，其检波器由I支路、Q支路两个乘法器构成，频率合成器输出中频相干信号f_i接I支路，移相π/2接Q支路为相干基准本振，输出经A/D、回波数据存储器RAM接入数字信号处理器DSP数据总线。

9、根据权利要求1所述的毫米波时分线性调频多目标检测汽车防撞雷达，其特征在于：时分电路由现场可编程门阵列PFGA组构计数器、单稳态触发器、译码器、编码开关、时序异步选通门，频率合成器输出f_c1时钟信号接入计数器时钟端Cp与单稳态触发器输入端，计数器可编程控制端经接口I/O接入MCU，路况摄像传感器、本车速传感器、卫星定位传感器GPS信号MCU控制生成n路时分脉冲，高电平逻辑“1”接入收/发开关T/R₂，低电平逻辑“0”接入T/R₁，f₁、f₂、f_n组调制信号接入编码开关，计数器数据端、单稳态触发器输出端与译码器输入对接，译码器输出与编码开关控制端相接构成n组调制信号按频率递增的n路时分脉冲压控毫米波调频器，调频输出接至T/R₂、环形器、波束开关，准光集成介质透镜天线阵列发射，回波射频经准光集成介质透镜天线阵列、波束开关、环形器、T/R₁、低噪声高放、分谐波混频器、中放，在时分电路时序异步选通门选取按发射编码f₁′、f₂′、f_n′的n组信号依次对接声表器件SAW匹配滤波器组，经多目标信号提取电路相干检波器I/Q、模数转换器A/D、数据缓冲存储器FIFO接入DSP数据总线。

10、根据权利要求1所述的毫米波时分线性调频多目标检测汽车防撞雷达，其特征在于：光栅扫描图像显示器CRT由坐标变换器、图像存储器RAM、地址选择I/O控制器、数模转换器D/A、标尺产生器、字符产生器、图形颜色产生器、显示控制器、辉亮电路、显像管X-Y-Z偏转系统组成，数字信号处理器DSP按车道编码脉冲分配序列接入坐标变换器、波束开关，多目标回波信号在DSP运算数据经双口存储器RAM经接口I/O接入MCU送至显示控制器，该控制器分别连接坐标变换器、地址选择I/O控制器、图像存储器RAM、数模转换器D/A、标尺、字符产生器、显像管X-Y-Z偏转系统，其中坐标变换器、数模转换器D/A、标尺、字符及图形颜色产生器分别还接入辉亮电路控制显像管调辉电极。

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