CN102486537A

CN102486537A - 一种毫米波雷达防撞探测装置

Info

Publication number: CN102486537A
Application number: CN2010105728587A
Authority: CN
Inventors: 毕欣; 杜劲松; 李宁; 汤俊
Original assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Current assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Priority date: 2010-12-05
Filing date: 2010-12-05
Publication date: 2012-06-06

Abstract

本发明涉及一种毫米波雷达防撞探测装置，波形发生模块产生波形调制电压输出至毫米波收发组件，毫米波收发组件产生毫米波频段发射波形通过天线辐射出去，同时通过天线接收目标反射回波，回波经过毫米波收发组件后下变频输出中频差拍信号，中频预处理模块对中频差拍信号进行自动增益控制，输出信号经过系统控制模块进行采样与分析处理后输出至显示报警模块；温度控制模块对装置进行温度监控，与系统控制模块进行双向通讯；系统控制模块通过显示报警模块与外界进行通讯和报警。本发明具有测距、测速以及多目标识别功能，能够适应各种地物杂波、恶劣的气象条件以及工业现场大量的粉尘干扰，可广泛应用于各种复杂的工业现场和汽车驾驶安全领域。

Description

一种毫米波雷达防撞探测装置

技术领域

本发明涉及工业和汽车行业中的防撞安全装置，具体的说是一种毫米波雷达防撞探测装置。

背景技术

工业现场和汽车行业常用防撞探测系统探测车体的周围环境，在发生碰撞前发出报警或制动信息，避免碰撞造成的各种损失。

在传统的防撞探测系统中，通常采用激光和超声波雷达探测并获取车辆周围环境信息，由于防撞探测系统的工作环境十分复杂，周围地物的干扰、恶劣的气象条件以及工业现场大量的粉尘干扰，都会严重制约激光和超声波方式的目标检测能力。

毫米波是指频率在30GHz到300GHz之间的电磁波，由于它具有波长短、频带宽、方向性好和穿透能力强等优点，已在许多方面均有应用。毫米波雷达防撞探测方式克服了激光和超声波雷达探测方式中恶劣环境适应性差的缺点。目前利用毫米波作为工业和民用行车安全防撞探测装置已有应用，但是由于系统的稳定性、测量精度、信号处理速度尚不能完全适应各种恶劣及复杂环境下的应用，有待进一步改进。

发明内容

针对现有技术中存在的安全防撞探测装置稳定性、测量精度、信号处理速度尚不能完全适应各种恶劣及复杂环境等不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种速度快，精度高、稳定性好，适应性强的毫米波雷达防撞探测装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明毫米波雷达防撞探测装置包括天线、毫米波收发组件、中频预处理模块、波形发生模块、系统控制模块、温度控制模块，显示报警模块以及电源模块，其中，波形发生模块产生波形调制电压输出至毫米波收发组件，毫米波收发组件产生毫米波频段发射波形通过天线辐射出去，同时通过天线接收目标反射回波，回波经过毫米波收发组件后下变频输出中频差拍信号，中频预处理模块对中频差拍信号进行自动增益控制，输出信号经过系统控制模块进行采样与分析处理后输出至显示报警模块；温度控制模块对装置进行温度监控，与系统控制模块进行双向通讯；系统控制模块通过显示报警模块与外界进行通讯和报警。

所述中频预处理模块包括前置放大器、灵敏度频率控制电路以及自动增益控制电路，其中前置放大器接收来自毫米波收发组件的回波中频差拍信号，输出放大后的中频信号至灵敏度频率控制电路，灵敏度频率控制电路输出频率增益控制信号经自动增益控制电路输出幅度增益控制信号至系统控制模块。

所述波形发生模块由FPGA控制实现，包括时钟源、分频器、地址发生器、波形存储器、D/A转换单元，其中分频器将时钟源的时钟进行分频得到的地址时钟信号输出给地址发生器，地址发生器产生地址信号输出至波形存储器，波形存储器输出的波形数据信号经D/A转换单元进行数/模转换后输出系统所需不同波形的电压调制信号至毫米波收发组件。

所述系统控制模块包括数字信号处理单元、PID温度控制单元、通讯接口单元，系统控制模块通过数字信号处理单元与中频预处理模块进行通讯连接，通过PID温度控制单元与温度控制模块进行通讯连接，通过通讯接口单元与显示报警模块进行通讯连接。

所述数字信号处理单元采用高速数字信号处理器DSP，由数据采集控制与探测算法实现数据信号的处理及PID温度算法控制。

所述通讯接口单元由USB、RS232、CAN多种通讯接口组成。

所述温度控制模块包括A/D采样单元、温度传感器、加热装置及继电器，其中温度传感器信号经A/D转换单元送至系统控制模块的PID温度控制单元，继电器接收PID温度控制单元输出的控制信，继电器的接点设于加热装置的控制回路中。

所述天线采用平面微带天线，天线采用独立收发控制方式。

本发明具有以下有益效果及优点：

1．本发明毫米波雷达防撞探测装置，具有测距、测速以及多目标识别功能，探测距离为1米到150米，探测距离精度0.15米，测量速度精度1米/秒；能够适应各种地物杂波、恶劣的气象条件以及工业现场大量的粉尘干扰，可广泛应用于各种复杂的工业现场和汽车驾驶安全领域。

2．本发明采用模块化设计，天线采用平面微带天线，独立的收发天线，体积小，成本低，通讯模块实现USB、RS232、CAN总线接口，满足多种工业现场与汽车行车应用领域。

3. 本发明中的数字信号处理模块，采用DSP核心处理器对中频回波数据进行分析处理，进而对目标进行检测与分类；采用高速DSP处理器使复杂信号处理算法在50ms以内完成，能够满足车辆目标高速运动场合。

4．本发明中的波形发生模块和中频采集预处理模块，采用FPGA核心处理器，利用高速FPGA芯片驱动高精度DA芯片，产生毫米波前端VCO组件所需的各种调压与调频信号；利用高速FPGA芯片接口高精度AD芯片，实时采集毫米波雷达中频差拍信号，同时完成信号滤波等预处理功能。

5. 本发明为使毫米波雷达探测装置具有更远的探测范围，增大系统探测的动态范围，中频预处理模块采用灵敏度频率控制SFC电路，将放大器的增益作为频率的函数来实现控制，最后通过AGC自动增益控制电路将中频信号输出幅度控制在2V以内，使系统动态范围达到80分贝。

6. 本发明中的温度控制模块采用高精度温度传感器，利用PID温度控制算法使毫米波收发前端及VCO组件始终处于恒温状态，保证了雷达探测结果的精度和稳定性。

附图说明

图1为本发明装置整体结构示意图；

图2为本发明装置中毫米波收发组件结构示意图；

图3为本发明装置中系统控制模块内部结构示意图；

图4为本发明装置中的中频预处理模块原理示意图；

图5为本发明装置中波形产生模块内部结构示意图；

图6为本发明装置中温度控制模块内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明装置的使用方法作进一步详细说明。

如图1所示，为本发明装置整体结构示意图。本发明装置包括天线1，毫米波收发组件2，中频预处理模块3，波形发生模块4，系统控制模块5，温度控制模块6，显示报警模块7以及电源模块8。其中，天线1由接收微带天线和发射微带天线组成，波形发生模块4产生波形调制电压输出至毫米波收发组件2，毫米波收发组件2产生毫米波频段发射波形通过天线1辐射出去，同时通过天线1接收目标反射回波，回波经过毫米波收发组件2下变频输出中频差拍信号，中频预处理模块3对中频差拍信号进行自动增益控制，输出信号经过系统控制模块5进行中频数据采样分析与处理，温度控制模块6对装置进行温度监控，系统控制模块5通过显示报警模块7与外界进行通讯和报警。

如图2所示，为本发明装置收发组件结构示意图，其中波形发生模块4产生电压和周期可调的三角波或锯齿波信号输入至毫米波收发组件2中压控振荡器21输入端，压控振荡器VCO产生的频率一部分经过内部功率放大器23输出至天线1的发射端向外辐射出去，另一部分经过定向耦合器22耦合到混频器25作为本振信号，天线1的接收端接收目标回波信号经内部低噪声放大器24放大后与本振进行混频，混频后输出中频差拍信号。

如图3所示，为本发明装置系统控制模块内部结构示意图，其中系统控制模块5主要包括，数字信号处理单元51， PID温度控制单元52，通讯接口单元53，其中，中频预处理模块3输出中频差拍信号至数字信号处理单元51进行信号分析与处理，数字信号处理单元51处理结果通过通讯接口单元53输出至显示报警模块7， PID温度控制单元52对温度控制模块数据采集与控制。

如图4所示，为本发明装置中频预处理模块原理示意图，中频预处理模块3主要包括三个部分，前置放大器电路31，灵敏度自动控制SFC电路32，自动增益控制电路33，其中，中频差拍信号首先输入至前置放大器电路31进行30dB的增益放大，为增大系统动态范围，使放大后的信号经过灵敏度自动控制SFC电路32对远端高频回波信号进行放大，放大后的信号经过自动增益控制AGC电路33，将输出信号控制在AD采样幅度范围±2V以内，便于数据处理模块进行数据的采样分析。

如图5所示，为本发明装置中波形发生单元结构示意图，信号控制处理模块4有FPGA逻辑控制单元组成，主要包括时钟源41，分频器42，地址发生器43，波形存储器44以及D/A转换单元45。其中分频器42将时钟源41的时钟进行分频得到地址时钟信号，输出给地址发生器43，产生地址信号，地址发生器43再将地址信号输出至波形存储器44，波形存储器44的输出的波形数据信号经D/A转换单元45进行数/模转换后输出系统所需不同波形的电压调制信号

如图6所示，为本发明装置中温度控制模块示意图，为了提高系统探测的精度，需要保证毫米波组件处于恒温状态，恒温控制是通过温度控制模块6来实现的，装置外壁上安装了精密的温度传感器61，温度信息以电压形式传送给第二A/D转换单元62，数字信号处理模块5得到当前的温度信息，通过PID温度控制单元52驱动继电器63控制加热装置64对装置进行加热，从而实现了闭环控制装置温度。所述温度控制模块6通过数字信号处理模块5内部的DSP 5509A以定时中断方式对装置外壁温度进行采样，判断并采用PID算法对装置进行恒温加热。

所述FPGA采用Altera Cyclone II芯片，芯片内部处理器采用高速并行结构，可以保证各单元同步快速实现所述功能，所述数字信号处理模块5采用TI公司的高速数字信号处理器TMS320C5509A，该芯片具有200MHz的主频，满足信号的实时处理功能。Cyclone II芯片内嵌的RAM可以做双端口RAM操作，很容易配置为乒乓的DMA操作流程，从而实现与DSP 5509A总线的高速数据交换，保证了DSP + FPGA方案的实施。

Claims

1.一种毫米波雷达防撞探测装置，其特征在于包括：天线（1）、毫米波收发组件（2）、中频预处理模块（3）、波形发生模块（4）、系统控制模块（5）、温度控制模块（6），显示报警模块（7）以及电源模块（8），其中，波形发生模块（4）产生波形调制电压输出至毫米波收发组件（2），毫米波收发组件（2）产生毫米波频段发射波形通过天线（1）辐射出去，同时通过天线（1）接收目标反射回波，回波经过毫米波收发组件（2）后下变频输出中频差拍信号，中频预处理模块（3）对中频差拍信号进行自动增益控制，输出信号经过系统控制模块（5）进行采样与分析处理后输出至显示报警模块（7）；温度控制模块（6）对装置进行温度监控，与系统控制模块（5）进行双向通讯；系统控制模块（5）通过显示报警模块（7）与外界进行通讯和报警。

2.按权利要求1所述的一种毫米波雷达防撞探测装置，其特征在于：

所述中频预处理模块（3）包括前置放大器（31）、灵敏度频率控制电路（32）以及自动增益控制电路（33），其中前置放大器（31）接收来自毫米波收发组件（2）的回波中频差拍信号，输出放大后的中频信号至灵敏度频率控制电路（32），灵敏度频率控制电路（32）输出频率增益控制信号经自动增益控制电路（33）输出幅度增益控制信号至系统控制模块（5）。

3.按权利要求1所述的一种毫米波雷达防撞探测装置，其特征在于：

所述波形发生模块（4）由FPGA控制实现，包括时钟源（41）、分频器（42）、地址发生器（43）、波形存储器（44）、D/A转换单元（45），其中分频器（42）将时钟源（41）的时钟进行分频得到的地址时钟信号输出给地址发生器（43），地址发生器（43）产生地址信号输出至波形存储器（44），波形存储器（44）输出的波形数据信号经D/A转换单元（45）进行数/模转换后输出系统所需不同波形的电压调制信号至毫米波收发组件（2）。

4.按权利要求1所述的一种毫米波雷达防撞探测装置，其特征在于：所述系统控制模块（5）包括数字信号处理单元（51）、PID温度控制单元（52）、通讯接口单元（53），系统控制模块（5）通过数字信号处理单元（51）与中频预处理模块（3）进行通讯连接，通过PID温度控制单元（52）与温度控制模块（6）进行通讯连接，通过通讯接口单元（53）与显示报警模块（7）进行通讯连接。

5.按权利要求4所述的一种毫米波雷达防撞探测装置，其特征在于：

所述数字信号处理单元（51）采用高速数字信号处理器DSP，由数据采集控制与探测算法实现数据信号的处理及PID温度算法控制。

6.按权利要求4所述的一种毫米波雷达防撞探测装置，其特征在于：

所述通讯接口单元（53）由USB、RS232、CAN多种通讯接口组成。

7.按权利要求1所述的一种毫米波雷达防撞探测装置，其特征在于：

所述温度控制模块（6）包括A/D采样单元（62）、温度传感器（61）、加热装置（64）及继电器（63），其中温度传感器（61）信号经A/D转换单元（62）送至系统控制模块（5）的PID温度控制单元（52），继电器（63）接收PID温度控制单元（52）输出的控制信，继电器（63）的接点设于加热装置（64）的控制回路中。

8.按权利要求1所述的一种毫米波雷达防撞探测装置，其特征在于：所述天线（1）采用平面微带天线，天线采用独立收发控制方式。