CN203881944U - 双接收天线的汽车防撞雷达系统 - Google Patents

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白云浩
吉雅雯
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Abstract

本实用新型为双接收天线的汽车防撞雷达系统，本系统包括微波收发部分、中频信号处理部分、数据转换部分、中央控制处理部分和电源部分；微波收发部分有2根独立的接收天线和1根独立的发射天线，分别接入射频信号处理模块；中央控制处理部分有包括系统子模块、数据处理子模块和时钟子模块的PS模块，以及包括调制信号产生子模块、算法子模块、锁相环子模块和及控制子模块的PL模块。输出设备有显示器和报警装置、紧急制动装置。本实用新型可得目标方位，提高多目标判断能力，运算速度快、成本低﹑可靠性高，系统结构简化，降低成本，便于维护，易于升级。

Description

双接收天线的汽车防撞雷达系统
技术领域
本实用新型涉及汽车预警技术领域，具体为一种双接收天线的汽车防撞雷达系统。
背景技术
随着城市化以及高速公路建设的快速发展，汽车已成为人们生活中必不可少的交通工具。然而汽车在为人们提供便利的同时，也潜藏了诸多的安全隐患。在这一背景下，汽车预警技术的研究开发成为热点，其中汽车防撞雷达系统的研制开发具有非常重要的现实意义与应用价值。
现有的汽车防撞雷达采用多种技术实现，由于超声波、激光、红外容易受到恶劣天气及环境因素的影响，无法确保探测精度，因而国内外专家将注意力集中放在微波雷达上。目前，国外一些高档汽车中已经应用微波雷达，而在国内并没有成熟的产品应用于市场。
汽车防撞雷达通常采用单天线线性调频连续波体制(LFMCW)。在雷达接收机接收的雷达中频信号中，不仅含有目标回波信息，还含有噪声信号和干扰信号，如邻近车道上的车辆、车道间的护拦、路旁的树木以及架设的路标和广告牌等，这些都对雷达系统形成干扰，导致雷达做出错误判断。单天线的雷达接收机的目标方位检测性能差无法满足实际需要，制约了汽车防撞雷达的普及应用。
汽车雷达防撞系统不同于其他雷达系统，其要求防撞雷达系统具有实时性强，处理速度快的特点。目前防撞雷达信号处理电路的实现一般是由微控制单元(MCU)芯片、数字信号处理器(DSP)芯片或者现场可编程门阵列(FPGA)芯片中的任意两片组成。以FPGA和DSP的组合最为常见，由于FPGA的可编程逻辑结构可以比MCU芯片完成更多的功能，有较好的扩展性，有较好的时序控制能力，具有强大的并行处理能力、运算速度快、可靠性高、编程灵活等优点，DSP的信号处理专用乘法器和高速寄存器则可以协助完成不合适在FPGA上的一些运算。但是，目前汽车防撞雷达均需要在个人电脑PC端进行人机交互，这样使得系统体积十分庞大。不利于整机嵌入汽车内部。而基于ARM的嵌入式控制系统是当前汽车电子控制的主流方向，如果防撞雷达也采用以ARM架构的处理芯片，同时具有类似FPGA的逻辑可编程能力，具有DPS的专用信号处理模块，拥有片上操作系统，将利于产品维护，减低成本，提高实用价值。
在公开号为102353954A的中国发明专利申请“线性调频连续波汽车防撞雷达系统及使用方法”中，系统为DSP和FPGA的双处理器结构，采用时空复杂率平均算法对信号处理的各种算法合理分配到DSP和FPGA进行处理，充分利用了DSP和FPGA的各自优势。但是因算法复杂，实现很困难，而且仍难以满足防撞雷达系统实时性和处理速度的特殊要求。同时因硬件结构过于复杂，成本高，不利于商业推广。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有技术中存在的防撞雷达在复杂环境中的检测能力差，测向能力差，目标分辨力低以及系统硬件复杂等问题，设计一种双接收天线的汽车防撞雷达系统，雷达回波信号处理主芯片是内嵌可编程逻辑块和专用数字信号处理的双核ARM芯片，微波发送接收结合的雷达收发器配有32位高性能芯片用于数据采集，雷达天线包括2根独立的接收天线和1根独立的发射天线。操作简单，实时性好，处理速度快，实现了目标方位测量，提高了目标分辨能力。
本实用新型设计的双接收天线的汽车防撞雷达系统包括微波收发部分、中频信号处理部分、数据转换部分、中央控制处理部分和电源部分。电源部分与系统其它各个部分连接、提供需要的电压。微波收发部分包括发射天线、接收天线和射频信号处理模块，发射天线、接收天线与射频信号处理模块连接，射频信号处理模块处理后的信号经中频信号处理部分和数据转换部分，接入中央控制处理部分。所述数据转换部分包括数模转换模块和模数转换模块。中央控制处理部分连接输入设备和输出设备。中央控制处理部分控制待发送信号经数据转换部分接入射频信号处理模块，由发射天线发出。
本实用新型微波收发部分包括2根独立的接收天线和1根独立的发射天线。2根接收天线的距离，即基线长度L＝0.08m～0.15m。2根接收天线和1根发射天线分别接入射频信号处理模块。每个接收天线都有I、Q两路接收信号，即有4路接收信号。接收天线的IQ接收结构降低了采样速率，也降低了对数据转换部分的转换芯片的要求。同时因为2个接收天线的回波信号中保留了相位信息，可以据以判断目标的距离信息，并实现了对目标的方位测量。
所述接收天线和发射天线是一种窄波束雷达天线，为平面微带天线，外形小巧。在工作中不仅节能省电，而且非常易于集成于各种电路，也易于在汽车内的安装环境中构建模块保护设施。
所述射频信号处理模块为射频信号单输出双输入的K-波段带VCO(压控振荡器)的雷达收发芯片。
中央控制处理部分包括处理系统模块和可编程逻辑模块,以下称为PS(Processing System)模块和PL(Programmable Logic)模块。
PS模块包括系统子模块、数据处理子模块和时钟子模块。数据处理子模块对PL模块所得数据进行再处理，以得到最终的目标信息。系统子模块为硬件系统提供软件操作平台，并配有串口、USB接口和VGA接口中的至少一种，用以与输入、输出设备以及车载微机连接。系统启动时最先启动PS模块内的时钟子模块，以软件为中心启动整个系统，并对PL模块进行配置。
PL模块包括调制信号产生子模块、算法子模块、锁相环子模块以及控制子模块。控制子模块连接控制微波发射接收部分、中频信号处理部分和数据转换部分，还连接调制信号产生子模块和算法处理子模块。控制子模块按照PL模块中的锁相环子模块的时钟管理协调其连接的调制信号产生子模块、算法处理子模块的逻辑时序，保证各子模块协调工作。
所述PL模块的调制信号产生子模块按照控制子模块的指令产生三角波调制数字信号；调制数字信号输出至数据转换部分，数字信号转换为模拟信号送入微波收发部分的射频信号处理模块，由发射天线发出。
微波收发部分的射频信号处理模块对2个接收天线接收的射频信号进行算法处理，转换为中频信号，送入中频信号处理部分。
中频信号处理部分对接收的回波信号进行功率放大。
中频信号处理部分处理后的模拟回波信号送入数据转换部分转换为I、Q四路数字信号送入中央控制处理部分的PL模块。PL模块的算法子模块对2个接收天线的I、Q四路回波信号分别进行MUSIC算法，目标配对，目标距离速度信息计算和方位测量，得到最终的目标信息，并传递给PS模块，进行后续输出处理。
所述输出设备为供司机参考的显示装置，输出设备还可以为车载报警装置和/或紧急制动装置。中央控制处理部分的PL模块的控制子模块存储设置的最终目标距离和速度的预警值，当本雷达系统计算得到的最终目标距离和速度值达到预警值，控制子模块经系统子模块启动车载报警装置和/或紧急制动装置，以避免事故发生。
本实用新型双接收天线的汽车防撞雷达系统的运行方法，接通电源后，PS模块的软件初始化，并对PL模块进行配置；等待操作人员从输入设备输入开始运行的指令，若无指令输入，继续等待；开始指令输入后，控制子模块发送控制字到PL模块的调制信号产生子模块。发射调制三角波并采集回波信号；本汽车防撞雷达系统有两个相距L的天线A、B，每个天线所接收的回波信号分为两路：回波信号的实数部分I信号和虚数部分Q信号，即A天线的回波信号IA、QA和B天线的回波信号IB、QB。中频信号处理部分分别对四路信号进行采集处理。算法子模块对四路信号进行检测，目标配对、计算目标的距离、速度和方位信息
PL模块得到的目标的距离、速度和方位信息传递给PS模块，在显示设备上同步显示，供司机参考。
当输出设备包括车载报警装置和/或紧急制动装置，PL模块的控制子模块根据当前所得目标的距离、速度和方位信息经系统子模块控制车载报警装置和/或紧急制动装置的启动，以避免事故发生。
与现有技术相比，本实用新型双接收天线的汽车防撞雷达系统的优点为：1、微波信号接收部分具有一个发射天线和两个接收天线，独立的接收发送通道，可以获得最大的增益，双接收天线接收结构有IAIBQAQB四路接收通道，可以探测目标的方向，提高多目标判断能力；2、微波发送接收结合为一个部件，节省硬件资源和成本，节省空间，能耗也随之降低；3、中央控制处理部分的可编程逻辑模块为单处理器结构，系统具有强大的并行处理能力﹑运算速度快、成本低﹑可靠性高、编程灵活等优点，本系统对雷达信号的处理速度快，实时性好；选用集成度更高的嵌入式AP-SoC芯片，提高了人机交互性能，开发周期短，产品易于升级，便于产品后期维护，生产成本更低，可靠性更高，可使整个系统变得更为小巧、结构简化，更利于系统的实现和升级，降低成本，提高了商业价值；4、本系统本身即为一个完全嵌入式系统，无需上位机对数据进一步处理，可以独立完成从天线的信号采集到目标显示和自动报警功能，同时还可以连接汽车的紧急制动装置，实现自动制动。
附图说明
图1为本双接收天线的汽车防撞雷达系统实施例总体架构框图；
图2为图1中的中央控制部分结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
本双接收天线的汽车防撞雷达系统实施例整体架构如图1所示，包括微波收发部分、中频信号处理部分、数据转换部分、中央控制处理部分和电源部分。电源部分与系统其它各个部分连接、提供需要的电压。
本例的微波收发部分包括1根独立的发射天线、2根独立的接收天线AB和射频信号处理模块，本例2根接收天线AB的距离，即基线长度L＝0.12m。1根发射天线和2根接收天线分别接入射频信号处理模块。A、B两个接收天线都有I、Q两路接收信号，即有4路接收信号接入射频信号处理模块。
本例接收天线和发射天线是一种窄波束雷达天线，为平面微带天线。所述射频信号处理模块为射频信号单输出双输入的K-波段带VCO(压控振荡器)的雷达收发芯片。配有一路发送通道和四路接收通道，即A天线回波信号的实部接收通道IA，A天线回波信号的虚部接收通道QA，B天线回波信号的实部接收通道IB，B天线回波信号的虚部接收通道QB。本例中的射频信号处理模块发射电磁波载频的工作频段为24GHz。
射频信号处理模块处理后的信号经中频信号处理部分和数据转换部分，接入中央控制处理部分。所述数据转换部分包括数模转换模块和模数转换模块。中央控制处理部分连接输入设备和输出设备。
本例中频信号处理部分包括频域动态压缩电路和中频放大电路。
中央控制处理部分中心控制处理部分为全可编程片上系统芯片PA-SoC，其结构如图2所示，包括PS模块和PL模块。
PS模块包括数据处理子模块、系统子模块和时钟子模块。数据处理子模块对PL模块所得数据进行再处理。本例系统子模块配有串口、USB接口和VGA接口。
PL模块包括调制信号产生子模块、算法子模块、锁相环子模块以及控制子模块。控制子模块连接控制微波发射接收部分、中频信号处理部分和数据转换部分，还连接调制信号产生子模块和算法处理子模块。控制子模块按照PL模块中的锁相环子模块的时钟管理协调其连接的调制信号产生子模块、算法处理子模块的逻辑时序，保证各子模块协调工作。
所述PL模块的调制信号产生子模块按照控制子模块的指令产生三角波调制数字信号；调制数字信号输出至数据转换部分，数字信号转换为模拟信号送入微波收发部分的射频信号处理模块，由发射天线发出。
微波收发部分的射频信号处理模块对2个接收天线接收的射频信号进行算法处理，转换为中频信号，送入中频信号处理部分；中频信号处理部分对接收的回波信号进行功率放大，并减小信号的动态范围，其送入数据转换部分的信号功率大于一个A/D量化电平。中频信号处理部分处理后的模拟回波信号经数据转换部分转换为I、Q四路数字信号送入中央控制处理部分PA-SoC芯片的PL模块中算法子模块。PL模块的算法子模块对2个接收天线I、Q四路的回波信号分别进行MUSIC算法，目标配对，目标距离速度信息计算和方位测量，得到最终的目标信息，并传递给PS模块，进行后续输出处理。
本例输入设备为键盘鼠标。本例输出设备为供司机参考的显示装置、车载报警装置和紧急制动装置。中央控制处理部分的PL模块的控制子模块存储设置的最终目标距离和速度的预警值，当本雷达系统计算得到的最终目标距离和速度值达到预警值，控制子模块经系统子模块启动车载报警装置和紧急制动装置。本例系统子模块配置的串口、USB接口和汽车上的微机进行数据传输。
本双接收天线的汽车防撞雷达系统实施例固定在静止的实验平台上，前方两辆目标车，第一目标车辆距离实验平台上的实验系统80m，速度为10m/s，方位：+3.4度，第二目标车辆距离实验平台上的实验系统80.1m，静止状态，方位：0度。
本双接收天线的汽车防撞雷达系统实施例运行实验结果为：共发现2个目标，本方法得到的计算结果为第一目标距离79.998m,速度10m/s，偏离A天线主轴方位角为+3.4度。第二目标距离80.1m,速度0m/s，偏离A天线主轴方位角为0度。实际实验环境中第一目标距离为80m，速度为10m/s，方位角为+3.4度。第二个目标距离为80.1m，速度为0m/s，方位角为0度。
与上述双接收天线的汽车防撞雷达系统的运行方法实施例采用相同的实验条件，将传统的单天线调制三角波汽车防撞雷达探测系统作为对比系统固定在静止的实验平台上，该对比例实验结果为：共发现2个目标，距离是81m和81m,速度为9.05m/s和0.1m/s，无方位检测能力。
由本双接收天线的汽车防撞雷达系统实施例和对比例的实验结果，可以明显看出本实用新型比传统的使用三角波汽车防撞雷达运行方法有效地提高了目标测距测速精度，同时增加了测向功能。
本实施例PL模块得到的目标的距离、速度和方位信息传递给PS模块，在显示设备上同步显示，供司机参考。
控制子模块根据当前目标的距离、速度和方位信息，经系统子模块启动车载报警装置和紧急制动装置，避免事故发生。
上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.双接收天线的汽车防撞雷达系统，包括微波收发部分、中频信号处理部分、数据转换部分、中央控制处理部分和电源部分；电源部分与系统其它各个部分连接、提供需要的电压；微波收发部分包括发射天线、接收天线和射频信号处理模块，发射天线、接收天线与射频信号处理模块连接，射频信号处理模块处理后的信号经中频信号处理部分和数据转换部分，接入中央控制处理部分；所述数据转换部分包括数模转换模块和模数转换模块；中央控制处理部分连接输入设备和输出设备；中央控制处理部分控制待发送信号经数据转换部分接入射频信号处理模块，由发射天线发出；其特征在于： 
所述微波收发部分包括2根独立的接收天线和1根独立的发射天线，2根接收天线和1根发射天线分别接入射频信号处理模块。 
2.根据权利要求1所述的双接收天线的汽车防撞雷达系统，其特征在于： 
所述2根接收天线的距离，即基线长度L＝0.08m～0.15m。 
3.根据权利要求1所述的双接收天线的汽车防撞雷达系统，其特征在于： 
所述接收天线和发射天线是一种窄波束雷达天线，为平面微带天线。 
4.根据权利要求1所述的双接收天线的汽车防撞雷达系统，其特征在于： 
所述射频信号处理模块为射频信号单输出双输入的K-波段带压控振荡器的雷达收发芯片。 
5.根据权利要求1所述的双接收天线的汽车防撞雷达系统，其特征在于： 
所述输出设备为供司机参考的显示装置，输出设备还有车载报警装置和/或紧急制动装置。 
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