CN102435981B - 一种77GHz毫米波汽车防碰撞雷达收发装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车防碰撞雷达系统，尤其涉及一种77GHz毫米波汽车防碰撞雷达收发装置，属于雷达通信技术领域；具体包括天线模块、射频模块、信号处理模块、外设模块和电源模块。信号处理模块的发射信号综合器、滤波放大与均衡模块与射频模块相连；射频模块的分路器与天线模块的发射控制器相连，多路混频器与接收控制器连接；显示与报警信号模块、数字信号处理器模块分别与外设模块相连。天线模块采用透镜和天线结合的方式，工作于77GHz毫米波频段，使得系统稳定性及灵敏度精度得到了可靠保证；信号处理模块保证了采样数据的准确性，有效提高了信号的动态范围；采用集成模块组件设计射频模块，实现接收天线的高精度测角及快速切换。

Description

一种77GHz毫米波汽车防碰撞雷达收发装置

技术领域

本发明涉及一种汽车防碰撞雷达系统，尤其涉及一种77GHz毫米波汽车防碰撞雷达收发装置，属于雷达通信技术领域。

背景技术

汽车主动防碰撞控制技术的研究一直受到广泛重视，成为近年来研究与发展汽车防撞系统的主流技术，被美国《福布斯》杂志评为“未来十大焦点汽车安全技术”之一。汽车主动防碰撞控制系统等主动安全驾驶辅助装置，可以明显减少司机的负担和判断错误，对于提高交通安全，降低恶性交通事故发生率、减少生命财产损失将起到重要作用。NHTSA的研究结果表明，防碰撞报警系统可以使追尾碰撞事故平均减少51％，因改变车道而引起的交通事故平均减少47％。

随着技术的进步，二十世纪八十年代后期，以毫米波防撞雷达为基础的汽车主动防碰撞控制技术研究进入了快速发展阶段。

国内对基于雷达的汽车主动防碰撞技术研究和报道都是基于较低频率，如江苏赛博电子有限公司等研制的汽车雷达防撞系统使用38GHz毫米波技术和高速DSP数字信号处理器。监视前向车道上静止的和行驶的车辆，提供20个目标的距离和接近速度数据判断潜在碰撞危险目标，虚警率为10^-3，最小检测距离为1米。中国科学院上海微系统所2001年研制了的35GHz毫米波雷达系统，也是线性调频连续波(LFMCW)体制，调制信号为周期的三角波。集成收发前端为波导结构，天线为喇叭天线，信号处理部分使用通用DSP芯片实现测距范围＞100m，测速范围＞100km/h。2005年，微系统所研制出24GHz全芯片集成的小型防撞雷达。目前，射频发射信号频率达77GHz时信号波长短，无线电波接近直线传播，系统性能可达很高。但77GHz射频发射信号的系统，信息获取不足是一个较为严重的问题，因此，国内外77GHz频段的汽车主动防碰撞雷达系统相关信息还少见报道。

发明内容

本发明为了提高系统稳定性，消除外界环境对天线及汽车防碰撞雷达的影响，提出了一种77GHz毫米波汽车防碰撞雷达射频收发系统装置。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种77GHz毫米波汽车防碰撞雷达收发装置，包括天线模块、射频模块、信号处理模块、外设模块和电源模块。

(1)所述天线模块包括发射天线、接收天线、发射控制器和接收控制器。其中的发射天线和接收天线为天线与透镜结合，具体包括透镜载板、微波电路载板、介质透镜、发射天线、多个接收天线、支柱，其中介质透镜的数量等于发射天线和接收天线数量之和；其中的发射控制器包括可编程放大器和低噪声放大器(LNA)，接收控制器包括多组接收电路，每组对应一个接收天线，具体包括LNA和隔离器。天线各组成部分的连接关系为：一个发射天线和多个接收天线均安装于微波电路载板上，每个介质透镜均独立悬挂于透镜载板上，每个天线对应一个介质透镜，且与对应介质透镜的中心位置处在同一竖直方向；透镜载板与微波电路载板之间采用支柱连接，二者平行。

上述发射天线为单一宽波束天线，为保证单波束的发射天线有足够的发射功率，在发射控制器中的可编程放大器经过与LNA协调，根据系统需求灵活改变发射功率；接收天线采用窄波束天线，形成多波束接收天线，每一个接收天线连接到一路对应的接收控制器中的隔离器及放大器，所述全部窄波束接收天线均相同；接收控制器能在接收多个接收天线波束的信号并放大，以满足在覆盖汽车前方区域的同时实现高测角精度。

上述发射控制器、发射天线、接收控制器和接收天线均工作于77GHz频段。

上述发射天线和接收天线的波束成形均通过采用介质透镜实现，各介质透镜角度可调，各介质透镜的焦距与透镜直径相同，最佳焦距范围为60-80mm，在介质透镜上贴有铝箔用来抑制和屏蔽天线旁瓣。

上述透镜载板为聚四氟乙烯(Teflon)材料，支柱的高度可调。

上述微波电路载板固定各收发天线的位置，其上带有天线测试装置，用于对天线的测试与调试。

(2)所述射频模块，包括76.5GHzVCO综合器、分路器和多路混频器，均工作于77GHz频段；76.5GHzVCO综合器与分路器连接，分路器与多路混频器相连；完成单路发射和多路接收功能，完成中频信号与射频信号之间的转换。

所述中频信号与射频信号之间的转换，包括欲发射的单路中频信号上变频到77GHz射频信号，接收来的多路77GHz频段信号下变频到多路中频信号；

所述射频模块采用射频集成组件的方式实现，在组件合成环节中，所有射频集成组件中压控振荡器时钟的同步通过调整扫频起始时间相差来实现，具有以下特点：

(a)任意时刻，集成组件间频点总是不同，使得组件间工作方式为频分复用；

(b)每个集成组件上的若干路接收只对本组件的发射信号反应；

(c)克服了多个集成组件的发送频率设置在相同频率时组件间的本振容易互锁的情况，互锁结果导致输出频率的相位很难预测。

(3)所述信号处理模块，包括发射信号综合器、系统时序控制模块、滤波放大与均衡模块、高精度模数变换模块、数字信号处理器模块、显示与报警信号控制模块、数模转换(DAC)模块和时钟电路；其中，时钟电路为数字信号处理器模块提供基准时钟；系统时序控制模块受射频模块的控制，其输出分别与发射信号综合器、滤波放大与均衡模块、高精度模数变换模块、数字信号处理器模块、数模转换模块相连；数字信号处理器模块的输出与数模转换模块、显示与报警信号模块相连，数模转换模块的输出连接到发射信号综合器；滤波放大与均衡模块输出经高精度模数变换模块，输出到数字信号处理器模块。

数字信号处理器模块产生中频数字发射信号，经DAC模块得到中频模拟发射信号，再在系统时序控制模块控制下经发射信号综合器输出至射频模块；滤波放大与均衡模块接收射频模块中多路混频器输出的多路中频接收信号，并对每一路中频接收信号进行放大、低通滤波与二次放大，输出到高精度模数变换模块；高精度模数变换模块将滤波放大与均衡模块输出的中频模拟接收信号变换到中频数字接收信号进入数字信号处理器模块中，数字信号处理器模块中进行相应算法处理。信号处理器模块结合外部传感器输入信号并综合处理各路输入数据信息，给出显示与报警信号，并且受系统时序控制模块的控制将显示与报警信息及时发送到外设模块。发射信号综合器包括发射衰减电路、发射滤波器电路，完成在系统时序控制模块输出的信号控制下将DAC模块输出的模拟发射信号经过相应模拟转换送入射频模块，再经射频模块中的76.5GHzVCO控制，进一步控制发射波的频率，最终实现测距和测速。

(4)所述外设模块包括显示屏、CAN总线与串口外设、GPS等外部传感器。

(5)所述电源模块为信号处理模块、射频模块、外设模块及天线模块提供工作电源。

本装置的连接关系为：信号处理模块的发射信号综合器与射频模块的76.5GHzVCO综合器相连，滤波放大与均衡模块和多路混频器相连；射频模块的分路器与天线模块的发射控制器相连，多路混频器与接收控制器的低噪声放大器连接；显示与报警信号模块分别与显示屏、CAN总线与串口外设相连；外设模块的GPS等外部传感器与数字信号处理器模块、显示与报警信号模块相连。

本发明的一种77GHz汽车防碰撞雷达收发装置，具体工作步骤为：

步骤1，数字信号处理器模块产生扫频电压信号，DAC模块转换在系统时序控制模块控制下将此扫频电压信号转换为模拟电压信号输入发射信号综合器，并由射频模块的压控振荡器发射射频信号用于探测目标；

步骤2，经天线模块中接收控制器接收到的多路雷达回波信号在射频模块内部混频，变为模拟中频接收信号输出；

步骤3，信号处理模块中的滤波放大与均衡模块对步骤2产生的多路模拟中频接收信号进行滤波、放大及均衡等处理，滤波放大与均衡模块的具体工作过程为：

3.1对每一路模拟中频接收信号进行放大；

3.2对步骤3.1发大后的信号进行低通滤波，滤除高频噪声；

3.3对步骤3.2滤波后的信号进行二级放大；

3.4对步骤3.3二级放大后的每一路模拟接收信号进行均衡处理；

步骤4，对步骤3输出的模拟接收信号输入高精度模数变换模块进行采集，产生数字信号，送入数字信号处理器模块；

步骤5，数字信号处理器模块对步骤4输出的数字信号进行信号处理，信号处理的过程包含：

5.1对每一路数据分别进行正向调制段数据锁存和负向调制段数据锁存；

5.2对经过步骤5.1锁存的数据进行FFT求模；

5.3对步骤5.2进行FFT求模后的信息进行过门限的目标检测，即将被检测的信息与门限做比较，大于门限则认为是目标；

5.4对步骤5.3检测到的目标进行杂波消除和动目标配对；

5.5对步骤5.4处理后的目标进行角度测量；

5.6对步骤5.5目标角度测量后的信息进行相关跟踪，对超过警戒距离的目标输出告警信息；

步骤6，将步骤5.3及5.6的计算结果输出，整理为显示与报警信号，送出至显示屏显示，最终实现测距和测速。

有益效果

本发明具有以下优点：

(1)发射天线和接收天线工作于77GHz毫米波频段，使得系统稳定性及灵敏度精度得到了可靠保证；

(2)采用集成模块组件方式设计射频模块，配合天线模块中的可编程放大器和低噪声放大器，实现接收天线的高精度测角及快速切换；

(3)多接收天线将接收来的若干路回波信号经若干集成组件构成的射频模块进行处理，其中集成组件频点件通过控制时钟同步扫频电压起始时间使得各组件工作于频分复用的方式；

(4)射频模块采用射频集成组件对雷达前端进行集成，大大降低了射频模块体积和成本；

(5)信号处理模块，电路简洁、占用车载空间小、成本低、功耗低，信号处理板对雷达天线接收到的信号进行了有效的放大和滤波，尤其是在二级放大中间采用了高性能低噪滤波器芯片，有效降低了高频噪声，保证了采样数据的准确性，有效提高了信号的动态范围；

(6)天线模块采用透镜和天线结合的方式，增加了设计和实现的灵活性，降低了设计难度，保证了系统的稳定性、灵敏度和精度；带有必要的天线测试结构，采用集成模块组件设计单发多收的射频模块，配合天线模块中的可编程放大器、低噪声放大器及外部高速数字器件的控制，实现接收天线的高精度测角及快速切换。

附图说明

图1是本发明的系统总框图；

图2为实施例中天线模块的“单发四收天线”俯视结构示意图；

图3为实施例中天线模块的“单发四收天线”纵切面结构示意图；

图4为实施例中的试验效果图。

标号说明：

1-接收天线，2-发射天线，3-Teflon透镜载板，4-微波电路载板，5-天线测试装置接口，6-透镜，7-支柱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1为本发明的总体结构图，具体包括天线模块、射频模块、信号处理模块、外设模块和电源模块。

本实施例的射频模块，包含一个发送模块和四个接收模块；采用infenion公司生产的射频收发集成组件，单个集成射频收发集成组件中，VCO输出的本振载波经过功分器输出到两个定向耦合器，其中的功分器为180相移功分器，即功分器的两路输出信号间存在180度的相移。两路输出信号在定向耦合器的作用下集成了发送和接收功能，发送功能是实现本振信号和中频信号混频输出，接收功能是将射频信号与本振混频输出中频信号。单个集成射频收发集成组件包括两个单收功能模块和两个发/收功能模块，可实现两发四收功能。其中发/收功能模块不能在接收时保证发送静默且不带有集成天线，发射功率低。本实施例中采用两个此类型的射频收发集成组件实现单发四收功能，同时外部配相应的可编程放大器和低噪声放大器用以与天线相接。

每个集成射频收发集成组件各禁用一个发/收功能，也即每个组件形成单发双收组态，两个单独发射功能受图1中发射信号综合器的控制，使VCO输出受电压信号控制的本振频率；同时发射功能经频率调谐反馈到图1中的发射信号综合器及与之相连的数字信号处理模块中。两个单独发射功能进行功率合并后经可编程放大器和低噪声放大器接入同一个宽波束天线，两个射频收发集成组件的4个接收模块分别连接到4个窄波束天线。上述两个射频收发集成组件中的压控振荡器同步通过调整扫频起始时间相差Tdelay实现。

本实施例中的“天线模块”，安装于汽车底盘上，为单发4收天线结构，采用天线与透镜结合的方式，由透镜载板、微波电路载板、5个介质透镜、1个发射天线、4个接收天线及其对应的发射控制器和接收控制器构成。

上述发射天线是覆盖范围为16度的单波束宽天线，4个接收机天线为窄波束天线，每个天线波束覆盖角度为4度，天线形状为长方形，便于连接介质透镜。

单发4收天线俯视结构如图2所示，纵切面结构如图3所示，其中每个介质透镜直径和焦距均为60mm，接收天线的尺寸为1mm*1mm，发射天线的尺寸为2mm*1.3mm，接收发射天线均位于微波电路载板的天线座内上，各天线对应的透镜位于Teflon透镜载板上，透镜载板与微波电路载板间通过可调节支柱相连，支柱的初始高度为60mm。本实施例中每个接收天线的波束覆盖范围为4度，4个接收天线依次排开，一共覆盖16度范围。

所述滤波放大与均衡模块中采用ANALOG DEVICES公司的低噪声运放AD8655完成放大与滤波功能，均衡采用分立小器件搭建。

所述的高精度模数变换模块中的主芯片ADC采用ANALOG DEVICES公司的16位芯片AD7980。

所述的DAC模块主要由DAC变换芯片及其后的衰减芯片组成，其中的主芯片采用ANALOG DEVICES公司的12位芯片AD5626；DAC转换后的输出电压还要进行衰减，用来产生一个较小幅度的模拟信号，此器件采用ANALOGDEVICES公司的AD8655。

所述的数字信号处理模块中主芯片采用Altera公司的Cyclone III系列芯片EP3C25F256，经编程实现本装置的功能。

本实施例的77GHz汽车防碰撞雷达收发装置，其工作过程如下：

步骤1，数字信号处理器模块产生一路数据代表扫频电压大小，DAC模块转换在系统时序控制模块控制下将此路扫频电压数据转换为模拟电压信号，并将此模拟电压信号输入发射信号综合器，发射信号综合输出信号控制射频模块的压控振荡器发射相应频率的射频信号用于探测目标；

步骤2，经天线模块中接收控制器接收到的4路雷达回波信号在射频模块内部混频，变为4路模拟中频信号输出；

步骤3，信号处理模块中的滤波放大与均衡模块对步骤2产生的4路模拟中频信号进行滤波、放大及均衡等处理，滤波放大与均衡模块的具体工作过程为：

3.1对4路模拟中频信号的每一路信号进行放大；

3.2对步骤3.1发大后的4路模拟信号中的每一路进行低通滤波，滤除高频噪声；

3.3对步骤3.2滤波后的4路信号中的每一路进行二级放大；

3.4对步骤3.3二级放大后的4路模拟信号中的每一路模拟信号进行均衡处理；

步骤4，对步骤3输出的4路模拟信号送入高精度模数变换模块进行4路并行采集，产生4路数字信号，并送入数字信号处理器模块；

步骤5，数字信号处理器模块对步骤4输出的4路数字信号进行信号处理，信号处理的过程包含：

5.1对4路数据中的每一路数据分别进行正向调制段数据锁存和负向调制段数据锁存；

5.2对经过步骤5.1锁存的4路数据进行FFT求模；

5.3对步骤5.2进行FFT求模后的4路信息进行过门限目标检测，即将被检测的信息与门限2uV做比较，大于门限2uV则认为是目标；

5.4对步骤5.3检测到的目标进行杂波消除和动目标配对；

5.5对步骤5.4处理后的目标进行角度测量；

5.6对步骤5.5目标角度测量后的信息进行相关跟踪，对超过警戒距离的目标输出告警信息；目前，虚警概率可以做到2uV上实现无虚警。

步骤6，将步骤5.3及5.6的计算结果输出，整理为显示与报警信号，送出至显示屏显示。

本实施例的77GHz毫米波汽车防碰撞雷达收发系统装置，经过系统搭建，并且相关信号处理环节，实现了射频信号的收发及测距和测速。并且基于实测数据与实验数据计算结果输出为显示及报警信号至显示屏，目前系统测距和测速精度分别为0.3m及0.5m/s。其试验效果如图4所示，雷达发现在前方3.08m处存在目标，在屏幕中显示数据并体现在坐标系统中。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种77GHz毫米波汽车防碰撞雷达收发装置，其特征在于：包括天线模块、射频模块、信号处理模块、外设模块和电源模块；

所述天线模块包括发射天线、接收天线、发射控制器和接收控制器；其中的发射天线和接收天线为天线与透镜结合，具体包括透镜载板、微波电路载板、介质透镜、发射天线、多个接收天线、支柱；发射控制器包括可编程放大器和低噪声放大器，接收控制器包括多组接收电路，每组对应一个接收天线，具体包括低噪声放大器和隔离器；一个发射天线和多个接收天线均安装于微波电路载板上，每个介质透镜均独立悬挂于透镜载板上，每个天线对应一个介质透镜，且与对应介质透镜的中心位置处在同一竖直方向；透镜载板与微波电路载板之间采用支柱连接，二者平行；

所述射频模块，包括76.5GHz压控振荡综合器、分路器和多路混频器，均工作于77GHz频段；76.5GHz压控振荡综合器与分路器连接，分路器与多路混频器相连；射频模块采用射频集成组件的方式实现，射频集成组件中压控振荡器时钟的同步通过调整扫频起始时间相差来实现；

所述信号处理模块，包括发射信号综合器、电源模块、系统时序控制模块、滤波放大与均衡模块、高精度模数变换模块、数字信号处理器模块、显示与报警信号模块、数模转换模块和时钟电路；时钟电路为数字信号处理器模块提供基准时钟；系统时序控制模块受射频模块的控制，其输出分别与发射信号综合器、滤波放大与均衡模块、高精度模数变换模块、数字信号处理器模块、数模转换模块相连；数字信号处理器模块的输出与数模转换模块、显示与报警信号模块相连，数模转换模块的输出连接到发射信号综合器；滤波放大与均衡模块输出经高精度模数变换模块，输出到数字信号处理器模块；

所述外设模块包括显示屏、CAN总线与串口外设、外部传感器GPS；

上述各组成部分的连接关系为：信号处理模块的发射信号综合器与射频模块的76.5GHz压控振荡综合器相连，滤波放大与均衡模块和多路混频器相连；射频模块的分路器与天线模块的发射控制器相连，多路混频器与接收控制器的低噪声放大器连接；电源模块为信号处理模块、射频模块、外设模块及天线模块提供工作电源；显示与报警信号模块分别与显示屏、CAN总线与串口外设相连；外设模块的外部传感器GPS与数字信号处理器模块、显示与报警信号模块相连；

上述收发装置的具体工作步骤为：

步骤1，数字信号处理器模块产生扫频电压信号，数模转换模块在系统时序控制模块控制下将此扫频电压信号转换为模拟电压信号输入发射信号综合器，并由射频模块的压控振荡综合器发射射频信号用于探测目标；

步骤2，经天线模块中接收控制器接收到的多路雷达回波信号在射频模块内部混频，变为多路模拟中频接收信号输出；

步骤3，信号处理模块中的滤波放大与均衡模块对步骤2产生的多路模拟中频接收信号进行滤波、放大及均衡处理，滤波放大与均衡模块的具体工作过程为：

3.1对每一路模拟中频接收信号进行放大；

3.2对步骤3.1放大后的信号进行低通滤波，滤除高频噪声；

3.3对步骤3.2滤波后的信号进行二级放大；

3.4对步骤3.3二级放大后的每一路模拟接收信号进行均衡处理；

步骤4，对步骤3输出的模拟接收信号输入高精度模数变换模块进行采集，产生数字信号，送入数字信号处理器模块；

步骤5，数字信号处理器模块对步骤4输出的数字信号进行信号处理，信号处理的过程包含：

5.1对每一路数据分别进行正向调制段数据锁存和负向调制段数据锁存；

5.2对经过步骤5.1锁存的数据进行FFT求模；

5.3对步骤5.2进行FFT求模后的信息进行过门限的目标检测，即将被检测的信息与门限做比较，大于门限则认为是目标；

5.4对步骤5.3检测到的目标进行杂波消除和动目标配对；

5.5对步骤5.4处理后的目标进行角度测量；

5.6对步骤5.5目标角度测量后的信息进行相关跟踪，对超过警戒距离的目标输出告警信息；

步骤6，将步骤5.3及5.6的计算结果输出，整理为显示与报警信号，送出至显示屏显示，最终实现测距和测速。

2.根据权利要求1所述的一种77GHz毫米波汽车防碰撞雷达收发装置，其特征在于：所述介质透镜的数量等于发射天线和接收天线数量之和；各介质透镜角度可调，焦距与其直径相同，最佳焦距范围为60-80mm，其上贴有铝箔用于抑制和屏蔽天线旁瓣。

3.根据权利要求1所述的一种77GHz毫米波汽车防碰撞雷达收发装置，其特征在于：所述发射天线为能根据系统需求灵活改变发射功率的单一宽波束天线。

4.根据权利要求1所述的一种77GHz毫米波汽车防碰撞雷达收发装置，其特征在于：所述接收天线采用多个相同的窄波束天线，形成多波束接收天线。

5.根据权利要求1所述的一种77GHz毫米波汽车防碰撞雷达收发装置，其特征在于：所述发射控制器、发射天线、接收控制器和接收天线均工作于77GHz频段。

6.根据权利要求1所述的一种77GHz毫米波汽车防碰撞雷达收发装置，其特征在于：所述微波电路载板固定各收发天线的位置，其上带有天线测试装置。

7.根据权利要求1所述的一种77GHz毫米波汽车防碰撞雷达收发装置，其特征在于：所述滤波放大与均衡模块接收射频模块中多路混频器输出的多路中频接收信号，并对每一路中频接收信号进行放大、低通滤波与二次放大。

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