CN102788980A - 一种调频连续波汽车防撞雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种调频连续波(FMCW)汽车防撞雷达系统，属于汽车防护技术领域。本系统可以测量目标的距离和速度，有效地实现汽车防撞。其组成部分有：雷达传感器，滤波器，自动增益控制放大器，模数转换器，数字信号处理器以及相应的预警装置。经过雷达传感器后得到信号，其中包含有泄露的调制信号，中频信号和高频信号，用滤波器滤除泄露调制波及高频成分。在数字信号处理中用FFT进行频谱分析，将频率测量结果转化成距离信息和速度信息。根据测量结果的不同采取不同的报警方式。其最大作用距离可达150m，距离分辨力为1m，速度分辨力为1m/s，工作环境为-40°--80°。
Description
【技术领域】
本发明属于FMCW汽车防撞雷达测距测速技术领域，提出了一种FMCW雷达测距测速系统，可以精确测量较远范围内的目标的距离和速度，并灵敏地采取相应措施
【背景技术】
汽车雷达的研究始于20世纪60年代，早期受元器件的限制发展比较缓慢。随着集成电路的进步，雷达的制造成本下降。同时顺应汽车业的发展，汽车雷达技术迅速兴起。根据公路交通汽车事故分析表明：80％以上的车祸是由于司机反应不及时或判断失误造成的。计算表明：司机反应迟缓1秒钟，时速60km的汽车可前进约17m，由此就会产生不堪设想的严重后果，若在夜间或是恶劣气象条件下，能见度低，司机视距短，中高速行驶时很难及时发现前方障碍物并采取必要措施。统计表明：在撞车事故中，45％是司机未看清前方有车，30％虽发现有车但未及时采取措施。根据德国Daimler-Benz公司对汽车事故的研究证明：若司机能提早0.5秒钟意识到危险并采取措施，可避免迎面碰撞事故30％，追尾事故50％，若提早1秒钟采取措施则绝大多数事故可避免，因此汽车防撞雷达应运而生。
防撞雷达系统对于提高交通安全，减少事故损失起到了重要作用，其研究具有极大地现实意义和广阔的应用前景。而常用的雷达技术中，超声波雷达虽然价格低廉技术成熟，但器方向性较差，同时使用距离也很短，探测无法产生窄的波束，现多应用于倒车雷达系统中；而激光雷达虽然方向性好，能在某种程度上穿透雾气和水汽，但容易受到天气，积尘等的严重影响；而微波雷达作用距离比较远，可达200米，且对雨滴，雾气，沙尘的穿透力比较强，受不良天气影响很小，因而应用前景比较大。毫米波的频率大约为30-300GHz，波长介于1-10mm之间，其波长短，频带宽，穿透能力强等等诸多优点，使成为汽车前视雷达的主流技术。
汽车防撞雷达的工作体制主要分为连续波体制(FMCW)和脉冲体制两种。脉冲测距的原理比较简单，雷达向外发射脉冲信号，接受目标反射的回波信号，通过两者之间的时间差来计算目标距离，根据多普勒频移来计算目标的径向速度。脉冲体制适用于远距离目标，而作用距离为1-200m 的汽车防撞雷达要求脉冲宽度很窄，技术难度很大，同时脉冲方式要求发射峰值功率大，测量多目标困难。
FMCW雷达由于其射频前端的复杂性最低，峰值功率低，最小作用距离比较小，中频带宽比较低等优势，在微波雷达中的研究和应用尤为普遍。而由于收发隔离度不好，故常使用收发分离的两副天线。
FMCW雷达通过发射天线向外发射一列连续调频毫米波，利用接收天线接收来自目标的反射信号，根据接收信号与发射信号的时间差来测量目标物体的距离。FMCW雷达已经提出很多年了，但这种雷达由于受泄露调制波的影响，作用距离比较小，速度和距离测量的精度也不高，应对措施也比较呆板单一。
在本发明中在模拟前端中使用滤波器滤除泄露调制波，利用自动增益放大器放大中频信号，有效的实现了精确的测速和测距，同时应对不同的测量结果，采取多种不同的措施来提醒驾驶员，有效的防止追尾碰撞的发生。
【发明内容】
FMCW雷达中频信号经过滤波，自适应放大等一些处理之后，再经过A/D采样变成数字信号之后即可进行灵活的数字信号处理，下面所提到的中频信号都是指数字化之后的信号。为了提高该FMCW汽车防撞雷达系统的性能，本发明提出一系列措施来提高测速测距精度，使系统灵敏有效。
本发明共包括6个组成部分，分别是雷达传感器模块(1)，泄漏调制波滤波模块(2)、自动增益控制放大模块(3)、模数转换模块(4)、数字信号处理模块(5)和多种相应反应装置(6)。雷达传感器产生调制信号，经过压控振荡器后一部分输送给发射天线，一部分传至混频器。天线发出的信号经目标反射后由接收天线接收，接收到的信号传入混频器与VCO的部分信号进行混频，然后输出到滤波器(1)，先通过合适的低通滤波器，滤除其中的高频成分，然后采用高通滤波器或者自适应滤波器滤掉泄露调制波(2)，采用自动增益控制放大器对不同距离产生的信号进行相应的放大，以便于信号的处理(3)，经过模数转换器得到目标对应的中频信号(4)，在数字信号处理装置中对中频信号采用FFT变换进行频谱分析，将分析的结果进行转换，得到速度和距离信息(5)，根据距离和速度的不同，采取相应的反应(6)。
FMCW雷达受压控振荡器寄生调幅的影响，使得最后产生的中频信号中包含一幅值固定的泄露调制波，而中频信号中包含距离信息的信号部分的 幅度与距离R的4次方成的反比，随着距离的增加，有用信号将会淹没在泄露信号中，从而极大的限制了FMCW雷达的测距距离。因而有效地滤除泄露调制信号非常重要。在本发明中采用模拟高通滤波器或者自适应滤波器可以很好的满足要求。
【附图说明】
图1雷达测速测距原理图
图2雷达传感器框图
图3自动增益放大器原理图
图4一种调频连续波(FMCW)汽车防撞雷达系统结构图
【具体实施方式】
本发明的FMCW雷达测距测速系统采用下述步骤实现：雷达传感器模块中的函数发生器产生调制信号，即频率可调的三角波或者锯齿波，调制信号传送至压控振荡器进行调频，得到频率按调制波形变化的毫米波信号。其中要求此压控振荡器的线性度尽可能的高，以减小泄露，提高测量精度。VCO的中心频率可以采用24G，40G，76G-79G等频段，具体可以根据不同的距离和车型进行配置。比如24GHz用于低速检测和控制，40GHz左右用于大型车辆的识别，76-79GHz用于小型车辆的识别。VCO产生的毫米波信号一部分能量直接传送至混频器，一部分传送到发射天线，发射出去的能量遇到障碍物返回后由接收天线接收，然后传送至混频器与原毫米波进行混频，产生包含中频信号，高频信号和泄露调制信号的混合信号。混合信号进入滤波模块后先用低通滤波器滤除高频成分，然后选用高通滤波器或者自适应滤波器滤除泄露调制信号，得到目标中频模拟信号。然后对中频模拟信号进行自动增益控制放大，使信号的幅度在固定范围之类，以便于数字处理，在对信号进行模数转换，即进入数字处理部分。在该部分先通过FFT变换进行频谱分析，得到频率信息后转化为目标的距离和速度信息，对用不同的目标，采取不同的反应措施。
当调制波形为三角波时，设三角波周期为T，由此产生的调频信号扫频带宽为ΔF。发射机发射信号ft，频率也用ft表示；同波信号fr1和fr2,频率也用fr1和fr2表示。发射信号与回波信号经混频器混频输出中频信号IF，且fIF＝(fr1+fr2)/2。
雷达测距的距离公式为： 
可见，R与fIF成正比，如果能够测出中频频率fIF，也就可以得出R，这就是雷达测距的基本思路。
雷达测速的速度公式为： 
其中c为光速，这是雷达测速的基本思路。所以在频谱分析得到两个中频信号的频率后，即通过此变换将其转换为距离和速度信息。
对于不同的速度和距离的目标，采取多样的反应。具体情况如下：
当前方目标的距离在100m开外时，仅显示其距离速度信息。当目标距离在100m以内时，显示器距离和速度信息的同时，启动警报器，播放音乐，随着距离的逐渐缩短，音乐的节奏逐步加快，当距离小于10m时，或者在5s可能相撞时制动控制装置起作用。
另外对不同的距离和速度信息采用不同的颜色显示，以便产生警示作用，如以当前速度5s以内可能相撞时显示为红色，5s-20s可能相撞时显示为黄色，30s开外则显示为绿色。也可以在显示器中加入专门的显示灯，类似于红绿灯的形式加以警示等等多样化的处理方式充分地提醒驾驶员注意行车安全。
Claims (7)
1.一种调频连续波(FMCW)汽车防撞雷达系统，其特征在于组成部分包括：雷达传感器(1)，滤波器(2)、自动增益放大器(3)，模数转换器(4)，数字信号处理器(5)及相应的反应装置(6)。雷达传感器输出处理过的目标反射信号，其中包含由高频信号，中频信号和泄露调制信号(1)，采用滤波器滤除调制泄露调制信号及高频成分(2)，然后通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号(3)，对滤波后的信号通过自动增益放大器进行放大(4)，经过数字信号处理器提取前方车辆的距离和速度信息(5)，然后根据不同测量结果采取相应的措施(6)。
2.权利要求书1所述的FMCW汽车防撞雷达系统，其特征在于：雷达传感器可以采用24GHz和76GHz等多个微波频段。
3.权利要求书1所述的FMCW雷达测距测速电路系统，其特征在于：雷达传感器中的输入调制信号由函数发生器产生，可以为三角波或者锯齿波，调制信号的频率可调，频率低至几十到几百赫兹。
4.权利要求书1所述的FMCW汽车防撞雷达系统，其特征在于：对雷达传感器输出的信号采用模拟滤波器滤除混合信号中的泄露的调制波及高频信号，采用合适的低通滤波器先滤除其中的高频成分，然后选用高通滤波器或者自适应滤波器等滤除泄露调制信号。
5.权利要求书1所述的FMCW汽车防撞雷达系统，其特征在于：对滤波后的中频信号进行自动增益放大，主要是根据目标的距离不同，相应的对中频信号进行不同程度的放大。
6.权利要求书1所述的FMCW汽车防撞雷达系统，其特征在于：数字信号处理器对信号进行FFT变换，确定中频信号的频率，通过转换即可得到距离和速度信息。
7.权利要求书1所述的FMCW汽车防撞雷达系统，其特征在于：对测量的距离和速度信息进行检测，并采取相应的反应，根据结果的不同，分别或者同时采用显示速度距离信息，语音报警，制动控制等措施。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121121 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |