CN109100712A - 一种能够实现远程控制的雷达测距系统 - Google Patents

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王浩
张艳霞
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    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
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Abstract

本发明涉及一种能够实现远程控制的雷达测距系统，包括：雷达单元，用于产生雷达测距用的高信噪比差频信号；信号处理单元，用于对所述差频信号进行采样及运算处理；网络单元，用于将经过运算处理的信号数据传输给云服务器及接收云服务器的指令及数据。本发明的有益效果如下：1、本发明的技术方案能够实时提供距离跟角度的位置信息，并且可以通过云服务器实现对于雷达测距系统的远程控制。2、本发明的技术方案能够实时收集雷达测距系统的数据，并进行大数据分析，学习，进而得出最优算法，然后远程升级。

Description

一种能够实现远程控制的雷达测距系统
技术领域
本发明属于雷达测距系统，具体涉及一种能够实现远程控制的雷达测距系统。
背景技术
雷达测距系统目前被广泛应用于无人驾驶，无人机，机器人等领域。
市面上雷达测距的产品实现方式多种多样，尤其差频信号的产生、放大、处理，可谓是百家争鸣，雷达信号产生有24G跟77G的，调制方式有FMCW，FSK，MFSK,锁相环有内置跟外置的，中频信号放大有一级跟二级甚至三级放大。但都是通过局域网实现对于雷达系统的控制及软件升级，比如USB，UART，Jlink等，这些雷达产品一旦到用户手中，出了问题，我们必须出差到现场去维护，大大增加了产品的售后成本。
上述调制方式中的MFSK是结合了FMCW以及FSK两者的优点，克服了两者的缺点。FSK对于多目标测试效果很差，FMCW虽然能够区分多目标，但是精度依然受限于调制带宽，MFSK因为引入了阶梯及相位差的概念，大大提高了距离跟速度分辨率。
发明内容
针对现有雷达测距产品的问题，本发明的目的是提供一种能够实现远程控制的雷达测距系统，在能够提供远程接收并存储测距信息的基础上，能够实现对雷达测距系统的远程控制及软件、算法的升级，便于售后的维护，大大降低了售后维护成本。
本发明的技术方案如下：
一种能够实现远程控制的雷达测距系统，包括：
雷达单元，用于产生雷达测距用的高信噪比差频信号；
信号处理单元，用于对所述差频信号进行采样及运算处理；
网络单元，用于将经过运算处理的信号数据传输给云服务器及接收云服务器的指令及数据。
进一步地，上述的能够实现远程控制的雷达测距系统，所述雷达单元包括：
天线阵列，用于发射信号及接收经过探测目标的反射信号；
信号产生单元，用于根据发射信号和反射信号生成差频信号；
信号放大单元，用于对所述差频信号进行滤波和放大。
进一步地，上述的能够实现远程控制的雷达测距系统，所述信号处理单元为低功耗ARM MCU。
进一步地，上述的能够实现远程控制的雷达测距系统，所述网络单元包括3G/4G模块、以太网模块和WiFi模块中的一种或几种。
进一步地，上述的能够实现远程控制的雷达测距系统，当所述网络单元包括3G/4G模块时，所述3G/4G模块为3G/4G usb dongle或者带邮票孔的3G/4G模块。
进一步地，上述的能够实现远程控制的雷达测距系统，所述网络单元包括以太网模块时，所述以太网模块为带变压器的100/1000M以太网RJ45模块，所述以太网模块与通过路由器与云服务器连接。
进一步地，上述的能够实现远程控制的雷达测距系统，所述网络单元包括WiFi模块时，所述WiFi模块为SDIO接口的2.4G/5G邮票孔WiFi模块；所述WiFi模块通过路由器与云服务器连接。
进一步地，上述的能够实现远程控制的雷达测距系统，还包括学习数据存储器，用于存储不同应用场景测距对应的最优调制方式和算法数据。
本发明的有益效果如下：
1、本发明的技术方案能够实时提供距离跟角度的位置信息，并且可以通过云服务器实现对于雷达测距系统的远程控制。
2、本发明的技术方案能够实时收集雷达测距系统的数据，并进行大数据分析，学习，进而得出最优算法，然后远程升级。
3、本发明的技术方案既可用在家用/办公机器人中，也可以用在室外无人机，无人驾驶汽车中，既可通过以太网、WiFi进行远程控制，也可通过3G/4G模块进行远程控制。
4、信号放大单元设置有截止频率大于差频信号频率的高通滤波器，实现了近距离差频信号适当的衰减，远距离差频信号完全的放大，提高了测量的距离跨度。
5、本发明的技术方案，让雷达测距系统成为一个真正的通讯网络产品，可实现双向的通信与控制，便于售后的维护，大大降低了售后维护成本。
附图说明
图1为本发明的能够实现远程控制的雷达测距系统的原理框图。
图2为图1的局部放大图。
图3为本发明的信号放大单元的高通滤波器的一种电路原理图。
图4为本发明的差频信号生成单元的环路带宽100K下的原理图仿真结果。
图5为本发明的差频信号生成单元的环路带宽100K下的锁定时间仿真结果。
图6为MFSK调制方式示意图。
图7为雷达单元的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
毫米波雷达测距的几种方式原理如下：
FMCW
通过发射一个频率随时间线性增大的连续频率信号TX chirp＝sin[ω1+Φ1]，遇到障碍物后反射回来RX chirp＝sin[ω2+Φ2]，两个信号混频(差频)成IF signal＝sin[(ω1-ω2)+(Φ1-Φ2)]；
d＝F*c/2S＝Tc*F*c/2B；
Δd＝ΔF*c/2S＝Tc*ΔF*c/2B；
其中，
d代表发射信号到测量物体的距离
c代表光速
F代表差频信号频率
Tc代表发射信号周期
B代表发射信号带宽
S代表发射信号带宽对周期的斜率即B/Tc
只有当ΔF>Tc的时候，经过傅里叶变换后频谱才能区分开，因此FMCW的距离分辨率＝c/2B
MFSK
如图6所示，把FMCW的连续频率变成了A/B阶梯跳变的频率，先发射一个频率A，再发一个频率比A高fShift的B，然后再发频率A+fIncr,以此类推，直到发完N个A跟B。
F＝-2V/λ—2*fSweep*R/TChirp*c；
ΔΦ＝2πV*TChirp/λN—4πR*fShift/c；
根据上述两公式计算R和V(R和V分别是待测目标的距离与速度)；
上述公式中，F为差频信号的频率；ΔΦ为差频信号的相位；λ为波长；c为光速；fSweep，为带宽在本实施例中为230M；TChirp＝2N TA，为总周期；fShift＝fB-fA，在本实施例中为300K；N为台阶数；TA为A或B信号频率持续的时间，一般来说，要求TA>5*Tlock；Tlock为PLL锁定信号的时间；(比如锁定时间是10us，TA最好选50us)。
如图1和图2所示，本发明提供了一种能够实现远程控制的雷达测距系统，包括：雷达单元，用于发射信号及接收经过探测目标的反射信号，根据发射信号和反射信号生成差频信号，然后进入信号放大单元，对所述差频信号进行滤波和放大；信号处理单元，用于对滤波放大后的差频信号进行采样及运算处理；网络单元，用于主板跟云服务器之间的通信，将经过运算处理的信号数据实时传输给远端云服务器或者接收远端云服务器主动下发的指令及最新软件算法；
所述雷达单元中的信号生成单元如图7雷达单元的左侧部分所示，环路带宽LPF(本实施例中采用Simpll仿真后的器件搭建而成)的设计参考图4、图5，实现的是100K环路带宽下的信号锁定时间10-15us。本实施例的信号生成单元包括收发模块、鉴相模块和环路滤波模块；所述收发模块和所述鉴相模块设计于集成芯片上；所述收发模块为带有压控振荡器的24G收发模块。本实施例的在信号生成单元优点为集成度高，精确度好，产生的差频信号更加干净，为后级的处理奠定了良好的基础。
本实施例中，信号放大单元采用AD8426L+LMV774MT，并且通过对外围高通滤波的设计(信号放大单元设置有截止频率大于差频信号频率的高通滤波器)，实现了近距离差频信号适当的衰减，远距离差频信号完全的放大，提高了测量的距离跨度。
＝1/2*3.14*10K*10uF
＝1.6Hz
假如TA是200us，那么TChirp＝2N TA＝2*256*200us＝102.4ms
对于频率是2*TChirp＝19.6Hz。
为了解决放大器对于近距离目标差频信号(强度大)出现饱和的问题，可以设置高通滤波器的截止频率>差频信号的频率，这样近距离差频信号会得到适当的衰减，远距离差频信号得到完全的放大。如上面可以把电阻改成500欧姆，这样高通截止频率就是32Hz，对于近距离的19.6Hz信号有一定的衰减。
本实施例中，所述信号处理模块为低功耗ARM MCU芯片，实现对于差频信号的AD采样、傅里叶变换，并且带各种接口跟PHY，能够简化外围网络单元的设计，采用该芯片比采用FPGA处理具有更好的性价比。
本实施例中，所述网络单元包括3G/4G、以太网、WiFi模块，如图2。所述3G/4G模块为3G/4G usb dongle或者带邮票孔的3G/4G模块，简化了外围电路设计。所述以太网模块为带变压器的100/1000M以太网RJ45模块，减小了产品体积，降低了设计成本。所述WiFi模块为SDIO接口的2.4G/5G邮票孔WiFi模块。
工作时，雷达单元产生的高信噪比差频信号(经过滤波和放大的差频信号)传输给信号处理模块进行处理，经过处理的信号数据通过CAN总线输出给车辆控制系统或通过蓝牙/WiFi模块传输给相应的移动终端以实现数据的实时传输，并且，所述移动终端能够通过3G/4G网络与云服务器连接以通过云服务器存储上述信号数据。
需要升级时，信号处理模块通过网络单元接收来自云服务器的指令和数据，以进行大数据分析，学习，并且能够实现对雷达测距系统的远程控制及软件、算法的升级，使雷达测距系统成为一个通讯网络产品，实现双向的通信与控制，便于售后的维护，大大降低了售后维护成本。
本实施例的产品，调制方式可以是FMCW，也可以是MFSK，可实现0.1米到100米之间距离以及0.3kph到120kph的相对速度，并且可以测量到±22°范围内的角度。以上结果并不是同时能够做到，而是根据实际使用情况去选择侧重点，比如家用/办公机器人，可能侧重近距离、高精度，可采取MFSK调制方式；比如高速公路行驶的汽车，可能侧重远距离、速度，可采取FWCM调制方式。这些都可以通过远程云服务器去进行软件、算法的升级，具有很高的灵活性，也是本发明的核心所在。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种能够实现远程控制的雷达测距系统，其特征在于，包括：
雷达单元，用于产生雷达测距用的高信噪比差频信号；
信号处理单元，用于对所述差频信号进行采样及运算处理；
网络单元，用于将经过运算处理的信号数据传输给云服务器及接收云服务器的指令及数据。
2.如权利要求1所述的能够实现远程控制的雷达测距系统，其特征在于，所述雷达单元包括：
天线阵列，用于发射信号及接收经过探测目标的反射信号；
信号产生单元，用于根据发射信号和反射信号生成差频信号；
信号放大单元，用于对所述差频信号进行滤波和放大。
3.如权利要求1所述的能够实现远程控制的雷达测距系统，其特征在于，所述信号处理单元为低功耗ARM MCU。
4.如权利要求1所述的能够实现远程控制的雷达测距系统，其特征在于：所述网络单元包括3G/4G模块、以太网模块和WiFi模块中的一种或几种。
5.如权利要求4所述的能够实现远程控制的雷达测距系统，其特征在于：当所述网络单元包括3G/4G模块时，所述3G/4G模块为3G/4G usb dongle或者带邮票孔的3G/4G模块。
6.如权利要求4所述的能够实现远程控制的雷达测距系统，其特征在于：所述网络单元包括以太网模块时，所述以太网模块为带变压器的100/1000M以太网RJ45模块，所述以太网模块与通过路由器与云服务器连接。
7.如权利要求4所述的能够实现远程控制的雷达测距系统，其特征在于：所述网络单元包括WiFi模块时，所述WiFi模块为SDIO接口的2.4G/5G邮票孔WiFi模块；所述WiFi模块通过路由器与云服务器连接。
8.如权利要求1-7任一所述的能够实现远程控制的雷达测距系统，其特征在于：还包括学习数据存储器，用于存储不同应用场景测距对应的最优调制方式和算法数据。
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