CN217639503U - 一种毫米波雷达发射装置 - Google Patents

Abstract

一种毫米波雷达发射装置，其特征在于，所述装置包括：射频收发模块、控制模块、K根发射天线、N根接收天线以及M个开关模块；所述射频收发模块包括M个发射通道和N个接收通道，其中K、M、N为正整数，且大于1；每个所述发射通道通过一个所述开关模块与多根所述发射天线连接；所述接收天线与所述接收通道对应连接；所述控制模块发送控制信号给所述开关模块，所述开关模块根据所述控制信号将所述发射通道和其中一根所述发射天线进行接通。通过在每个发射通道末级增加开关模块，结合控制模块生成的控制信号，可按一定顺序选择不同的发射天线周期性的进行雷达信号的发射，从而能够进一步提高毫米波雷达的识别准确度。

Description

一种毫米波雷达发射装置

技术领域

本申请涉及毫米波雷达技术领域，特别是涉及一种毫米波雷达发射装置。

背景技术

随着毫米波雷达技术的发展，其在自动驾驶系统以及高级驾驶辅助系统(Advanced Driver Assistance Systems，简称ADAS)均有广泛的应用前景。但目前的毫米波雷达技术存在着对目标物进行识别时的识别能力过低的问题，因此在对其进行应用时将受到一定限制。

为提高毫米波雷达的识别能力，现有技术中通常采用增加物理的发射通道数目或接收通道数目来提高毫米波雷达的识别能力。但受制于成本、工艺、功耗等因素，车载毫米波雷达芯片的物理通道往往是有限的，在现有的车载毫米波雷达芯片中，一个发射通道对应一个发射信号，因此该方式能够提升识别能力的范围也是有限的。

针对相关技术中，如何进一步提高毫米波雷达的识别能力，目前还没有提出有效的解决方案。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高毫米波雷达的识别准确度的毫米波雷达发射装置。

第一方面，本申请提供了一种毫米波雷达发射装置，所述装置包括：射频收发模块、控制模块、K根发射天线、N根接收天线以及M个开关模块；所述射频收发模块包括M个发射通道和N个接收通道，其中K、M、N为正整数，且大于1；每个所述发射通道通过一个所述开关模块与多根所述发射天线连接；所述接收天线与所述接收通道对应连接；所述控制模块发送控制信号给所述开关模块，所述开关模块根据所述控制信号将所述发射通道和其中一根所述发射天线进行接通。

在其中一个实施例中，所述开关模块为单刀多掷型射频开关。

在其中一个实施例中，所述射频收发模块还包括信号源，所述信号源与所述发射通道连接，用于生成雷达信号并发送给所述发射通道。

在其中一个实施例中，所述射频收发模块还包括倍频器，所述射频收发模块还包括倍频器，所述倍频器一端与所述信号源连接，另一端与所述发射通道以及所述接收通道连接。

在其中一个实施例中，所所述射频收发模块还包括移相器：

所述移相器连接在所述信号源与所述发射通道之间，用于调整所述信号源发送的雷达信号的相位并发送给所述发射通道。

在其中一个实施例中，所述射频收发模块还包括功率放大器：

所述功率放大器连接在所述信号源以及所述发射通道之间，用于加强所述雷达信号的信号强度并发送给所述发射通道。

在其中一个实施例中，所述接收通道包括混频器，所述接收通道包括混频器，所述混频器与所述接收天线以及所述发射通道连接，用于在接收到回波信号后进行信号频率转换。

在其中一个实施例中，所述接收通道还包括与所述混频器连接的模数转换器，用于对所述回波信号进行模数转换。

在其中一个实施例中，所述装置还包括与接收通道连接的数据处理模块，用于基于接收到的回波信息，得到障碍物信息。

在其中一个实施例中，所述装置还包括与所述数据处理模块连接的存储器，用于存储所述数据处理模块输出的所述障碍物信息。

与相关技术相比，在本实施例中提供的毫米波雷达发射装置，通过在每个发射通道末级增加一个开关模块，结合控制模块生成的控制信号，可按一定顺序选择不同的发射天线周期性的进行雷达信号的发射。以低成本，低改进难度的方式使得每个发射通道能够扩展出多个发射信号，进而能够成倍的增加毫米波雷达的角分辨率，实现进一步提高毫米波雷达的识别能力。

附图说明

图1为一个实施例中车载毫米波雷达装置的应用环境图；

图2为一个实施例中毫米波雷达发射装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

车载毫米波雷达是目前车辆自动驾驶系统以及高级驾驶辅助系统中重要的传感器，且能够检测道路上的车辆、行人、路障等物体的距离、速度以及角度，故而其能否准确工作将影响到车辆的安全驾驶。在现有的毫米波雷达中，普遍存在着角分辨率不高的问题。角分辨率实际上指的是雷达的指向精度，比如雷达指向精度0.01弧度(换算成角度就是0.6度)，那么就可以在100米的距离获得1米的分辨率，如果雷达的指向精度是0.001弧度的话，那么就可以在1000米的距离获得1米的分辨能力，即角分辨率可以理解为毫米波雷达的识别能力。雷达的角分辨率与雷达的波长成反比，与天线的直径或者叫孔径成正比，也就是说波长越长，分辨率越低，孔径越大，分辨率越高。

为了提高毫米波雷达的角分辨率，现有的技术方案主要采用了以下三种技术方法：一、通过多芯片级联的方式增加物理的发射通道数目和接收通道数目；二、采用多进多出(multiple input multiple output，简称，MIMO)技术来增加虚拟的接收通道数目；三、使用一些超分辨率的波达方向估计(Direction of Arriva，简称，DOA)算法。其中，前两种方法主要以增加物理通道为基础，而现有的车载毫米波雷达芯片受制于成本，工艺等方面的影响，其所能提供的发射通道与接收通道的数目是有限的。

在当前的车载毫米波雷达中，时分复用(Time Division Multiplexing，简称，TDM-MIMO)策略是一种被广泛使用的一种雷达信号发射方式。而现有技术中一路发射通道仅对应一个发射信号，上述TDM-MIMO技术则至少需要占用两路发射通道，将使得有限的发射通道不能全部用于雷达信号的发射，并不利于提高雷达的角分辨率。

本申请实施例提供的毫米波雷达发射装置，可以应用于如图1所示的应用环境中。在车辆行驶过程中实时监测车辆周围障碍物的状态，其中，障碍物包括但不限于运动的车辆和/或行人，静止的车辆和/或行人。

在一个实施例中，提供了一种毫米波雷达发射装置，图2是本实施例的毫米波雷达发射装置的结构框图，该装置包括：射频收发模块21、控制模块22、K根发射天线23、N根接收天线24以及M个开关模块25；所述射频收发模块21包括M个发射通道211和N个接收通道212，其中K、M、N为正整数，且大于1；每个所述发射通道211通过一个所述开关模块25与多根所述发射天线23连接；所述接收天线24与所述接收通道212对应连接；所述控制模块22发送控制信号给所述开关模块25，所述开关模块25根据所述控制信号将所述发射通道211和其中一根所述发射天线23进行接通。

其中，射频收发模块21用于发射雷达信号并接收回波信号，具体的，回波信号为雷达信号到达障碍物后被反射回来的信号，控制模块22用于控制射频收发模块进行雷达信号的发射，并处理接收到的回波信号，发射天线23用于向周围发送一定频率大小的雷达信号，接收天线24用于接收障碍物反射回来的回波信号，开关模块25用于根据控制模块22生成的控制信号从多根发射天线中选择一根发射天线进行雷达信号的发射，发射通道211用于处理并转发雷达信号至雷达天线，接收通道212用于处理并转发回波信号至控制模块。

具体的，该毫米波雷达发射装置在进行工作时，在射频收发模块21进行雷达信号的发送前，可先由控制模块22利用时分复用算法选择工作的发射通道211以及对应接通的发射天线23，根据上述算法结果生成控制信号。其中，时分复用算法是现有的TDM-MIMO策略中常用的算法，控制信号中可包含关于发射通道211的选择以及发射天线23的选择。在发射通道211接收到控制信号与需要进行发射的雷达信号之后，可对控制信号进行识别，选择相应的发射通道211开放，使雷达信号进入该发射通道211，然后再由开关模块25根据控制信号选择接通的发射天线23并转发雷达信号，最后由该发射天线23像周围发送雷达信号。

可选的，本实施例中的毫米波雷达发射装置在进行雷达信号发射的同时也可以进行回波信号的接收工作，实现收发同时工作。

进一步的，基于TDM-MIMO算法的要求，在进行发射天线23与接收天线24的位置布置时，需要确保所有发射天线23的辐射方向图是相同的，且所有接收天线24的辐射方向图也是相同的。更进一步地，在本实施例的毫米波雷达发射装置使用前，还需要对每个接收通道212进行幅相校准，以确保接收到的回波信号的准确率。

可选的，毫米波雷达天线设计包括两部分：天线阵元设计和天线阵列的布局设计。目前车载毫米波雷达天线阵元主要包括以下四种：串状天线，梳状天线，基板集成波导(Substrate-Integrated Waveguide，简称，SIW)缝隙天线，波导腔体天线。在天线阵列布局方面，若发射通道和/或接收通道的数量比较少，可采用最小冗余阵列的设计方法，以增大天线阵列孔径。在能提高雷达角分辨率的同时又能够提高测角精度；若发射通道和/或接收通道的数量比较多，则通常采用均匀阵列的设计方法。具体的天线阵列布局设计要根据波形和工作模式综合来确定。

上述毫米波雷达发射装置中，控制模块22可以根据TDM-MIMO算法生成的控制信号，按照一定的顺序选择开放对应的发射通道211工作，同时发射通道211也可根据控制信号按一定的顺序通过开关模块25选择不同的发射天线23周期性的进行FMCW信号的发射。本实施例通过在每个发射通道211末级增加一个开关模块25扩展出了多路发射信号，以低成本，低改进难度的方式使得每个发射通道能够扩展出多个发射信号，进而能够成倍的增加毫米波雷达的角分辨率，从而提高了毫米波雷达的识别能力。

可以理解的是，开关模块25为单刀多掷型射频开关。具体的，该开关可以是晶体管的形式集成于电路板或发射通道中上进行使用。以单刀四掷射频开关为例，该开关模块25可以是三个单刀双掷开关组合而成的电路模块，也可以是一个具有单刀四掷功能的射频开关。通过本实施例中的开关模块25可以实现一个开关模块25连接多根发射天线23，从而能够低成本，低难度的增加发射信号的数目，避免了因发射通道被额外占用所造成的发射信号数目的减少以及导致的角分辨率降低，能够实现进一步提高毫米波雷达的识别准确度的效果。

进一步的，射频收发模块21还包括信号源，所述信号源与所述发射通道连接，用于生成雷达信号。具体的该信号源生成的是调频连续波(Frequency Modulated ContinuousWave，简称，FMCW)雷达信号，FMCW信号是一种短波长电磁波，其工作频率和工作相位能够通过频率调制或者相位调制的方式进行改变，从而转换成为特定频率的雷达信号。可选的，现有的FMCW调频连续波雷达主要有三种不同调制形式：正弦波调制方式、锯齿波调制方式以及三角波调制方式，其中，对于单个静止物体，可通过锯齿波调制方式来进行测量，而对于运动物体，则多采用三角波调制方式进行测量。通过本实施例中的信号源可以产生初始FMCW信号，进行稳定且连续的信号输出，为雷达检测提供信号基础。

上述生成的初始FMCW信号并不能直接转发至发射天线进行雷达探测，还需要进行一定处理使其转换为满足雷达探测要求的特定频率调制信号。在对初始FMCW信号进行处理时，首先需要使用射频收发模块21中的倍频器对上述信号的频率进行调整，成倍地放大初始FMCW信号的频率。进一步的，倍频器一端与发射通道以及接收通道连接，可分别向上述两种通道转发频率调制后的FMCW信号，在雷达信号发射过程中接通发射通道，在接收雷达信号时接通接收通道。

通过本实施例的倍频器可对初始FMCW信号进行频率调制，成倍地放大FMCW信号的频率，可获得更大的雷达信号带宽与可调带宽，从而提高毫米波雷达的识别精度。

在雷达信号发射过程中，FMCW信号经过倍频器的处理之后，还需要移相器将对经倍频器初步处理后的FMCW信号进行相位调制，以得到符合发射要求的雷达信号。具体的，相位调制是一种将载波的相位与其参考相位之间的偏离值，随调制信号瞬时值进行成比例变化的调制方式。进一步的，在进行相位调制之间还可根据控制模块22生成的控制信号来选择当前时刻工作的发射通道211，以便于将调制后的雷达信号立即进行转发。

通过本实施例中的相位调制可将FMCW信号的相位进行改变，实现了对雷达信号进行优化，从而进一步提高雷达信号的稳定度与抗干扰能力，并得到符合不同测量需求对应的特制雷达信号。

由于FMCW信号经过了频率调制，成倍的提高了信号的频率，可以理解的是，信号的频率越高，功率越低。因此，在完成相位调制之后，还需要使用功率放大器将对调制FMCW信号的功率进行强化，使其能够其满足雷达信号发送功率的要求。具体的，功率放大器可以是A类功率放大器也可以是B类功率放大器。在完成FMCW信号的处理之后即可经开关模块确定发射天线进行信号发射。

在本实施例中，通过功率放大器放大FMCW信号的功率可提高信号穿透性和抗干扰能力，从而进一步提高毫米波雷达在进行目标识别时的准确度。

可选的，在上述实施例中的移相器与功率放大器可以作为独立的公共单元放置于射频收发模块中，以处理FMCM信号，然后将处理后的信号转发至对应的发射通道。也可以集成于发射通道内，仅在所处发射通道进行工作时处理FMCW信号。

进一步的，调制后的FMCW信号还需要通过功率分配器进行分流，将一部分经过额外放大后的信号馈送至发射天线23，另一部分则耦合至混频器，用于配合混频器处理接收到的回波信号。

在无线通信领域中，可根据频率将信号分为以下三类：射频(Radio Frequency，简称，RF)、中频(Intermediate Frequency，简称，IF)以及基带(Baseband)。射频负责接收及发射高频信号，基频则负责信号处理及储存等功能，中频则是射频与基频的中介桥梁，使信号能顺利由高频信号转成基频的信号。

可以理解的是，由发射天线23向外发送的FMCW信号(即发射信号)在遇到障碍物时将反射回来相应的雷达信号，该信号即为回波信号。由于发射天线23进行发射的雷达信号为高频信号，故接收天线24接收到的回波信号也属于高频信号，在接收天线24接收的回波信号后，需要由接收通道212中的混频器将回波信号转换为中频信号。具体的，混频器与接收天线24和发射通道211连接，在对回波信号进行处理时，还可以接收发射通道转发的发射信号，混频器可将发射信号与回波信号进行合并生成一个中频信号。

通过本实施例中的混频器将回波信号转换为中频信号，利用了中频信号的优点为后续的数据处理与保存提供了数据基础。

具体的，中频信号可以是发射信号与回波信号之间的频率差，当障碍物与雷达发射装置之间的距离不同时，返回到回波信号频率也不同，因此混频后的可得到多个中频信号。在得到中频信号之后还需要通过低通滤波器进行筛选，得到需要的中频信号。

通过本实施例中混频器对回波信号的处理可以得到相应的中频信号，从而有利于后续对中频信号进行解析获取障碍物的相关信息，能够更加方便快速地进行数据处理。

可选的，接收通道212还包括与所述混频器连接的模数转换器，用于进行信号转换，将模拟信号转换为数字信号，以便于后续对雷达信号进行数据处理。

进一步的，本实施例中的毫米波雷达发射装置还包括与接收通道212连接的数据处理模块，用于解析所述回波信息，得到障碍物信息。其中，障碍物信息包括与障碍物相关的距离、速度、角度等信息，以障碍物为行驶中的车辆A，毫米波雷达发射装置安装于另一辆行驶中的车辆B为例，障碍物信息包括车辆A到车辆B的距离，车辆A的行驶速度以及行驶方向，车辆A位于车辆B的正前方、左前方，右前方等具体方位。

具体的，在进行距离测量时，可通过测量回波信号相较发射信号的频移来确定雷达信号的飞行时间，进而确定目标的飞行距离；在进行速度测量时，可根据多普勒效应，通过计算回波信号的频率变化得到障碍物相对于雷达的运动速度，即相对速度正比于频率变化量；在进行角度的测量时，可通过并列的接收天线收到同一障碍物的回波信号的相位差来计算得到障碍物的方位角。

通过本实施例的数据处理，可以从回波信号中解析得到障碍物信息，以实现对雷达周围进行实时监测。

此外，毫米波雷达发射装置还包括与所述数据处理模块连接的存储器，用于存储数据处理模块输出的障碍物信息，以便于后续进行回溯。

下面通过优选实施例对本实施例进行描述和说明。

在其中一个优选实施例中，雷达信号的发射过程如下：首先由信号源生成初始雷达信号，同时控制模块也会根据TDM-MIMO算法生成控制信号；接着射频收发模块中的倍频器将对初始雷达信号并进行频率调制，移相器将对频率调制后的雷达信号进行相位调制，功率放大器调整雷达信号的功率，最终得到满足信号发射要求的雷达发射信号；然后根据控制信号确定工作的发射通道，以及该发射通道经开关模块连接的具体发射天线，最后将雷达发射信号经发射天线进行发射。

通过本申请实施例，可对信号源生成的雷达信号进行频率调制与相位调制，来提高雷达信号的稳定性、抗干扰能力以及穿透力。进一步的，经过调制后能够向雷达周围发射特制频率的雷达信号，进而能够可靠、准确地探测和定位障碍物。

在其中一个优选实施例中，回波信号接收过程如下：首先由接收天线接收障碍物返回的原始回波信号；接着接收通道中的混频器接收原始回波信号与发射出去的雷达发射信号，将雷达发射信号与原始回波信号进行合并生成中频信号；然后使用模数转换器将中频信号进行信号转换，得到数字回波信号；最后由数据处理模块接收数字回波信号并对该信号进行解析，提取障碍物信息，并将上述障碍物信息保存至存储器。

通过本实施例中，接收天线、接收通道中各元器件以及数据处理模块可对障碍物返回的回波信号进行处理，提取障碍物信息，从而实现对雷达周围进行检测的目的。

应该明白的是，这里描述的具体实施例只是用来解释这个应用，而不是用来对它进行限定。根据本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在不进行创造性劳动的情况下得到的所有其它实施例，均属本申请保护范围。

显然，附图只是本申请的一些例子或实施例，对本领域的普通技术人员来说，也可以根据这些附图将本申请适用于其他类似情况，但无需付出创造性劳动。另外，可以理解的是，尽管在此开发过程中所做的工作可能是复杂和漫长的，但是，对于本领域的普通技术人员来说，根据本申请披露的技术内容进行的某些设计、制造或生产等更改仅是常规的技术手段，不应被视为本申请公开的内容不足。

“实施例”一词在本申请中指的是结合实施例描述的具体特征、结构或特性可以包括在本申请的至少一个实施例中。该短语出现在说明书中的各个位置并不一定意味着相同的实施例，也不意味着与其它实施例相互排斥而具有独立性或可供选择。本领域的普通技术人员能够清楚或隐含地理解的是，本申请中描述的实施例在没有冲突的情况下，可以与其它实施例结合。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种毫米波雷达发射装置，其特征在于，所述装置包括：射频收发模块、控制模块、K根发射天线、N根接收天线以及M个开关模块；所述射频收发模块包括M个发射通道和N个接收通道，其中K、M、N为正整数，且大于1；每个所述发射通道通过一个所述开关模块与多根所述发射天线连接；所述接收天线与所述接收通道对应连接；所述控制模块发送控制信号给所述开关模块，所述开关模块根据所述控制信号将所述发射通道和其中一根所述发射天线进行接通。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述开关模块为单刀多掷型射频开关。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述射频收发模块还包括信号源，所述信号源与所述发射通道连接，用于生成雷达信号并发送给所述发射通道。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述射频收发模块还包括倍频器，所述倍频器一端与所述信号源连接，另一端与所述发射通道以及所述接收通道连接。

5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述射频收发模块还包括移相器：

所述移相器连接在所述信号源与所述发射通道之间，用于调整所述信号源发送的雷达信号的相位并发送给所述发射通道。

6.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述射频收发模块还包括功率放大器：

所述功率放大器连接在所述信号源以及所述发射通道之间，用于加强所述雷达信号的信号强度并发送给所述发射通道。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接收通道包括混频器，所述混频器与所述接收天线以及所述发射通道连接，用于在接收到回波信号后进行信号频率转换。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述接收通道还包括与所述混频器连接的模数转换器，用于对所述回波信号进行模数转换。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与接收通道连接的数据处理模块，用于基于接收到的回波信息，得到障碍物信息。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与所述数据处理模块连接的存储器，用于存储所述数据处理模块输出的所述障碍物信息。

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