CN102628943A - 基于恒指数谱混沌信号源的汽车防撞雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于恒指数谱混沌信号源的汽车防撞雷达。其特点是采用恒Lyapunov指数谱混沌信号源产生混沌检测信号，利用相关与求和双通道检测障碍物距离信息；利用双通道错时协同工作，实现了一定时间间隔内的位移量测量，进而可得速度。恒指数谱混沌信号源具有调幅控制特性与倒相控制特性，便于调控幅度调制深度，也利于求和距离检测。倒相控制特性可代替反同步控制方案，减少了同步控制器设计与电路实现的难度。通过软件对双通道检测的控制增加了距离检测的可靠性，也实现了速度的简易检测，触发的汽车报警信号与制动动作保证了移动车辆的安全性，起到了防撞的作用。本发明属于雷达通信设备，可用于各种移动物体的安全侦测。

Description

基于恒指数谱混沌信号源的汽车防撞雷达

技术领域

本发明涉及一种混沌信号雷达，通过发射与接收受混沌信号调制的信号，侦测障碍物目标的相对位置与相对速度，从而发出汽车防撞指令与信号。

背景技术

在公路交通非常发达的当今时代，汽车成为一种非常普遍的交通方式，交通安全是人们日益关注的焦点。而汽车的行驶速度在加快，公路的车流量在增加，汽车碰撞事故也越来越多。汽车电子产品因其在汽车工业中的显著作用而日益受到厂家与消费者的青睐，汽车电子产品层出不穷，各种功能的新型电子产品不断涌现，汽车防撞雷达就是一个很有市场生命力的汽车电子产品类型。

汽车防撞雷达的基本原理是源于对障碍物目标的相对距离检测或者相对速度检测。测距的方法多数是基于探测信号的行进时间检测或者是基于连续信号的变频调制技术。声波、激光以及电磁波常常用作测距信号。雷达测速的方法多数是利用多普勒效应，也就是无线电波在行进的过程中，碰到物体被反射回来。而反射回来的电磁波频率与碰到的物体的运动状态有关系。当目标向雷达天线接近时，反射信号频率高于发射频率，反之，当目标离天线而去时，反射信号频率低于发射频率。借由频率的改变数值，可以计算出目标与雷达之间的相对速度。

由于电子设备的增加，各种电子产品的干扰也非常严重，相同品牌相同系统之间的干扰尤甚。解决信号干扰的方法一是对每一种工作电磁波信号进行唯一编码，这种技术成本高维修也困难。另外一种方法是随机信号作为工作信号，在随机码发生器与电光调制器的作用下，解决信号串扰问题，但是，这一方法又受制于随机码的码率与调制速率。有限码长，在长距离检测中会导致虚警。

混沌信号在时域上呈现类似噪声的随机变化，频域上又具有平坦与连续的宽带特征，其自相关函数有类似于冲击函数的特征，混沌信号用在雷达中已经得到许多学者的研究与论证。电子科技大学袁永斌等从理论上推导了连续混沌雷达波形与被截断的混沌序列调制的矩形脉冲雷达波形等两种情况下的模糊函数表达式，理论分析与数值模拟结果表明，前者具有理想的图钉型模糊函数，后者具有“锋利的”刀刃型模糊函数，说明混沌雷达波形具有好的距离与速度分辨率。

本发明以恒指数谱混沌信号源产生侦测用的混沌信号，利用混沌信号的宽频谱特性和相关特性，得到被测目标的距离信息。同时，利用恒指数谱混沌信号源的幅度可控特性，调节相关度的值，得到理想的相关侦测效果；利用倒相特性或者反相同步系统可以构建基于反相信号的求和检测通道，实现双通道检测。双通道检测既保障了鲁棒可靠侦测，同时，还可以通过对第二个侦测回路的延时控制，得到两个时刻的距离，进而得到目标的相对速度。

发明内容

本发明以恒指数谱混沌信号源(包括基本李氏恒Lapunov指数谱系统、改进系统，推广系统，双绝对值系统以及它们的复合系统和其他恒Lyapunov指数谱锁定后的系统)作为混沌信号产生器，通过原信号与返回信号的相关运算以及倒相信号与返回信号的求和运算，分析得到障碍物的距离信息。两个链路的测量结果可以相互验证，进而提高系统的运行可靠性；而两个链路的延时协同工作，又可以得到障碍物目标的速度信息。距离与速度信息与用户设置的警戒值进行比对，就可以起到保障运动车辆防撞的目的。

本发明的技术解决方案：恒指数谱混沌信号源驱动系统输出混沌信号(常取倒相控制参数较少的那一维信号，即z维信号)作为检测信号。检测信号同时送入到调制器和相关器。经过混沌信号调制的电磁波信号照射到障碍物目标，返回回来，经过解调，送到相关器和求和器。与此同时，原检测信号及其倒相信号也分别送到相关器与求和器，如图1所示，在信号处理器中进行信号处理与运算，分析得到距离信息或者导出速度信息，当其达到一定的条件或者阈值，进一步驱动声光报警器、显示器与制动系统。

本发明基于恒指数谱混沌信号源的汽车防撞雷达包括：求和距离检测与相关距离检测通道，调制放大与发射设备、接收放大与解调设备、信号处理器以及声光报警器、显示器与制动系统。

上述的汽车防撞雷达，其特征在于求和距离检测与相关距离检测通道皆是基于恒Lyapunov指数谱混沌信号源产生的宽带可调混沌信号。恒指数谱混沌系统包括基本恒指数谱混沌系统、改进系统、推广系统、双绝对值系统等李氏恒指数谱混沌系统以及其他恒Lyapunov指数谱锁定后的系统，如锁定Sprott混沌系统。该类系统存在幅度调节参数与倒相参数，可以实现混沌信号幅度的自由调控以及相位的倒相控制。

上述的汽车防撞雷达，其特征在于相关距离检测通道包含恒指数谱混沌信号源驱动系统和相关器。信号源调幅控制旋钮调节调制混沌信号的幅值，进而调节相关器输出相关值的区间。

上述的汽车防撞雷达，其特征在于求和距离检测通道包含恒指数谱混沌信号源响应系统、反相同步控制器、求和器和时选开关。在时选开关的控制下，回波信号与响应系统输出的反相信号进行求和，得到回波时延量；或者是通过倒相控制参数作用于恒指数谱混沌信号源驱动系统，输出反相信号，与回波信号求和。

上述的汽车防撞雷达，其特征在于求和距离检测通道是受到时选开关的控制的。时选开关若保持常通状态，相关距离检测通道与求和距离检测通道同时工作，便获得同一目标的两个时延信息，进而可以获得目标的两个距离信息。两个信息相互验证，进而可实现可靠检测；时选开关若在某一时延后置于开通状态，便可以测试一定时延后的距离信息，这一距离信息与相关检测所得到的距离信息相结合可计算得到目标的位移速度。

上述的汽车防撞雷达，其特征在于求和距离检测通道与相关距离检测通道工作时间可以灵活设置，时选开关也可以连接到相关器，控制相关运算的执行时间，与求和运算的执行时间相配合。

上述的汽车防撞雷达，其特征在于包含调制放大与发射设备、接收放大与解调设备。混沌信号源驱动系统连接到调制器，对载波信号进行调制，调制后的信号经过功率放大器T，送至发射天线，侦测信号发出。侦测回波信号经过接收天线接收后，送至低噪声功率放大器R，输出到解调器，经解调，得到发射混沌信号的时延信号。调制深度可以通过混沌信号源的调幅控制参数容易的实现。

基于恒指数谱混沌信号源的汽车防撞雷达，其特征在于包括两套信号处理与目标侦测方案：求和与相关。以DSP或者FPGA或者MCU为核心的信号处理器完成两个通信链路的回波信号求和检测与相关检测。

上述的信号处理与目标侦测方案，其特征在于信号处理器可以通过软件的方法完成相关器与求和器的工作，并通过软件实现时选开关的功能，通过发出不同时延的侦测指令，得到相应距离量，导出速度量。根据用户需求，设定距离与速度的阈值，驱动声光报警器、显示器及相应的制动系统，使其完成相应动作，起到防撞的效果。

上述的汽车防撞雷达，其特征在于求和距离检测与相关距离检测两个通道具有对称性(以后称汽车防撞雷达对称系统)，即可以将反相信号调制后发射出去，检测回波反相信号，进行相关运算得到相应的分析量。

本发明中相关检测通道与求和检测通道具有相对的独立性，也保证了侦测效果的可靠性。两个通道的分时协同工作，实现了速度测量。系统中采用幅度可控的混沌信号发生器，可以方便的调节调制深度，也减少了硬件电路的开销。恒指数谱混沌系统的相位可控特性，也为求和检测提供了可能，求和运算简单准确，检测精度也高。

附图说明

图1汽车防撞雷达的系统原理框图

图2汽车防撞雷达对称系统的原理框图

图3汽车防撞雷达的具体结构示意图

图4汽车防撞雷达对称系统的具体结构示意图

图5信号处理与目标侦测流程图

图6对称系统的信号处理与目标侦测流程图

具体实施方式

1汽车防撞雷达的结构与连接

对照图1与3，2与4，1是声光报警器、2是信号处理器、3是显示器、4是恒指数谱混沌信号源响应系统、5是反相同步控制器、6是恒指数谱混沌信号源驱动系统、7是制动系统、8是调制器、9是调幅控制旋钮、10是功率放大器T、11是发射天线、12是解调器、13是功率放大器R、14是接收天线、15是电源系统。系统原理框图中有的求和器、相关器以及时选开关由信号处理器中的软件来实现，在具体结构图上没有显示。

图中有两种连线方式，一种没有标方向的是电源供电线路，另一种标明方向的，是信号处理流向。电源系统分别连接到驱动系统与响应系统，调制器与解调器，功率放大器与以及显示器报警器与制动系统上，为它们提供合适的电源。在图1与3中，驱动系统发出检测信号，分时到达的两路回波信号送到信号处理器，与驱动系统信号和反相响应系统信号进行信号运算，得到距离与速度。在图2与4中，响应系统发出检测信号，分时到达的两路回波倒相信号送到信号处理器，与驱动系统信号和反相响应系统信号进行信号运算，得到距离与速度。

两个系统结构的具体连接关系是这样的：解调器12、驱动系统6、响应系统4置于信号处理器2的前端，给出供处理的信号；声光报警器1、显示器3、制动系统7置于信号处理器2的后端，接收信号处理器2发出的指令，给予实时响应；接收天线14接到功率放大器R13，功率放大器R13的输出端连接到解调器12的输入端。驱动系统6通过反相同步控制器5连接到响应系统4。在图3的具体结构中，将驱动系统6发出的混沌信号调制发出，故连接关系为：驱动系统6的输出端，连接到调制器8的输入端，调制器8的输出端连接到功率放大器T10的输入端，功率放大器T10的输出端连接到发射天线11。在图4对称系统的具体结构中，将响应系统4发出的混沌信号调制发出，故连接关系仅仅替换为响应系统4的输出端，连接到调制器8的输入端，其他连接关系保持不变。

2防撞雷达工作过程

对照信号处理与目标侦测流程图5，汽车防撞雷达的工作物理过程如下。

(1)恒指数谱混沌信号源驱动系统产生混沌信号u₁(t)，同时在反相

同步控制器的作用下，响应系统中也产生相应的反相混沌信号-u₁(t)。

(2)混沌信号u₁(t)送至调制器，得到调制混沌信号；调制混沌信号送至功率放大器T，经过发射天线发出高频混沌调幅波；调制混沌波照射到障碍物目标，受到反射而返回，经过解调器解调以后经过低噪声功率放大器R放大，得到回波信号u₁(t-τ)。

(3)回波信号u₁(t-τ)与发出的混沌信号u₁(t)经过相关距离检测，得到障碍物的距离信息l₀；调节信号源调幅控制旋钮，增强调制深度，并增强检波后的混沌信号幅度，得到较大的相关峰值。

(4)选择性的将经过一个叠加可知延时τ₁后返回的回波混沌信号u₁(t-τ-τ₁)送至求和距离检测链路，与响应系统提供的反相混沌信号-u₁(t)进行求和检测，得到叠加了延时τ₁以后的距离信息l₁，由公式

v＝(l1-l0)/τ₁

选取足够小的叠加延时τ₁，可以测量出障碍物的瞬时速度v。

(5)距离信息与速度信息得到以后，信号处理器将其与报警阈值和制动阈值进行比较，如果达到阈值，则驱动报警机构工作，通知相应的制动系统执行相关动作。

对照图6，本发明汽车防撞雷达对称系统的工作物理过程如下。

(1)恒指数谱混沌信号源驱动系统产生混沌信号u₁(t)，同时在反相同步控制器的作用下，响应系统中也产生相应的反相混沌信号-u₁(t)。

(2)反相混沌信号-u₁(t)送至调制器，得到调制的反相混沌信号；调制的反相混沌信号送至功率放大器T，经过发射天线发出高频混沌调幅波；调制混沌波照射到障碍物目标，受到反射而返回，经过解调器解调以后经过低噪声功率放大器R放大，得到回波的反相信号-u₁(t-τ)。

(3)反相回波信号-u₁(t-τ)与发出的反相混沌信号-u₁(t)经过相关距离检测，得到障碍物的距离信息l₀；调节信号源调幅控制旋钮，增强调制深度，并增强检波后的混沌信号幅度，得到较大的相关峰值。

(4)选择性的将经过一个叠加可知延时τ₁后返回的反相回波混沌信号-u₁(t-τ-τ₁)送至求和距离检测链路，与驱动系统提供的混沌信号u₁(t)进行求和检测，得到叠加了延时τ₁以后的距离信息l₁，由公式

v＝(l₁-l₀)/τ₁

选取足够小的叠加延时τ₁，可以测量出障碍物的瞬时速度v。

(5)距离信息与速度信息得到以后，信号处理器将其与报警阈值和制动阈值进行比较，如果达到阈值，则驱动报警机构工作，通知相应的制动系统执行相关动作。

本汽车防撞雷达系统，通过恒指数谱混沌驱动系统与反相同步响应系统的配合，或者通过两个镜像对称的恒指数谱混沌系统(原系统与其倒相系统)的协同工作，构建了相关检测与求和检测两个检测通道，从而实现了距离的可靠检测与速度的简易检测，电路成本低，结构也不复杂，通过距离与速度的实时侦测，有效的防止了汽车与障碍物之间的碰撞，具有好的应用前景。

Claims (10)

1.基于恒指数谱混沌信号源的汽车防撞雷达，其特征在于包括：求和距离检测与相关距离检测通道，调制放大与发射设备、接收放大与解调设备、信号处理器以及声光报警器、显示器与制动系统。

2.权利要求1所述的汽车防撞雷达，其特征在于求和距离检测与相关距离检测通道皆是基于恒Lyapunov指数谱混沌信号源产生的宽带混沌信号。恒指数谱混沌系统包括基本恒指数谱混沌系统、改进系统、推广系统、双绝对值系统等李氏恒指数谱混沌系统以及其他恒Lyapunov指数谱锁定后的系统。该类系统存在幅度调节参数与倒相参数，可以实现混沌信号幅度的自由调控以及相位的倒相控制。

3.权利要求1所述的汽车防撞雷达，其特征在于相关距离检测通道包含恒指数谱混沌信号源驱动系统和相关器。信号源调幅控制旋钮调节调制混沌信号的幅值，进而调节相关器输出相关值的区间。

4.权利要求1所述的汽车防撞雷达，其特征在于求和距离检测通道包含恒指数谱混沌信号源响应系统、反相同步控制器、求和器和时选开关。在时选开关的控制下，回波信号与响应系统输出的反相信号进行求和，得到回波时延量；或者是通过倒相控制参数作用于恒指数谱混沌信号源驱动系统，输出反相信号，与回波信号求和。

5.权利要求1所述的汽车防撞雷达，其特征在于求和距离检测通道是受到时选开关的控制的。时选开关若保持常通状态，相关距离检测通道与求和距离检测通道同时工作，便获得同一目标的两个时延信息，进而可以获得目标的两个距离信息，两个信息相互验证，进而可实现可靠检测；时选开关若在某一时延后置于开通状态，便可以测试一定时延后的距离信息，这一距离信息与相关检测所得到的距离信息相结合可计算得到目标的位移速度。

6.权利要求1所述的汽车防撞雷达，其特征在于求和距离检测通道与相关距离检测通道工作时间可以灵活设置，时选开关也可以连接到相关器，控制相关运算的执行时间，与求和运算的执行时间相配合。

7.权利要求1所述的汽车防撞雷达，其特征在于包含调制放大与发射设备、接收放大与解调设备。混沌信号源驱动系统连接到调制器，对载波信号进行调制，调制后的信号经过功率放大器T，送至发射天线，侦测信号发出。侦测回波信号经过接收天线接收后，送至低噪声功率放大器R，输出到解调器，解调得到时延混沌信号。调制深度可通过信号源调幅参数控制。

8.基于恒指数谱混沌信号源的汽车防撞雷达，其特征在于包括两套信号处理与目标侦测方案：求和与相关。以DSP或者FPGA或者MCU为核心的信号处理器完成两个通信链路的回波信号求和检测与相关检测。

9.权利要求8所述的信号处理与目标侦测方案，其特征在于信号处理器可以通过软件的方法完成相关器与求和器的工作，并通过软件实现时选开关的功能，通过发出不同时延的侦测指令，得到相应距离量，导出速度量。根据用户需求，设定距离与速度的阈值，驱动声光报警器、显示器及相应的制动系统，使其完成相应动作，起到防撞的效果。

10.权利要求1，8所述的汽车防撞雷达，其特征在于求和距离检测与相关距离检测两个通道具有对称性，即可以将反相信号调制后发射出去，检测回波反相信号，进行相关运算得到相应的分析量。

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