CN202351426U - 一种汽车防撞雷达高精度测角装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种汽车防撞雷达高精度测角装置，属于雷达通信和汽车电子技术领域；具体包括一组或多组雷达收发装置，一个或多个相位差鉴别模块和数字相位处理器；其中每组雷达收发装置包括单雷达发射机、双相干接收机。单雷达发射机与双相干接收机分别相连，每组两个接收机分别与相应的相位差鉴别模块连接，每个相位差鉴别模块的输出接入数字相位处理器。本新型采用多组雷达收发装置，每组接收机的相应天线接收同一回波成为干涉信号，再对产生的相位差进行相位差鉴别处理，并将处理结果输出至数字相位处理模块，得到高精度方向角。

Description

一种汽车防撞雷达高精度测角装置

技术领域

本实用新型涉及一种汽车防撞雷达高精度测角装置，属于雷达通信和汽车电子技术领域。

背景技术

汽车主动防撞雷达的研究日趋深入，当前对汽车前方目标相对雷达的方向角度的测量多依靠多通道接收机幅度的差异来实现，采用多通道比幅测角的方法在雷达实现上设备简单，易于实现，但是比幅测角存在角度测量精度低，并且由于信号的幅度在目标运动过程中变化较大，使得角度测量的稳定度不够，影响了对汽车前方目标角度的测量以及目标所处车道位置的判别。本实用新型将多通道相位特性应用到目标方位角度测量方面，通过干涉仪原理对多通道接收信号相位差进行测量，实现对目标方位角度的测量，具有较好的测量精度和测量稳定性。

发明内容

本实用新型的目的是为了提高汽车主动防撞雷达的目标角度测量精度，提高雷达的引导能力，解决方向角测量模糊问题，提出一种基于干涉原理的汽车防撞雷达高精度角度测量装置，利用任意两路信号沿相同路径传输到达目标形成干涉中的波程差和相位差，得到高精度的目标方向角度值。

一种汽车防撞雷达高精度角度测量装置，具体包括一组或多组雷达收发装置，一个或多个相位差鉴别模块和数字相位处理器；其中每组雷达收发装置包括单雷达发射机、双相干接收机。

上述各组成的连接关系为：单雷达发射机与双相干接收机分别相连，每组两个接收机分别与相应的相位差鉴别模块连接，每个相位差鉴别模块的输出接入数字相位处理器。

所述发射机为工作在77GHz的毫米波雷达发射机。

所述多组双相干接收机采用相同部件构成，以确保多组接收信道接收的信号传输的相位一致性。每部接收机包括接收天线、低噪声放大器、混频器、视频放大器、滤波器及发射机本振信号输入模块；接收天线、低噪声放大器、混频器、视频放大器、滤波器顺次相连，发射机本振信号输入模块的输出与混频器连接，滤波器输出连接至相应的相位差鉴别模块的取样器。

所述的相位差鉴别模块包括两路取样器及相应保持电路，其中每路取样器由4个二极管构成，保持电路采用电容；每路取样器与其相应的保持电路顺序相连。具体的相位差鉴别过程如下：每路取样器分别获取每路接收机的输出电压，然后经过4个二极管取样，并经后续保持电路进行电压保持后输出到数字相位处理器模块中进行A/D变换。

所述的相位差鉴别模块个数与雷达收发装置组数相同。

所述数字相位处理模块包括多个A/D变换、数字相位比较模块和方向角计算模块；其中，多个A/D变换并联，其输出连接数字相位比较模块，数字相位比较模块的输出接入方向角计算模块。数字相位处理模块用于对多组接收机相位差鉴别处理后的多个信道信号依次进行AD采样、数字相位比较和方向角计算，其中AD采样为多路同时采样。

本实用新型的系统工作过程如下：

步骤一、首先由雷达发射机为本组接收机提供共源同相等幅的本振信号。

步骤二、雷达发射机发射信号。

步骤三、每组接收机的相应天线接收同一回波成为干涉信号，生成对应相位差。

步骤四、对每组的两部接收机分别进行相位差鉴别处理，并将处理结果分别输出至数字相位处理模块。

步骤五、数字相位处理模块对多组接收机的相位差鉴别处理后的多个信道信号进行相位检测处理。

步骤六、对经相位检测处理后的多个信道信号采用发射机发射互质波长/频率的信号发射方式，并结合干涉原理实现方向角去模糊。

步骤七，按照步骤四到步骤六的方法对系统内各组接收机进行测角，得到各组高精度方向角β_i(i＝1，2，...，n)后，取所有方向角的平均值得到最终方向角β。

有益效果

1)本实用新型至少采用一个发射机、两部相干接收机及其相应的处理组件通过干涉原理测角的方式实现高精度目标角度测量；

2)每组发射机为其相应的接收机提供共源同相等幅的本振信号，同时该组接收机采用近似相同的部件构成以有效确保信道信号传输的相位一致性；

3)采用了数字相位处理模块对多个信道信号进行相位检测处理，从而实现对至少两部接收机进行相位差鉴别处理；

4)用互质波长的发射机频率的方式实现方向角度去模糊。

附图说明

图1为本实用新型“一种汽车防撞雷达高精度测角装置”的结构示意图；

图2为具体实施方式中每部接收机的结构示意图；

图3为具体实施方式中数字相位处理器的结构示意图；

图4为具体实施方式中采用两组收发组件的高精度测角系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

本实用新型的汽车防撞雷达高精度测角装置基于长基线/短波长以及互质波长的干涉原理：

假设目标方位角度的真实值为β，β属于汽车防撞雷达的前视覆盖角度范围中。对应的两个接收机接收信号相位差为φ，因此有

$\mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d\sin \mathrm{\β}$

但是由于基线长度较长，两接收机接收到的信号间相位差φ的测量存在多值性，即当值大于2π的时候，观测值为φ对2π取余数，所以，对于观测值φ′有

${\mathrm{\φ}}^{\′}+2\mathrm{N\π}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d\sin \mathrm{\β}$

其中，N为整数，φ′和φ分别为观测信号的观测值和真实值。可以通过改变雷达发射频率也就是雷达工作波长，实现多个方程求解，来解算N的取值。从而得到正确的方向角度值β。

本实用新型的结构如图1所示。采用多组雷达收发装置，每组接收机的相应天线接收同一回波成为干涉信号，再对产生的相位差进行相位差鉴别处理，并将处理结果输出至数字相位处理模块，得到高精度方向角。

本实施例中的毫米波汽车防撞雷达工作频率范围76GHz～77GHz，采用两个雷达发射机、两组相干接收机、相位差鉴别模块和相应的数字相位处理器。

每部接收机由包括接收天线、低噪声放大器、混频器、视频放大器、滤波器及发射机本振信号输入模块，如图2所示；接收天线、低噪声放大器、混频器、视频放大器、滤波器顺次相连，发射机本振信号输入模块的输出与混频器连接。

其中，所述的接收天线采用标准增益的喇叭天线，型号为JXTXLB/12/25/A；低噪声放大器、混频器、和发射机本振信号集成在Infineon公司生产的射频集成模块上；视频放大器及滤波器采用Ti公司生产的集成了滤波器的视频放大器THS7319实现。

雷达发射机与雷达接收机都集成在Infineon公司生产的射频集成模块中，发射机的发射天线与接收机的接收天线公用。

所述的相位差鉴别模块具体内部组成包括两路取样器及相应保持电路，其中保持电路以电容为主。其中每路取样器由4个二极管构成。每路取样器与其相应的保持电路顺序相连。

具体的相位差鉴别过程如下：每路取样器分别获取每路接收机的输出电压，然后经过4个二极管取样，并经后续保持电路进行电压保持后输出到数字相位处理器模块中。

相位差鉴别模块输出的电压与输入信号的相位差成正比，具体实现时，为了提高鉴相器的精度，可以采用发射机本振信号输入模块输出的本振信号作为辅助信号，分别与两路接收机输出的被测信号进行相位差鉴别，并进行对鉴相结果相加，同时结合“二次插值细分”对两路接收机的相位差进行精确测量。

本实用新型的数字相位处理器包括多个A/D变换、数字相位比较模块和方向角计算模块，如图3所示，多个A/D变换并联，其输出连接数字相位比较模块，数字相位比较模块的输出接入方向角计算模块。

本实施例中只使用到两个A/D变换，所述的A/D变换采用16位高精度的ADC7980实现。

数字相位处理器模块具体的工作过程如下：每路ADC获取单路相位差鉴别模块输出的电压，并进行ADC变换，变换后的数据结果经相关数字相位比较、方向角算法后输出。

本实施例的高精度测角系统如图4所示，雷达发射机分别与两组相干接收机的发射机本振信号输入模块相连，两组相干接收机的滤波器输出连接至相位差鉴别模块，相位差鉴别模块连接数字相位处理器的A/D变换。

本实施例的系统工作过程如下：

步骤一、首先由两个雷达发射机为相应的接收机提供共源同相等幅的本振信号。

步骤二、雷达发射机发射信号。

步骤三、两组接收机的相应天线接收同一回波成为干涉信号。接收到的目标反射电磁波近似为平面波，由于每组当中不同接收机接收目标反射电磁波存在波程差，从而导致生成对应相位差。

步骤四、两组接收机进行相位差鉴别处理，并将处理结果输出至数字相位处理模块。具体的相位差φ得出过程如下：

假设接收机天线间的距离设为d(即干涉基线长度)，其对应的目标反射回的电磁波信号波程差为ΔR、信道间相位差为φ，当远区目标偏离本汽车中心位置角度为β(β属于汽车防撞雷达的前视覆盖角度范围)时，此组接收机信道波程差ΔR和相位差φ关系如下：

$\mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\ΔR}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d\sin \mathrm{\β}---\left(1a\right)$

步骤五、在步骤四的基础上，数字相位处理模块对两组接收机的相位差鉴别处理结果，即对信道信号进行相位检测处理。

上述数字相位处理模块包括A/D变换、数字相位比较模块以及方向角计算模块，如图3所示。

步骤六、对经步骤五处理后的两个信道信号采用发射机发射互质波长/频率的信号发射方式，并结合干涉原理实现方向角去模糊。

方向角去模糊的具体方法如下：

由公式(1a)可知，当雷达工作波长较短时，较大的方向角将导致相位差φ_i超过2π，因此为使相位差处于单值范围内，就要使

(i＝1，2)(2a)

当不满足(2a)中相位差单值对应关系时，可通过分析得到N_i的取值范围，对于实际观测的真实值和观测值分别为φ_i和φ_i′，它们和β_i的关系：

${\mathrm{\φ}}_i={\mathrm{\φ}}_i^{\′}+2N_i\mathrm{\π}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{d}_i\sin {\mathrm{\β}}_i---\left(3a\right)$

其中，N_i为整数，β_i为目标来波方向的真实值。

通过改变雷达发射频率f，即雷达工作波长λ，实现多个方程求解N_i的取值。再将N_i值，再带入(3a)式中，从而得到正确的方向角度值β_i。

N_i的具体求解方法如下：在76GHz～77GHz毫米波段内，相邻两次雷达波束的发射波长为λ₁、λ₂，且λ₁、λ₂互质，在这两个工作波长下测得由于目标角度β_i引起的测量相位差分别为φ_i1、φ_i2，得到：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_{i1}={\mathrm{\φ}}_{i1}^{\′}+2N_i\mathrm{\π}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_1}{d}_i\sin {\mathrm{\β}}_i\\ {\mathrm{\φ}}_{i2}={\mathrm{\φ}}_{i2}^{\′}+2N_i\mathrm{\π}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_2}{d}_i\sin {\mathrm{\β}}_i\end{array}\right.---\left(4a\right)$

经过化简可以得到

$\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1}=\frac{{{\mathrm{\φ}}^{\′}}_{i1}+2N_i\mathrm{\π}}{{{\mathrm{\φ}}^{\′}}_{i2}+2N_i\mathrm{\π}}---\left(5a\right)$

可以解算出

再带入(4a)中任意式求出高精度方向角β_i值，得的N值代入(4a)中任意一式，如带入(4a)中的第一式，得到目标的方位角为： $\mathrm{\β}=\arcsin \left(\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2({{\mathrm{\φ}}^{\′}}_2-{{\mathrm{\φ}}^{\′}}_1)}{2\mathrm{\π}{d}_1({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2)}\right).$

步骤七，按照步骤四到步骤六的方法对系统内各组接收机进行测角，得到各组高精度方向角β_i(i＝1，2)后，取所有方向角的平均值得到最终方向角β。

以上所述为本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本实用新型所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本实用新型保护的范围。

Claims (4)

1.一种汽车防撞雷达高精度测角装置，其特征在于：包括一组或多组雷达收发装置，一个或多个相位差鉴别模块和数字相位处理器；其中每组雷达收发装置包括单雷达发射机、双相干接收机；

上述各组成的连接关系为：单雷达发射机与双相干接收机分别相连，每组两个接收机分别与相应的相位差鉴别模块连接，每个相位差鉴别模块的输出接入数字相位处理器；

所述多组双相干接收机采用相同部件构成，每部接收机包括接收天线、低噪声放大器、混频器、视频放大器、滤波器及发射机本振信号输入模块；接收天线、低噪声放大器、混频器、视频放大器、滤波器顺次相连，发射机本振信号输入模块的输出与混频器连接，滤波器输出连接至相应的相位差鉴别模块的取样器；

所述的相位差鉴别模块包括两路取样器及相应保持电路，每路取样器与其相应的保持电路顺序相连；

所述的相位差鉴别模块个数与雷达收发装置组数相同；

所述数字相位处理模块包括多个A/D变换、数字相位比较模块和方向角计算模块；其中，多个A/D变换并联，其输出连接数字相位比较模块，数字相位比较模块的输出接入方向角计算模块。

2.根据权利要求1所述的一种汽车防撞雷达高精度测角装置，其特征在于：所述相位差鉴别模块的每路取样器由4个二极管构成，保持电路采用电容。

3.根据权利要求1所述的一种汽车防撞雷达高精度测角装置，其特征在于：所述的相位差鉴别模块具体相位差鉴别过程为：每路取样器分别获取每路接收机的输出电压，然后经过4个二极管取样，并经后续保持电路进行电压保持后输出到数字相位处理器模块中进行A/D变换。

4.根据权利要求1所述的一种汽车防撞雷达高精度测角装置，其特征在于：所述数字相位处理模块中的AD采样为多路同时采样。 

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