CN215180871U - 二维测角双极化车载雷达系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种二维测角双极化车载雷达系统，包括发射模块、若干个发射天线、多个接收天线、接收模块和信号处理模块；每个所述发射天线分别与所述发射模块电性连接；多个所述接收天线在垂直方向上排布成至少两行，每行具有若干个所述接收天线，所述接收天线为双极化天线；所述接收模块分别与所述接收天线及所述发射模块电性连接；所述信号处理模块分别与所述发射模块及所述接收模块电性连接。根据本实用新型的二维测角双极化车载雷达系统，通过在垂直方向上设置至少两行接收天线，且每行分别具有若干个接收天线，使得雷达系统不仅具备方位面上的测角功能，同时还具备俯仰面上的测角功能，从而大大提高雷达的探测性能。

Description

二维测角双极化车载雷达系统

技术领域

本实用新型涉及雷达技术领域，尤其是涉及一种二维测角双极化车载雷达系统。

背景技术

毫米波雷达由于其具有体积小、重量轻、受天气影响小等特点，被广泛应用于汽车的高级辅助驾驶系统。目前常见的车载毫米波雷达系统使用调频连续波的工作模式，通过发射天线发射调频的三角波或锯齿波，再通过在方位面上分布多个接收天线，对接收到的回波信号进行处理，从而计算出目标的距离、速度以及方位角度。此类系统主要存在两个不足，一个是它们缺少俯仰方向上的测角能力，另外一个是，这些车载雷达系统的天线通常是垂直极化的，这就可能会遗漏一些具有独立极化散射特性的目标。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出了一种二维测角双极化车载雷达系统，不仅具备方位面上的测角功能，还具备俯仰面上的测角功能。

根据本实用新型实施例的二维测角双极化车载雷达系统，包括若干个发射天线、多个接收天线、发射模块、接收模块和信号处理模块；多个所述接收天线在垂直方向上排布成至少两行，每行具有若干个所述接收天线，所述接收天线为双极化天线；所述发射模块具有若干个输出端口，所述发射模块通过对应的所述输出端口分别与若干个所述发射天线电性连接，所述发射模块用于生成本振信号及调频连续波信号，并将所述调频连续波信号放大后传输至所述发射天线，由所述发射天线向外发射雷达信号；接收模块，分别与所述接收天线及所述发射模块电性连接，所述接收模块用于将来自所述接收天线的信号放大后，与所述本振信号进行混频得到中频信号；信号处理模块，分别与所述发射模块及所述接收模块电性连接，所述信号处理模块用于对所述中频信号进行处理，以获得目标在方位面和俯仰面上的角度信息。

根据本实用新型实施例的二维测角双极化车载雷达系统，至少具有如下有益效果：通过采用双极化的接收天线，能够同时接收目标的回波信号的垂直极化分量和水平极化分量，相比于常规的单极化车载雷达系统能够获取多一个维度的极化信息，目标识别能力较强；通过在垂直方向上设置至少两行接收天线，且每行分别具有若干个接收天线，使得雷达系统不仅具备方位面上的测角功能，同时还具备俯仰面上的测角功能，从而大大提高雷达的探测性能。

根据本实用新型的一些实施例，所述信号处理模块包括若干个ADC单元和中央处理器，若干个所述ADC单元分别与所述接收模块电性连接；所述中央处理器分别与若干个所述ADC单元及所述发射模块电性连接，所述ADC单元将所述中频信号转化成数字信号后，传输给所述中央处理器处理，以获得目标在方位面和俯仰面上的角度信息。

根据本实用新型的一些实施例，所述发射天线包括第一馈线和多个第一辐射贴片；多个所述第一辐射贴片沿所述第一馈线的延伸方向，依次交错分布于所述第一馈线的两侧，每相邻两个所述第一辐射贴片通过所述第一馈线连接。

根据本实用新型的一些实施例，每相邻两个所述第一辐射贴片的间距为二分之一波导波长。

根据本实用新型的一些实施例，每相邻两个所述发射天线的间距为两倍工作波长。

根据本实用新型的一些实施例，所述接收天线包括多个第二辐射贴片、垂直极化馈线和水平极化馈线；每相邻两个所述第二辐射贴片通过所述垂直极化馈线相互串联；所述水平极化馈线设置于多个所述第二辐射贴片的一侧，并分别与每个所述第二辐射贴片电性连接。

根据本实用新型的一些实施例，每相邻两个所述第二辐射贴片的间距为二分之一波导波长。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型实施例的二维测角双极化车载雷达系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的信号处理模块的结构示意图；

图3为本实用新型实施例的发射天线和接收天线的结构示意图；

图4为本实用新型实施例的二维测角双极化车载雷达系统在方位面的测角原理示意图；

图5为本实用新型实施例的二维测角双极化车载雷达系统在俯仰面的测角原理示意图；

附图标记：

发射模块100、输出端口110；

发射天线200、第一馈线210、第一阻抗匹配段211、第一辐射贴片220；

接收天线300、第二辐射贴片310、垂直极化馈线320、第二阻抗匹配段321、水平极化馈线330、第三阻抗匹配段331；

接收模块400；

信号处理模块500、ADC单元510、中央处理器520。

具体实施方式

本部分将详细描述本实用新型的具体实施例，本实用新型之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本实用新型的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

参照图1至图3，根据本实用新型实施例的二维测角双极化车载雷达系统，包括发射模块100、若干个发射天线200、多个接收天线300、接收模块400和信号处理模块500；其中，所述发射模块100具有若干个输出端口110，发射模块100通过对应的输出端口110分别与若干个发射天线200电性连接；接收模块400分别与接收天线300及发射模块100电性连接，信号处理模块500分别与发射模块100及接收模块400电性连接。信号处理模块500向发射模块100发出控制信号后，发射模块100生成本振信号和毫米波段的调频连续波信号，发射模块100将该调频连续波信号放大后传输至发射天线200，通过发射天线200向外发射雷达信号；多个接收天线300在垂直方向上排布成至少上下两行，每行具有若干个接收天线300，接收天线300为双极化天线；接收天线300接收到目标的回波信号后，通过垂直极化端口和水平极化端口，将信号的垂直极化分量和水平极化分量传输至接收模块400，接收模块400将来自接收天线300的信号放大后，与发射模块100的本振信号进行混频得到中频信号；信号处理模块500对该中频信号进行处理，以获得目标在方位面和俯仰面上的角度信息。其中，方位面指的是车辆行进的方向，俯仰面指的是车辆行进方向的上下方。

根据本实用新型实施例的二维测角双极化车载雷达系统，通过采用双极化的接收天线300，能够同时接收目标的回波信号的垂直极化分量和水平极化分量，相比于常规的单极化车载雷达系统能够获取多一个维度的极化信息，目标识别能力较强；如图3所示，通过在垂直方向上设置至少两行接收天线300，且每行分别具有若干个接收天线300，使得雷达系统不仅具备方位面上的测角功能，同时还具备俯仰面上的测角功能，从而大大提高雷达的探测性能。

如图2所示，在本实用新型的一些实施例中，信号处理模块500包括若干个ADC单元510及中央处理器520，每个ADC单元510分别与接收模块400电性连接，中央处理器520分别与若干个ADC单元510及发射模块100电性连接，ADC单元510将接收模块400发出的中频信号转化成数字信号后，传输给中央处理器520处理，中央处理器520通过预存的算法对信号进行处理，以获得目标在方位面和俯仰面上的角度信息。

如图3所示，在本实用新型的一些实施例中，发射天线200包括第一馈线210和多个第一辐射贴片220，多个第一辐射贴片220沿着第一馈线210的延伸方向，依次交错分布于第一馈线210的左右两侧，每相邻两个第一辐射贴片220通过第一馈线210连接。由于第一辐射贴片220交错分布于第一馈线210的左右两侧，所以在相邻的两个第一辐射贴片220上会引入180°的相位差。而为了在第一辐射贴片220上形成同相电流，需要对第一辐射贴片220的间距进行相应的调整。在本实用新型中，每相邻两个第一辐射贴片220的间距为二分之一波导波长。这样便能在相邻的两个第一辐射贴片220上引入另外的180°的相位差，最终在第一辐射贴片220上形成同相电流，使得发射波束的指向在天线阵面法线上，对应雷达正前方。

如图3所示，在本实用新型的一些实施例中，发射天线200为45°线极化天线，每个第一辐射贴片220相对于垂直向上方向呈45°角倾斜。这是为了配合双极化的接收天线300，使得接收天线300能够同时接收到回波信号的垂直极化分量和水平极化分量。

如图3所示，在本实用新型的一些实施例中，在第一馈线210的输入端设置有第一阻抗匹配段211。其中，第一阻抗匹配段211可以是四分之一波长阻抗变换器，从而使得发射天线200的输入阻抗与馈源相互匹配。

如图3所示，在本实用新型的一些实施例中，接收天线300包括多个第二辐射贴片310、垂直极化馈线320和水平极化馈线330；其中，每相邻两个第二辐射贴片310通过垂直极化馈线320相互串联；水平极化馈线330设置于多个第二辐射贴片310的一侧，并分别与每个第二辐射贴片310电性连接。接收天线300均为双极化天线，由垂直极化馈线320和水平极化馈线330分别进行馈电，馈电方式均为串联馈电。当第二辐射贴片310收到目标回波后，回波信号的垂直极化分量在第二辐射贴片310上形成垂直方向的感应电流，感应电流叠加后，由垂直极化馈线320将垂直极化信号输入到接收模块400；对于水平极化，水平极化馈线330设置在多个第二辐射贴片310的一侧，并沿多个第二辐射贴片310的排布方向延伸，当第二辐射贴片310收到目标回波后，回波信号的水平极化分量在第二辐射贴片310上形成水平方向的感应电流，感应电流进行叠加后，由水平极化馈线330将水平极化信号输入到接收模块400。

如图3所示，在本实用新型的一些实施例中，垂直极化馈线320的输入端设置有第二阻抗匹配段321，水平极化馈线330的输入端设置有第三阻抗匹配段331。第二阻抗匹配段321和第三阻抗匹配段331均可以采用四分之一波长阻抗变换器，从而使得接收天线300的输入阻抗与馈源相互匹配。

在本实用新型的一些实施例中，每相邻两个第二辐射贴片310的间距为二分之一波导波长。在实际应用中，同个接收天线300的第二辐射贴片310上的电流应保持同相，即相邻两个第二辐射贴片310的中心的相位差应为0。因此，相邻两个第二辐射贴片310间的垂直极化馈线320的长度需进行相应的调整。在本实用新型中，相邻两个第二辐射贴片310间的垂直极化馈线320的总长约为1倍波导波长，但为了配合水平极化馈线330的设置，垂直极化馈线320上设置有弯折段。

如图3所示，在本实用新型的一些实施例中，为了满足信号处理模块500的算法要求，每相邻两个发射天线200的间距为两倍工作波长4d；每行中每两个相邻的接收天线300的间距为二分之一工作波长d，每列中每两个相邻的接收天线300的间距为二分之一工作波长d。二分之一的工作波长保证了雷达系统能够扫描到雷达前方整个区域。

下面参考图1至图5以一个具体的实施例详细描述本实用新型实施例的二维测角双极化车载雷达系统，值得理解的是，以下描述仅是示例性说明，而不是对本实用新型的具体限制。

如图1至图3所示，根据本实用新型实施例的二维测角双极化车载雷达系统，包括发射模块100、两个发射天线200(具体数量并不受限定)、八个接收天线300(具体数量并不受限定)、接收模块400和信号处理模块500。

其中，两个发射天线200均为45°线极化天线，每个发射天线200上具有四个第一辐射贴片220(具体数量并不受限定)，四个第一辐射贴片220均呈45°角倾斜，并交错分布于第一馈线210的左右两侧，由第一馈线210将四个第一辐射贴片220串联起来；同时，相邻两个第一辐射贴片220的间距为0.5倍波导波长，从而在第一辐射贴片220上形成同相电流，向外辐射45°线极化波；为了使发射天线200的输入阻抗与馈源进行匹配，在第一馈线210的输入端设置有第一阻抗匹配段211。

如图2所示，八个接收天线300在垂直方向上排布为两行，每行具有四个接收天线300。每个接收天线300由垂直极化馈线320及水平极化馈线330分别对第二辐射贴片310进行馈电，馈电方式均为串联馈电；每个接收天线300具有四个第二辐射贴片310，相邻两个第二辐射贴片310的间距为二分之一波导波长。对于垂直极化，垂直极化馈线320将第二辐射贴片310串联起来，相邻两个第二辐射贴片310间的馈线段的总长约为1倍波导波长，当第二辐射贴片310接收到来自目标的回波后，回波信号的垂直极化分量在第二辐射贴片310上形成垂直方向的感应电流，感应电流形成同相叠加，然后由垂直极化馈线320将垂直极化信号输入到接收模块400；对于水平极化，水平极化馈线330设置在四个第二辐射贴片310的一侧，并沿四个第二辐射贴片310的排布方向延伸，当第二辐射贴片310接收到来自目标的回波后，回波信号的水平极化分量在第二辐射贴片310上形成水平方向的感应电流，感应电流形成同相叠加，然后由水平极化馈线330将水平极化信号输入到接收模块400；为了进行输入阻抗的匹配，在垂直极化馈线320的输入端设置有第二阻抗匹配段321，水平极化馈线330的输入端设置有第三阻抗匹配段331。

对于发射模块100，它在接收到信号处理模块500发出的控制信号后，生成本振信号和毫米波段的调频连续波信号，并将调频连续波信号放大后传输至发射天线200；发射模块100含有两个输出端口110，分别与两个发射天线200电性连接。发射模块100包含幅度和相位控制电路，当接收到控制信号后，发射模块100生成两路调幅连续波信号，并传输到两个发射天线200，由天线发射出去。可以理解的是，雷达的发射模块100为本领域技术人员所熟知的常规技术手段，因而在此不做赘述。

如图3所示，两个发射天线200的间距为两倍工作波长4d，上下两行接收天线300的间距为二分之一工作波长d，每行中相邻的两个接收天线300的间距为二分之一工作波长d。由于天线的布局对车载雷达性能影响很大，需要根据角雷达的测角精度、角度分辨率的需求以及算法的要求设计收发天线的布局。根据信号处理模块500的算法的要求，发射天线200之间的间距应为接收天线300之间间距的四倍，这样就可以形成虚拟的一发八收天线阵列，实现角雷达多目标识别及高精度、无模糊测角。

对于接收模块400，它将来自接收天线300的信号放大后，与发射模块100发出的本振信号进行混频得到中频信号，并传至信号处理模块500；接收模块400具有16个接收端口，16个接收端口分别与每个接收天线300的两个极化端口相连。可以理解的是，雷达的接收模块400为本领域技术人员所熟知的常规技术手段，因而在此不做赘述。

对于信号处理模块500，它包括若干个ADC单元510和中央处理器520，ADC单元510将接收模块400所发出的中频信号转换为数字信号，并传输给中央处理器520进行处理。中央处理器520对在同一水平线上的四个接收天线300的信号进行处理，从而得到目标在方位面上的角度信息；对垂直方向上的两组接收天线300的信号进行处理，进而得到目标在俯仰面上的角度信息，从而实现二维测角功能。

对于方位面的测角原理，请参考图4，假设接收天线300为平面波入射，入射角为α，两相邻接收天线300的接收信号的相位差为

根据公式

可计算出目标在方位面上与接收天线300法向的夹角α。式中，λ为工作波长，d为相邻接收天线300的间距。由于雷达要达到无模糊测角的效果，要求d/λ越小越好，而雷达的测角精度则要求d/λ越大越好。也就是说，若是接收天线300间的间距过大的话，会造成测角模糊的问题，所以接收天线300的间距不应过大，根据雷达系统扫描角度计算，最好取二分之一工作波长；但是接收天线300的间距过小的话，测角精度就会变差，为了解决该问题，便通过增加接收天线300的数量来实现，在每一行上设置有四个接收天线300，从而提高测角精度。

对于俯仰面的测角原理，是通过和差网络的算法来实现的，和差网络通过权值分别构造和波束与差波束，并使得和波束在目标的角度方向形成峰值，而差波束在目标的角度方向形成零陷；由于零点易于检测，所以使差波束的值比上和波束的值，这样做能够在目标方向形成零点，从而实现对目标在俯仰面的角度的检测。请参照图5，具体方法如下：位于上方的四个接收天线300构成天线子阵1，位于下方的四个接收天线300构成天线子阵2，得到上下两个子阵的信号后，分别乘以权值W∑＝[1,1]，WΔ＝[1,-1]，分别求出其和信号P∑与差信号PΔ；再根据公式:

即可计算出得到目标角度θ，θ指的是目标在俯仰面上与接收天线300法向的夹角。式中，θ₀为和差网络算法中的引导角。Md是俯仰方向上两个接收天线阵列中心间距，在本文中等于4d。可以理解的是，和差网络的算法为本领域技术人员所熟知的技术手段，因此在此并未详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“进一步实施例”、“一些具体实施例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种二维测角双极化车载雷达系统，其特征在于，包括：

若干个发射天线；

多个接收天线，在垂直方向上排布成至少两行，每行具有若干个所述接收天线，所述接收天线为双极化天线；

发射模块，具有若干个输出端口，所述发射模块通过对应的所述输出端口分别与若干个所述发射天线电性连接，所述发射模块用于生成本振信号及调频连续波信号，并将所述调频连续波信号放大后传输至所述发射天线，由所述发射天线向外发射雷达信号；

接收模块，分别与所述接收天线及所述发射模块电性连接，所述接收模块用于将来自所述接收天线的信号放大后，与所述本振信号进行混频得到中频信号；

信号处理模块，分别与所述发射模块及所述接收模块电性连接，所述信号处理模块用于对所述中频信号进行处理，以获得目标在方位面和俯仰面上的角度信息。

2.根据权利要求1所述的二维测角双极化车载雷达系统，其特征在于，所述信号处理模块包括：

若干个ADC单元，分别与所述接收模块电性连接，所述ADC单元用于将所述中频信号转化成数字信号；

中央处理器，分别与若干个所述ADC单元及所述发射模块电性连接，所述中央处理器对所述数字信号进行处理，以获得目标在方位面和俯仰面上的角度信息。

3.根据权利要求1或2所述的二维测角双极化车载雷达系统，其特征在于，所述发射天线包括：

第一馈线；

多个第一辐射贴片，沿所述第一馈线的延伸方向，依次交错分布于所述第一馈线的两侧，每相邻两个所述第一辐射贴片通过所述第一馈线连接。

4.根据权利要求3所述的二维测角双极化车载雷达系统，其特征在于，每相邻两个所述第一辐射贴片的间距为二分之一波导波长。

5.根据权利要求1或2所述的二维测角双极化车载雷达系统，其特征在于，每相邻两个所述发射天线的间距为两倍工作波长。

6.根据权利要求1或2所述的二维测角双极化车载雷达系统，其特征在于，所述接收天线包括：

多个第二辐射贴片；

垂直极化馈线，每相邻两个所述第二辐射贴片通过所述垂直极化馈线相互串联；

水平极化馈线，设置于多个所述第二辐射贴片的一侧，并分别与每个所述第二辐射贴片电性连接。

7.根据权利要求6所述的二维测角双极化车载雷达系统，其特征在于，每相邻两个所述第二辐射贴片的间距为二分之一波导波长。

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