CN101876707B - 毫米波/红外复合探测雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波/红外复合探测雷达，属于汽车防撞雷达技术，主要解决了现有技术探测距离短、误报率高的问题。该毫米波/红外复合探测雷达，包括双口径单脉冲天线、双通道低噪声收发模块、双通道中频放大器、三角波调制器、信号处理器、红外摄像机、图像处理器、报警显示系统，所述双口径单脉冲天线、双通道低噪声收发模块、双通道中频放大器、信号处理器、报警显示系统依次连接，三角波调制器分别与双通道低噪声收发模块、信号处理器连接，红外摄像机通过图像处理器与报警显示系统连接。本发明探测距离高达240m，且探测准确率高，具有极高的应用价值。

Description

毫米波/红外复合探测雷达

技术领域

本发明涉及一种车载雷达，具体地说，是涉及一种用于汽车防撞与安全驾驶的毫米波/红外复合探测雷达。

背景技术

随着我国汽车工业快速发展与高速公路迅速兴建，高速公路运输已经成为带动我国经济发展的强大动脉，但随之而来的交通事故频繁发生，给国家和人民群众生命财产造成巨大损失。大量事故表明，引发交通事故的主要原因是大雾或疲劳驾驶造成不能有效地保持车辆的安全间隔，造成追尾。高速公路交通事故的频繁发生不仅在中国，在发达国家和地区也严重危害社会，欧洲每年死于交通事故的人数高达5万人，为预防事故的发生，在汽车上也采取了不少措施，如安全带，安全气囊；采用ABS/BAS改善汽车制动性能；增加前、后保险杠保护车体结构等，这些措施都是被动措施，不能从根本上预防事故。上个世纪60年代，国外曾有公司提出在汽车上安装防撞雷达，但真正投入使用的是上个世纪90年代，欧美、日本相继推出几款雷达并在高档轿车上配置，尽管性能还不完善，没有全面推广，但方向和效果是值得肯定的，美国“灰狗”长途运输公司使用VORAD防撞雷达，仅1993年交通事故就降低25％。

汽车防撞雷达是一种主动探测设备，它能实时测出前方目标与障碍物的存在，遇到险情提前报警。鉴于汽车防撞雷达要求体积小，重量轻，全天候工作，最具发展前景的是毫米波技术，毫米波是目前雷达领域使用的最高频段，与微波频段相比，频带宽，分辨率高，天线与高频部件可以压缩在很小空间；与激光、红外相比，受雨、雾、雪等恶劣气象条件影响小，全天候性能好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种毫米波/红外复合探测雷达，在实现汽车防撞与安全驾驶的基础上，提高雷达探测目标的距离和准确率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

毫米波/红外复合探测雷达，其特征在于，包括双口径单脉冲天线、双通道低噪声收发模块、双通道中频放大器、三角波调制器、信号处理器、红外摄像机、图像处理器、报警显示系统，所述双口径单脉冲天线、双通道低噪声收发模块、双通道中频放大器、信号处理器、报警显示系统依次连接，三角波调制器分别与双通道低噪声收发模块、信号处理器连接，红外摄像机通过图像处理器与报警显示系统连接。

所述双口径单脉冲天线包括两个沿H向并列排列的天线，以及接于两个天线后端的和差器。

所述双通道低噪声收发模块包括辐射源、环形器、-90°移相器、第一低噪声放大器、第一正交混频器、第一LC滤波器、第一预中放、第二低噪声放大器、第二正交混频器、第二LC滤波器、第二预中放和第二功分器；所述辐射源分别与环行器和第二功分器连接，环行器一路与和差器的和信号输出端连接，另一路依次经第二低噪声放大器、第二正交混频器、第二LC滤波器、第二预中放后输出信号；-90移相器一路与和差器的差信号输出端连接，另一路依次经第一低噪声放大器、第一正交混频器、第一LC滤波器、第一预中放后输出信号；第二功分器还分别与第一正交混频器、第二正交混频器连接。

所述辐射源由依次连接的压控振荡器、倍频器、功率放大器和第一功分器组成。

所述第二功分器为3dB功分器，所述第一低噪声放大器、第二低噪声放大器的噪声系数均为2dB。

所述环行器为收发隔离30dB的高隔离度环形器。

所述三角波调制器包括相互连接的三角波发生器、方波发生器，所述三角波发生器与双通道低噪声收发模块连接，方波发生器与信号处理器连接。

所述双通道中频放大器包括第一高通滤波器、第一放大器、第二高通滤波器、第一对数放大器、第三高通滤波器、第二放大器、第四高通滤波器、第二对数放大器和自动增益控制模块，所述第一高通滤波器一端与第一预中放的输出端连接，另一端依次经第一放大器、第二高通滤波器、第一对数放大器后输出；第三高通滤波器一端与第二预中放的输出端连接，另一端依次经第二放大器、第四高通滤波器、第二对数放大器后输出；第一对数放大器与第二对数放大器连接，自动增益控制模块一端与第二对数放大器的输出端连接，另一端与第一对数放大器和第二对数放大器的连接点连接。

所述信号处理器包括依次连接DSP模块、参数筛选模块、报警鉴别模块和报警距离计算模块，所述DSP模块的输入端分别与第一对数放大器的输出端、第二对数放大器的输出端连接。

所述报警显示系统包括防撞报警器、LED线阵显示器、LCD图像显示器，所述防撞报警器、LED线阵显示器分别与信号处理器连接，LCD图像显示器与图像处理器连接。

本发明采用双通道单脉冲/调频连续波复合体制，既可以通过调频连续波方式测量目标距离与速度，又可以通过双通道单脉冲方式测量目标方位，通过方位选择，能有效抑制本车道以外环境干扰与反向车道目标的干扰，从而提高工作可靠性，降低目标探测的误报率；对于探测距离，由于探测距离越远的有效信号，其回传的信号将在回传过程中衰减越大，接收到的信号就越小，本发明通过提高灵敏度，使双通道低噪声收发模块从各种干扰中准确接收到更为弱小的有效信号，从而实现探测距离的增大。

由于汽车防撞雷达工作环境比较复杂，既有前方车辆目标，又有路边地物与建筑物，因此，本发明还采用方位、幅度、速度、距离四门限筛选处理技术，有效地从背景干扰中区分出所需要的目标信号，进一步提高探测目标的可靠性，降低目标探测的误报率。

本发明还根据大量跑车实验总结的经验，建立了高精度的汽车制动距离R_ss数学模型，并据此计算出最佳的报警距离，当两车实际距离小于或等于报警距离时，通过双色LED线阵显示器显示出来，结合从红外摄象机传输过来的目标图像经过处理后在LCD图像显示器上显示出来，从而给使用者直观、醒目的提示，司机能一目了然知道前方目标的距离，以及目标的外型，以便及时发现目标，缩短反应时间。同时，本发明中防撞报警器在两车距离达到报警距离时，还会进行报警提示，从而防止使用者因其他原因没有注意到显示器上显示的情况而出现事故。

本发明充分利用毫米波技术与红外技术夜视成像能力的互补优势，从目标的探测、显示、报警等方面进行了全方位的设计，不仅实现了目标的准确探测，降低了误报率，而且探测距离能够高达240m，多种形式的显示报警方式更是能够为驾驶员争取更多的反应时间，从而降低事故发生几率，使本发明的价值得到大大提升。

本发明属于汽车防撞雷达技术，主要用于客运大巴与大型运输车辆。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明中的双口径单脉冲天线原理框图。

图3为本发明中的双通道低噪声收发模块原理框图。

图4为本发明中的双通道中频放大器原理框图。

图5为本发明中的信号处理器原理框图。

图6为本发明中的信号处理器的处理流程图。

图7为本发明中双通道低噪声收发模块、三角波调制器、信号处理器的连接关系示意图。

图8为本发明中的LED线阵显示器原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明最进一步说明。

如图1所示，本发明主要由天线、收发模块、中频放大器、三角波调制器、信号处理器、报警显示系统、红外摄像及图像处理几大部分组成，下面一一对其详细描述。

一.天线

如图2所示，采用两个双口径单脉冲天线，沿H向并列排列，天线指向一致，垂直极化，两根天线相位中心距为22mm，后接和差器，用于实现相位和差式单脉冲体制。天线口径为21.4×40(mm)矩形口径，和差器输出和、差信号为：

和信号： $\mathrm{\Σ}=E[e^{j(\frac{2\mathrm{\πD}}{\mathrm{\λ}}\·\sin \mathrm{\φ})}+1]$

和信号： $\mathrm{\Δ}=E[e^{j(\frac{2\mathrm{\πD}}{\mathrm{\λ}}\·\sin \mathrm{\φ})}-1]$

式中：φ——目标方位角

      E——φ向场强幅值

      λ——自由空间波长

      D——两个天线相位中心距

二.收发模块

如图3所示，收发模块为双通道低噪声收发模块，它由压控振荡器(VCO)、倍频器、功率放大器、第一功分器构成辐射源，经环形器输入到天线(∑路)，由天线向外辐射。回波信号经天线接收，由和差器输出和信号∑与差信号Δ，∑经第二低噪声放大器(LNA)、第二正交混频器、第二LC滤波器、第二预中放处理后输出，Δ经第一低噪声放大器(LNA)、第一正交混频器、第一LC滤波器、第一预中放输出。

模块输出发射功率为16dBm，两个接收通道的噪声系数(NF)均为3.5dB。由于差信号与和信号有90°固定相移，故在差通道引入-90°相移，确保∑与Δ同相。

由于收发共用一付天线，对环形器隔离度提出比较高的要求，因此采用高隔离度环形器，收发隔离30dB。

为充分压缩收发模块的尺寸，减小雷达的体积，采用混合集成结构，将压控振荡器(VCO)、倍频器、功率放大器、-90°相移器，以及所有的功分器、低噪声放大器、正交混频器、LC滤波器、预中放集成于一块介质基片上，整个模块尺寸：60×90×16(mm)。

三.三角波调制器

三角波线性与对称性是实现调频连续波体制的关键所在，为此，本发明专门设计的由三角波发生器和方波发生器组成的三角波调制器，能够对产生的三角波对称性、频率实现微调。其中，方波发生器可以进行频率调整和对称性调整，三角波发生器可以进行线性度调整，使得最终产生的三角波具有高线性和高对称性特点，且线性与对称性最高可达到0.1％。三角波调制器与其他模块的连接关系如图7所示。

四.中频放大器

在本发明中，双通道中频放大器有两个作用：一，对和、差中频信号放大到数字信号处理所需要的电平；二，对回波信号动态范围进行压缩。如图4所示，为实现第一个作用，保证双通道中频放大器有足够宽的动态范围，采用对数中放加自动增益控制(AGC)的方法，确保80dB动态范围；为实现第二个作用，采用巴特沃斯压缩滤波器。根据雷达作用距离方程，回波信号功率与距离四次方成反比，对应调频连续波体制，也就是与差频四次方成反比，由于巴特沃斯压缩滤波器低频段衰减大，高频段衰减小，频率响应以10倍频程40dB斜率上升，采用这种滤波器正好弥补距离变化因素，使输出的同一目标回波信号幅度远近不变。

五.信号处理器

信号处理器起着十分重要的作用，它能够从复杂背景噪声(Noise)与杂波(Clutter)环境中筛选出所需要的目标回波信号。如图5所示，本发明为有效的完成这种处理，以高速数字信号处理芯片(DSP)为核心，辅以外围器件，构建处理平台，并按图6所示流程进行处理。

图6中四个门限按不同法则进行确定，方位门限按车道宽度与探测距离设定；幅度门限按信号平均幅度自动设定；速度门限按行车速度自动设定；距离门限按最近目标距离自动设定。回波信号经四门限筛选，最终锁定所需要跟踪的目标，并给出所对应的一组目标数据(φt，U_t，V_t，R_t)，其中方位角φ_t由双通道单脉冲体制所产生，由归一化差信号

通过计算给出，φ_t与

关系如下式所示：

${\mathrm{\φ}}_t={\cos }^{-1}\left[\frac{1-{\left(\frac{{\mathrm{\Δ}}_t^{\′\′}}{{\mathrm{\Σ}}_t^{\′\′}}\right)}^2}{1+{\left(\frac{{\mathrm{\Δ}}_t^{\′\′}}{{\mathrm{\Σ}}_t^{\′\′}}\right)}^2}\right]$

式中：Δ″_t——被跟踪目标差信号

      ∑″_t——被跟踪目标和信号

φ_t是在“方位筛选”程序中被计算出来的。

六.红外摄像及处理

红外摄像机采用850nm波长，16mm自动光圈镜头，10^-4Lux超低照度红外摄像机，在获取被跟踪目标的图象后，传输至图像处理器将图像进行不失真处理，将图像清晰化，然后传输至7英寸LCD显示器上显示出来，还可以通过遥控器，对LCD显示器亮度、对比度进行调整，使显示的图像更加清晰，让使用者能够直观地观察到被跟踪目标的外型，以便及时发现目标，作出相应处理。

七.报警显示系统

报警显示系统包括报警、显示两大部分。报警采用声光报警，只要目标与本车之间的距离达到预设的报警距离R_A，报警装置即进行报警。若驾驶员在一定时间内没有作出相应的操作，如刹车、减速等操作，报警装置将向刹车系统发出指令，直接控制刹车。

本发明的基本功能主要有两个：一是对前方目标进行探测，给出被跟踪目标的距离R_t及其它相关数据，二是计算报警距离R_A，R_A由车速、车型、路况、司机反映时间、最小停车间隔所决定，用公式表示：

R_A＝V₀gΔt+R_ss+ΔR

式中：V₀——刹车前车速

      Δt——司机反应时间，一般取Δt＝0.3～0.5秒

R_ss——汽车制动距离

ΔR——最小停车间隔，一般取ΔR＝10米

汽车制动距离R_ss与刹车前车速、车型、路况有关，本发明通过大量跑车试验，建立了一组比较准确的数学模型：

有ABS时，干路面： $R_{\mathrm{ss}}=\frac{0.5V_0^2}{13.63-0.1563V_0}$

湿路面： $R_{\mathrm{ss}}=\frac{0.5V_0^2}{6.71}$

无ABS时，干路面： $R_{\mathrm{ss}}=\frac{0.5V_0^2}{10.287-0.0193V_0}$

湿路面： $R_{\mathrm{ss}}=\frac{0.5V_0^2}{1.03+0.1025V_0}$

v₀——刹车前车速(米/秒)

此模型与Benz轿车道路试验结果对比，在100米制动距离范围内，误差不超过1米。根据上述模型计算出来的报警距离准确率很高，能够为驾驶员争取尽可能多的时间。

除了报警装置的提示外，显示器还可以将实时检测的目标数据显示出来。显示的目标数据一般包括φ_t、U_t、V_t、R_t，其中φ_t、V_t以数码方式显示，U_t用于调正幅度门限，目标距离R_t由双色LED线阵显示器进行显示，LED线阵显示器的组成框图如图8。针对240米的测量范围，采用40个双色LED灯按“一”字形排列，每个LED灯覆盖6米范围，当目标距离R_t落入某个灯覆盖的范围时，该灯由绿色变为红色，从而给使用者以提示。

本发明中，雷达工作载频：29.5GHz，雷达辐射功率：16dBm，雷达天线增益：23dB，雷达噪声系数：3.5dB，雷达探测距离：240米，红外探测响应波长：850nm，红外探测灵敏度：10^-4Lux，红外探测距离：250米，系统供电：12V/2A，其基本工作过程如下：

雷达部分，由双通道低噪声收发模块输出线性调频连续波信号，经双口径单脉冲天线和通道(∑)向外辐射，辐射电磁波碰到目标反射，由双口径单脉冲天线输出和信号∑和差信号Δ，∑与Δ经双通道低噪声收发模块进行低噪声放大、混频、输出差频信号，再经LC滤波、预中放放大，输出和信号∑′与差信号Δ′。∑′与Δ′输入到双通道中频放大器，经中频放大器滤波、放大，输出∑″与Δ″，∑″与Δ″是信号处理器输入的原始模拟信号，其中∑″频率含有目标距离与速度信息，Δ″幅度含有目标方位信息，∑″与Δ″经信号处理器处理，提取目标方位、幅度、速度、距离信息，再经四门限筛选，最终输出所要跟踪目标的距离R_t与速度V_t。距离R_t有两个用途，一是输入到LED线阵显示器显示，二是与报警距离R_A进行比较，当R_t≤R_A发出报警，报警信号一是输入到防撞报警器驱动声光报警，二是产生刹车指令控制刹车。LED线阵显示器由编码器、LED驱动器、LED线阵显示器依次连接组成。

红外部分，由红外摄像机输出目标的图像信号，经图像处理器处理后，输入到LCD图像显示器显示出来。

Claims (8)

1.毫米波/红外复合探测雷达，其特征在于，包括双口径单脉冲天线、双通道低噪声收发模块、双通道中频放大器、三角波调制器、信号处理器、红外摄像机、图像处理器、报警显示系统，所述双口径单脉冲天线、双通道低噪声收发模块、双通道中频放大器、信号处理器、报警显示系统依次连接，三角波调制器分别与双通道低噪声收发模块、信号处理器连接，红外摄像机通过图像处理器与报警显示系统连接；所述双通道低噪声收发模块包括辐射源、环形器、-90°移相器、第一低噪声放大器、第一正交混频器、第一LC滤波器、第一预中放、第二低噪声放大器、第二正交混频器、第二LC滤波器、第二预中放和第二功分器；所述辐射源分别与环行器和第二功分器连接，环行器一路与和差器的和信号输出端连接，另一路依次经第二低噪声放大器、第二正交混频器、第二LC滤波器、第二预中放后输出信号；-90°移相器一路与和差器的差信号输出端连接，另一路依次经第一低噪声放大器、第一正交混频器、第一LC滤波器、第一预中放后输出信号；第二功分器还分别与第一正交混频器、第二正交混频器连接。

2.根据权利要求1所述的毫米波/红外复合探测雷达，其特征在于，所述辐射源由依次连接的压控振荡器、倍频器、功率放大器和第一功分器组成。

3.根据权利要求1所述的毫米波/红外复合探测雷达，其特征在于，所述第二功分器为3dB功分器，所述第一低噪声放大器、第二低噪声放大器的噪声系数均为2dB。

4.根据权利要求1所述的毫米波/红外复合探测雷达，其特征在于，所述环行器为收发隔离30dB的高隔离度环形器。

5.根据权利要求1所述的毫米波/红外复合探测雷达，其特征在于，所述三角波调制器包括相互连接的三角波发生器、方波发生器，所述三角波发生器与双通道低噪声收发模块连接，方波发生器与信号处理器连接。

6.根据权利要求1所述的毫米波/红外复合探测雷达，其特征在于，所述双通道中频放大器包括第一高通滤波器、第一放大器、第二高通滤波器、第一对数放大器、第三高通滤波器、第二放大器、第四高通滤波器、第二对数放大器和自动增益控制模块，所述第一高通滤波器一端与第一预中放的输出端连接，另一端依次经第一放大器、第二高通滤波器、第一对数放大器后输出；第三高通滤波器一端与第二预中放的输出端连接，另一端依次经第二放大器、第四高通滤波器、第二对数放大器后输出；第一对数放大器与第二对数放大器连接，自动增益控制模块一端与第二对数放大器的输出端连接，另一端与第一对数放大器和第二对数放大器的连接点连接。

7.根据权利要求6所述的毫米波/红外复合探测雷达，其特征在于，所述信号处理器包括依次连接DSP模块、参数筛选模块、报警鉴别模块和报警距离计算模块，所述DSP模块的输入端分别与第一对数放大器的输出端、第二对数放大器的输出端连接。

8.根据权利要求1所述的毫米波/红外复合探测雷达，其特征在于，所述报警显示系统包括防撞报警器、LED线阵显示器、LCD图像显示器，所述防撞报警器、LED线阵显示器分别与信号处理器连接，LCD图像显示器与图像处理器连接。

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