CN1400474A - 全固态集成小型毫米波防撞雷达装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种全固态集成小型毫米波防撞雷达装置，其特征在于，由天线、收发组件、线性调制单元、中频放大系统、信号处理系统、声光显示报警装置六个单元组成，采用24GHZ的高频载波以及收发小型平面微带天线。线性调制单元产生一幅度、偏置和频率可调的三角波，输入到收发组件中的压控振荡器，使之产生一频率按三角波规律变化的高频信号，经耦合器、环行器和天线发射出去，碰到目标并返回，再由天线接收，通过环行器后，和耦合器耦合到的本振信号的一部分经混频器混频，混频后的信号经中放进入信号处理系统检出探测目标的距离，并判断是否小于安全门限值，之后送入报警及显示装置进行显示和报警。具有重量轻、体积小、一致性好、分辨高和全天候等特点。

Description

全固态集成小型毫米波防撞雷达装置
技术领域
本发明涉及一种毫米波汽车防撞雷达装置，主要解决汽车行驶中的防追尾碰撞这一技术问题。本发明属于汽车主动防护技术领域。
背景技术
人们对提高汽车行驶的安全性问题越来越重视，汽车防撞系统对提高汽车行驶安全性十分重要。在交通事故统计中，约85％的汽车追尾碰撞是由于驾驶员的疏忽和汽车跟得太近。为了减少汽车碰撞以及汽车碰撞带来的人员伤亡和财产损失，目前在汽车安全行驶方面采用的技术很多，例如，增强汽车的结构、安装行驶安全带和增加安全气囊等，但这些被动方式只解决了汽车碰撞后的防护问题，没有从根本上解决汽车防撞问题。从1971年开始，出现了超声波、激光、红外、微波等多种方式的主动汽车防碰撞系统。但是，光学及红外受限于烟、雨、雾等。微波分辨率低，地物杂波大，除非加大天线口径，而这在空间有限的汽车上是不允许的。都未能在汽车上大量推广应用。而且后端数据处理基本上采用单片机或简单的数字电路，用计数的方法来完成目标的距离探测，这样目标识别能力差，精度低，虚警率高和实时性不好。毫米波雷达与其他雷达相比具有重量轻、体积小和全天候等特点，所以成为近年来研究与发展的热点。目前，开展汽车毫米波雷达系统研究的公司主要集中在美国、日本和欧洲，且已研制出可供装车使用的产品。1993年美国的Eaton公司研制出EVT-300防碰撞雷达报警系统。1997年Benz公司的汽车雷达系统荣获德国的工业革新奖。但是目前国外的防撞雷达也还没有完全发展成熟，波导结构的雷达仍占主导地位，存在一致性差、难以大批量生产的缺点。国内对汽车雷达的研究处于起步阶段，尚无相应的产品应市。
发明内容
本发明针对国内外发展的现状，提供一种全固态集成平面天线结构的小型毫米波汽车防撞雷达，它具有重量轻、体积小，一致性好，工作可靠、易于大批量加工、分辨率高和全天候等特点。
本发明的目的是通过下列方案实施的：首先探测与前方车辆的距离和速度，进行实时显示，再根据汽车制动方程自动定出安全门限，当两车之间的距离小于安全门限值时，则向司机发出声光报警信息。
本发明提供的雷达采用24GHz的高频载波，其特点是射频带宽大，因而距离分辨率高。采用了平面微带天线的结构，天线及部件尺寸小，适用于在空间有限的汽车上安装。同时具有截获率低，穿透力强、地面杂波相对较低而且能适应恶劣的气候条件(烟、云、雨、雾)等，天线波束窄，增益高，抗干扰能力强。采用调频连续波(FMCW)雷达体制，相对于脉冲体制具有所需要发射功率低、信号处理复杂程度低及成本低廉的显著优点。
本发明的一个主要优点就是通过计算多谱勒频移及某一时刻接收信号的传递时间，测量本车到被测物体相对速度和距离。因此，不仅对运动物体，甚至在主车速很低时对静止物体也具有极佳的检测性能。
本发明提供的小型雷达装置主要由平面微带天线、收发组件、线性调制单元、中放系统、信号处理系统、声光显示报警装置等六个单元组成。天线将收发组件产生的24GHz调频连续波发射出去，当碰到目标以后被反射回来并经收发组件混频以后输入中放系统，经放大和滤波后将信号输入信号处理系统计算和判别出目标距离和速度，并根据汽车制动方程计算两车安全距离，由此定出汽车行驶的安全距离和报警门限并驱动声光报警装置报警，提醒驾驶员注意行车安全。该装置的各单元说明如下：
(1)该装置采用收发小型平面微带天线，尺寸为90×91mm，天线主瓣角为5°，增益为20dB。
(2)收发组件将压控振荡器(VCO)、耦合器、混频器制成一平面微带电路，其发射功率为56mW，具有结构简单、一致性好、容易实现，造价低廉等优点。
(3)本发明的线性调制单元可以产生一线性度好，直流偏置、幅度和频率均可调的三角波。依据不同的需要调整合适的VCO调制带宽。
(4)本发明提供的汽车防撞雷达装置其作用距离5～100米，对于这样一个大带宽、高增益特点的系统，要实现近100倍频程宽的带通滤波是相当困难的，对于80dB这样宽的中频动态范围，有可能使接收机近距离饱和或者近距离目标的谱旁瓣将远距离目标的谱主瓣淹没，所以，为避免输出电压中信号的丢失，本发明采取了中频信号自动增益控制来满足A/D变换器对系统动态范围的要求。中放原理如图2所示。
(5)本发明的信号处理系统以德州仪器(TI)公司的TMS320C5402高速数字信号处理(DSP)芯片为核心，外围器件包括模数转换芯片(ADC)驱动电路、ADC、高速闪存、电源管理模块、标准串行口(RS232)接口电路等，综合构成了一块高速数字信号处理系统，其时钟频率为40MHz，可以对中频信号进行高速处理，从复杂的信号背景下，消除不需要的信号(如杂波)检出有用的雷达探测目标信号，具有很好的实时性和灵活性。其原理框图如图3所示。
(6)报警及显示部分对5～100米不同距离的危险目标进行不同频率的声光报警。5～50米距离范围内以2Hz频率进行声光报警，50～100米距离范围内以1Hz频率声光报警。
本发明的性能指标：
工作环境：-40℃~+80℃
最大作用距离：100m
速度分辨率：＜5Km/h
刷新频率：20Hz
电源：+8~12V单电源供电
输出：数字显示前方车距与车速、根据两车相对距
离和速度发出报警
附图说明
图1是本发明的提供四毫米波防雷达系统原理框图。
图2是图1中的中放原理示意图。中放系统是由线性网络、自动增益放大器二部分组成。
图3是图1中的信号处理原理框图。
图4是图1中的声光报警及显示装置原理框图。
图5是本发明提供的装置中信号采集部分和信号处理部分的连接示意图。
图中，1：天线、2：收发组件、3：中放、4：信号处理系统、5：报警及显示装置、6：线性调制单元、21：环行器、22：耦合器、23：压控振荡器、24：混频器、31：中频输入、32：线性网络、321：低噪声放大器、322：滤波器、323：隔离器、33：自动增益控制放大器、331：增益可控放大器、332：反馈环节、34：中频输出、41：ADC驱动模块、42：电源模块、43：模数转换、44：数字信号处理器、45：硬件复位、46：高速闪存、47：IEEE1149.1标准扫描逻辑(JTAG)调试口、48：通信串口、49：数据总线扩展、51：数据总线扩展、52：译码器、53：锁存器、54：数码管、55：电源指示。
具体实施方式
本发明提供的防撞雷达系统，其的基本工作原理如图1所示，线性调制单元6产生一幅度、偏置和频率可调的三角波，输入到收发组件2中的压控振荡器23，使之产生一频率按三角波规律变化的高频信号，经耦合器22、环行器21和天线1发射出去，碰到目标并返回，再由天线接收，通过环行器21后，和耦合器22耦合到的本振信号的一部分经混频器24混频，混频后的信号经中放3进入信号处理系统4检出探测目标的距离，并判断是否小于安全门限值，之后送入报警及显示装置5进行显示和报警。又如图2所示，中放系统是把收发组件2中混频器24的中频输入31送给线性网络32，经自动增益控制放大器33进行放大，以满足A/D变换器对中频输出34动态范围的要求，线性网络32由低噪声放大器321和滤波器322构成，自动增益控制放大器33由增益可控放大器331和反馈环节332组成。又如图3所示，信号处理系统是把中放的中频输出34送入ADC驱动模块41进行放大、抗混叠滤波和电位平移，经模数转换43将模拟信号转换成数字信号送给数字信号处理器44进行目标的识别和距离及速度的计算，再将数显板所需要的数据线和控制线通过数据扩展槽49给报警及显示装置5，其中高速闪存46存储系统的应用程序，硬件复位45使系统复位，电源模块42提供+12V、+5V、+3.3V、+1.8V的不同等级20电压供给不同芯片，JTAG调试口47用于在线编程和调试程序，串口48用于该装置和PC机的串行通讯。
本发明提供的防撞雷达，其外观分成前端信号采集部分和后端信号处理部分两个机箱，如图5所示，前端体积为95×95×50mm3，安装在车体保险杠部位，后端体积为140×130×120mm3，安装在驾驶室内，两部分通过同轴电缆接插件(BNC)端口电缆连接。

Claims (6)

1、一种全固态集成小型毫米波防撞雷达装置，其特征在于：
(1)由天线、收发组件、线性调制单元、中频放大系统、信号处理系统、声光显示报警装置六个单元组成；
(2)所述的天线采用收发小型平面微带天线，天线主瓣角为5°增益为20dB；
(3)所述的收发组件是由压控振荡器、耦合器、混频器制成的平面微带电路，发时功率为56mw；
(4)所述的线性调制单元产生一幅度偏置和频率可调的三角波，输入收发组件中的压控振荡器；
(5)所述的中频放大系统是采用中频信号自动增益控制；
(6)所述的信号处理系统是以TMS320C5402高速数字信号处理芯片为核心，外围器件包括模数转换芯片及驱动电路。高速闪存，电源模块、标准串行口接口电路；
(7)所述的声光显示报警装置采用不同距离的危险目标进行不同频率的声光报警。
2、根据权利要求1所述的全固态集成小型毫米波防撞雷达装置，其特征在于，所述中频放大系统是由线性网络、自动增益放大器二部分组成；其中线性网络由低噪声放大器和滤波器构成；自动增益放大器由增益可控放大器和反馈环节组成。
3、根据权利要求1所述的全固态集成小型毫米波防撞雷达装置，其特征在于，所述电源模块提供+12V、+5V、+3.3V、+1.8V的不同等级的电压。
4、根据权利要求1所述的全固态集成小型毫米波防撞雷达装置，其特征在于，5-50米距离范围内声光报警的频率为2HZ；50-100米距离范围内声光报警的频率为1HZ。
5、根据权利要求1所述的全固态集成小型毫米波防撞雷达装置，其特征在于，所述六个组成单元分成信号采集部分和信号处理二部分，通过同轴电缆接插件端口电缆连接。
6、根据权利要求1所述的全固态集成小型毫米波防撞雷达装置，其特征在于，采用24GHZ的高频载波，最大工作距离100m。
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