CN113791406A - 一种低功耗动目标测距雷达的测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低功耗动目标测距雷达的测距方法，包括步骤S1：单片机输出多普勒控制信号，以使得低功耗动目标测距雷达进入多普勒模式，从而判断是否有运动目标，如果有则执行步骤S2，否则继续探测运动目标。本发明公开的一种低功耗动目标测距雷达的测距方法，其采用低功耗动目标测距雷达，实现唤醒和测距功能，降低了系统复杂度及成本，同时也能达到同样的低功耗特性，并且采用带采样保持功能的多普勒中频处理电路，可实现同样的低功耗特性。

Description

一种低功耗动目标测距雷达的测距方法
技术领域
本发明属于雷达测距技术领域，具体涉及一种低功耗动目标测距雷达的测距方法。
背景技术
利用微波雷达测距的应用已经非常广泛。机场、酒店自动门是微波探测器被人们熟悉的应用，而随着微波探测器价格的降低，在自动灯上的应用也越来越广泛。而在汽车领域，微波探测在倒车防撞中已经普遍应用。在这些领域，微波探测器不仅可以节能减排、节省费用，又使人们享受到了高科技产品带来的便利和放心，对微波传感器的研究具有重要的现实意义。
现有技术中，FMCW雷达调制信号需要通过FFT处理，根据中频信号的频率分布来确定探测物体距离，然后再根据多普勒效应造成的频率变化算出其速度，这些运算都需要比较高的计算量，需要消耗较大的能量。同时，FMCW雷达通常应用于运动目标(比如车辆)的检测，这需要持续发送信号进行测量；上述特点极大限制了FMCW雷达在某些领域的应用，尤其在一些采用电池供电的偶发性监控场合，往往需要长时间完成监控任务，然而FMCW雷达持续工作能耗无法满足该场合的应用需求。
公开号为：CN108828579A，主题名称为“一种基于红外唤醒的FMCW雷达测距电路”的发明专利，其技术方案公开了“一种基于红外唤醒的FMCW雷达测距电路，至少包括MCU及其与该MCU电连接的FMCW雷达测距模块和红外探测模块，其中，所述红外探测模块用于检测附近的运动目标并当检测到运动目标时产生第一信号发送给MCU；所述MCU用于根据第一信号产生第二信号；所述FMCW雷达测距模块用于根据第二信号产生并发送雷达测距信号以及接收雷达波反馈信号并进行信号处理产生第三信号发送给MCU；所述MCU用于根据第二信号和第三信号获得运动目标的距离和速度”；
以上述发明专利，其虽然公开了降低功耗，但是其采用红外唤醒的FMCW 测距电路，通过红外唤醒雷达电路，达到降低功耗的目的，这与本发明的技术方案不同。
因此，针对上述问题，予以进一步改进。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种低功耗动目标测距雷达的测距方法，其采用低功耗动目标测距雷达，实现唤醒和测距功能，降低了系统复杂度及成本，同时也能达到同样的低功耗特性，并且采用带采样保持功能的多普勒中频处理电路，可实现同样的低功耗特性。
本发明的另一目的在于提供一种低功耗动目标测距雷达的测距方法，红外传感器需要安装透镜，模块的复杂度及成本高，而本发明不使用红外传感器，仅使用单片雷达芯片即可达到同样的功能及特性，具有模块成本更低、体积更小和更易于安装等优点。
为达到以上目的，本发明提供一种低功耗动目标测距雷达的测距方法，通过低功耗动目标测距雷达探测运动目标，包括以下步骤：
步骤S1：单片机输出多普勒控制信号，以使得低功耗动目标测距雷达进入多普勒模式，从而判断是否有运动目标，如果有则执行步骤S2，否则继续探测运动目标；
步骤S2：单片机输出FMCW开关信号，以使得低功耗动目标测距雷达进入 FMCW模式，并且单片机将获得的信号进行处理，以获得运动目标与低功耗动目标测距雷达的距离。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤S1具体实施为以下步骤：
步骤S1.1：低功耗动目标测距雷达的雷达芯片以第一发射周期(优选为10Hz) 发射信号，以探测运动目标(多普勒目标)；
步骤S1.2：如果雷达芯片探测到运动目标，则将接收的回波信号经过多普勒中频处理电路传输到单片机的ADC采样电路，单片机根据回波信号的电平判断是否真正有运动目标，如果有则执行步骤S2，否则执行步骤S1.1。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤S2具体实施为以下步骤：
步骤S2.1：单片机输出FMCW开关信号的开信号，以激活FMCW中频处理电路并且单片机对雷达芯片进行发射频率控制电压切换，以使得FMCW中频处理电路对输出波形进行调制；
步骤S2.2：FMCW中频处理电路将雷达芯片获得的回波信号进行处理，以获得探测信号并且FMCW中频处理电路将探测信号传输到单片机；
步骤S2.3：单片机将探测信号进行快速傅里叶变换处理和动目标处理后获得运动目标与低功耗动目标测距雷达的距离。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤S2之后还包括步骤S3：当运动目标离开探测区域后，单片机输出FMCW开关信号的关信号，以关闭FMCW 中频处理电路，从而使得低功耗动目标测距雷达进入多普勒模式继续探测运动目标。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤S1之前还包括步骤S0：单片机输出电源控制信号到雷达芯片供电电路，以使得雷达芯片供电电路向雷达芯片进行供电。
附图说明
图1是本发明的一种低功耗动目标测距雷达的测距方法的整体示意图。
图2是本发明的一种低功耗动目标测距雷达的测距方法的雷达电路图。
图3是本发明的一种低功耗动目标测距雷达的测距方法的多普勒中频处理电路图。
图4是本发明的一种低功耗动目标测距雷达的测距方法的FMCW中频处理电路图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
在本发明的优选实施例中，本领域技术人员应注意，本发明所涉及的单片机和收发天线等可被视为现有技术。
优选实施例。
本发明公开了一种低功耗动目标测距雷达的测距方法，通过低功耗动目标测距雷达探测运动目标，包括以下步骤：
步骤S1：单片机输出多普勒控制信号，以使得低功耗动目标测距雷达进入多普勒模式，从而判断是否有运动目标，如果有则执行步骤S2，否则继续探测运动目标；
步骤S2：单片机输出FMCW开关信号，以使得低功耗动目标测距雷达进入 FMCW模式，并且单片机将获得的信号进行处理，以获得运动目标与低功耗动目标测距雷达的距离。
具体的是，步骤S1具体实施为以下步骤：
步骤S1.1：低功耗动目标测距雷达的雷达芯片以第一发射周期(优选为10Hz) 发射信号，以探测运动目标(多普勒目标)；
步骤S1.2：如果雷达芯片探测到运动目标，则将接收的回波信号经过多普勒中频处理电路传输到单片机的ADC采样电路，单片机根据回波信号的电平判断是否真正有运动目标，如果有则执行步骤S2，否则执行步骤S1.1。
更具体的是，步骤S2具体实施为以下步骤：
步骤S2.1：单片机输出FMCW开关信号的开信号，以激活FMCW中频处理电路并且单片机对雷达芯片进行发射频率控制电压切换，以使得FMCW中频处理电路对输出波形进行调制；
步骤S2.2：FMCW中频处理电路将雷达芯片获得的回波信号进行处理，以获得探测信号并且FMCW中频处理电路将探测信号传输到单片机；
步骤S2.3：单片机将探测信号进行快速傅里叶变换处理和动目标处理后获得运动目标与低功耗动目标测距雷达的距离。
进一步的是，步骤S2之后还包括步骤S3：当运动目标离开探测区域后，单片机输出FMCW开关信号的关信号，以关闭FMCW中频处理电路，从而使得低功耗动目标测距雷达进入多普勒模式继续探测运动目标。
更进一步的是，步骤S1之前还包括步骤S0：单片机输出电源控制信号到雷达芯片供电电路，以使得雷达芯片供电电路向雷达芯片进行供电。
优选地，本发明还公开一种低功耗动目标测距雷达，包括雷达电路、多普勒中频处理电路、FMCW(线性调频连续波)中频处理电路和单片机，其中：
所述雷达电路的第一输出端与所述多普勒中频处理电路的输入端电性连接并且所述多普勒中频处理电路的输出端与所述单片机的第一输入端电性连接；
所述雷达电路的第二输出端与所述FMCW中频处理电路的输入端电性连接并且所述FMCW中频处理电路的输出端与所述单片机的第二输入端电性连接。
具体的是，所述多普勒中频处理电路包括运放器U2、模拟开关U4、运放器 U3B和运放器U3A，其中：
所述运放器U2的正极输入端通过电阻R18与所述雷达电路的雷达芯片U1 的7管脚(IFI端)电性连接，所述运放器U2的输出端通过电阻R15与所述模拟开关U4的2管脚电性连接并且所述模拟开关U4的2管脚还通过电阻R20接地；
所述模拟开关U4的1管脚通过电阻R19与所述运放器U3B的正极输入端电性连接，所述运放器U3B的负极输入端通过电阻R16和电容C11接地并且所述电阻R16和所述电容C11的共接端通过电容C13与所述电阻R19远离所述运放器U3B的一端电性连接，所述运放器U3B的负极输入端和输出端之间连接有电阻R12并且所述电阻R12的两端并接有电容C8；
所述运放器U3B的输出端依次通过电容C12、电阻R13和电阻R17与所述运放器U3A的负极输入端电性连接，所述电阻R13和所述电阻R17的共接端通过电容C15接地，所述运放器U3A的负极输入端和输出端之间连接有电容C9 并且所述运放器U3A的输出端通过电阻R10与所述电阻R13和所述电阻R17的共接端电性连接(运放器U3A的输出端通过电阻R14与所述单片机的第一输入端电性连接)。
更具体的是，所述FMCW中频处理电路包括运放器U5B和运放器U5，其中：
所述运放器U5B的正极输入端通过电阻R28与所述雷达芯片U1的6管脚 (IFQ端)电性连接并且所述运放器U5B的负极输入端依次通过电阻R24和电容 C20接地，所述运放器U5B的负极输入端和输出端之间连接有电阻R23并且所述电阻R23的两端并接有电容C18；
所述运放器U5B的输出端依次通过电容C21和电阻R25与所述运放器U5A 的负极输入端电性连接，所述运放器U5A的负极输入端和输出端之间连接有电阻R22并且所述电阻R22的两端并接有电容C19(运放器U5A的输出端通过电阻R26与所述单片机的第二输入端电性连接)。
进一步的是，所述雷达芯片U1的3管脚连接发射天线并且所述雷达芯片 U1的11管脚连接接收天线(发射天线和接收天线可以共用)。
更进一步的是，所述单片机通过雷达芯片供电电路与所述雷达电路电性连接。
本发明的原理为：
雷达芯片采用SGR公司的SRK1101T单片毫米波雷达芯片，其包含两路正交中频输出端。其中一路进入多普勒中频处理电路，用于动目标探测，触发FMCW 测距电路(FMCW中频处理电路)；另外一路进入FMCW中频处理电路，用于动目标测距功能。两路信号均与低功耗MCU相连。
MCU(单片机)输出多普勒控制信号，用于控制多普勒低中频处理电路的开关；FMCW开关信号，用于控制FMCW中频处理电路的开关，用于降低功耗；发射频率控制电压，用于多普勒及FMCW输出波形调制；雷达芯片开关信号进入雷达芯片电源电路，用于控制雷达芯片开关，以节省功耗。
多普勒模式
采用低功耗采样保持电路，以较低的发射周期(10Hz)探测多普勒目标。若有目标，回波信号经多普勒电路放大后进入MCU的ADC采样电路，根据信号电平来判断是否有运动目标，若有目标被检测到，则进入FMCW模式，开启FMCW 电路。为达到低功耗目标，仅在发射期开启雷达芯片(开启时长10us)，大大降低信号发射占空比，降低功率消耗。同时，在发射静默期，MCU也进入低功耗休眠模式，进一步降低雷达功耗。
FMCW模式
发射频率控制电压调整为切换，FMCW电路将雷达回波中频信号进行放大滤波后，送入MCU进行FFT(快速傅里叶变换)及MTI(动目标检测)处理，得出运动目标与雷达的距离。待目标离开探测区域后，FMCW电路关闭，模块转为多普勒模式继续探测运动目标。
本发明在FMCW模式下工作电路65mA，在多普勒模式下，模块平均电流可低至100uA，其大部分时间处于多普勒模式，因此综合功耗低。
值得一提的是，本发明专利申请涉及的单片机和收发天线等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种低功耗动目标测距雷达的测距方法，通过低功耗动目标测距雷达探测运动目标，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：单片机输出多普勒控制信号，以使得低功耗动目标测距雷达进入多普勒模式，从而判断是否有运动目标，如果有则执行步骤S2，否则继续探测运动目标；
步骤S2：单片机输出FMCW开关信号，以使得低功耗动目标测距雷达进入FMCW模式，并且单片机将获得的信号进行处理，以获得运动目标与低功耗动目标测距雷达的距离。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗动目标测距雷达的测距方法，其特征在于，步骤S1具体实施为以下步骤：
步骤S1.1：低功耗动目标测距雷达的雷达芯片以第一发射周期发射信号，以探测运动目标；
步骤S1.2：如果雷达芯片探测到运动目标，则将接收的回波信号经过多普勒中频处理电路传输到单片机的ADC采样电路，单片机根据回波信号的电平判断是否真正有运动目标，如果有则执行步骤S2，否则执行步骤S1.1。
3.根据权利要求2所述的一种低功耗动目标测距雷达的测距方法，其特征在于，步骤S2具体实施为以下步骤：
步骤S2.1：单片机输出FMCW开关信号的开信号，以激活FMCW中频处理电路并且单片机对雷达芯片进行发射频率控制电压切换，以使得FMCW中频处理电路对输出波形进行调制；
步骤S2.2：FMCW中频处理电路将雷达芯片获得的回波信号进行处理，以获得探测信号并且FMCW中频处理电路将探测信号传输到单片机；
步骤S2.3：单片机将探测信号进行快速傅里叶变换处理和动目标处理后获得运动目标与低功耗动目标测距雷达的距离。
4.根据权利要求3所述的一种低功耗动目标测距雷达的测距方法，其特征在于，步骤S2之后还包括步骤S3：当运动目标离开探测区域后，单片机输出FMCW开关信号的关信号，以关闭FMCW中频处理电路，从而使得低功耗动目标测距雷达进入多普勒模式继续探测运动目标。
5.根据权利要求4所述的一种低功耗动目标测距雷达的测距方法，其特征在于，步骤S1之前还包括步骤S0：单片机输出电源控制信号到雷达芯片供电电路，以使得雷达芯片供电电路向雷达芯片进行供电。
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