CN2694291Y - 微波汽车防撞驾驶雷达装置 - Google Patents

Abstract

微波汽车防撞驾驶雷达装置，是汽车防护和主动和自动式自动(辅助)驾驶领域的通用装置。它主要由微波振荡单元、波形发生器单元、微波功率放大单元、发射天线、接收天线、接收混频单元、中频放大单元、信号处理单元、显示单元、电源单元等组成。收发天线采用了微波贴片天线，实现了波束扫描。波形发生器产生所需的各种波形。产生的三角波可将电压控制振荡器的线性控制在0.5％以内。用于1－120米汽车防撞声光报警，并提供防撞紧急制动信息。根据用户要求，可提供辅助驾驶功能，显示道路情况，全天候辅助驾驶。还可提供主动式自动跟踪驾驶所需的通用误差信息。完善与本装置接口，可实现防撞紧急制动和自动跟踪驾驶。

Description

微波汽车防撞驾驶雷达装置

                                技术领域

本实用新型涉及一种汽车在行驶过程中防护技术以及主动或自动(辅助)驾驶技术，具体地说，是一种微波汽车防撞驾驶雷达装置。

                                背景技术

目前在汽车安全行驶方面采用的技术很多，如安全气囊、安全带等，但这些被动方式只解决了汽车碰撞后的防护问题，没有从根本上解决问题。从七十年代开始出现了超声波、激光、红外、微波等形式的主动汽车防撞系统。现在国内有代表性的技术存在的主要问题是“天线是一个固定波束”，为了满足波束宽度的要求(如θ＝±5°)，就必然是宽波束。因而方向选择性差，难以对前方目标定位，无准确的方位信息。因为在宽的波束内，有些目标不一定处于危险范围内。波束方向性差，在相同距离上，不同方位的目标，就无法区分。另一方面，它采用喇叭、波导、不利于小型化。

红外、超声波、激光因受天气状况的影响而未大量使用。

微波受天气状况的影响较小，在恶劣天气下具有传播优势，但其分辨率低、地杂波严重，除非加大天线口径，才能有效改变这些问题，但这在空间有限的汽车上又不允许。

                                发明内容

本实用新型要解决的第一个技术问题就是现有的主动汽车防撞系统难以对前方目标定位、无准确的方位信息问题，提供了一种可以波束扫描范围宽、又可对前方目标定位的防撞系统。

本实用新型要解决的第二个技术问题就是现有的微波汽车防撞系统的微波天线尺寸与其分辨率相矛盾的问题，提供了一种微波天线尺寸小且分辨率高的汽车防撞系统。

本实用新型所述微波汽车防撞驾驶雷达装置的工作过程如下：微波振荡单元在波形发生器单元的控制下产生微波信号输出到微波功率放大单元后送至发射天线发射；接收天线接受到目标反射的微波信号后，经接收混频单元进行频率变换后送至中频放大单元压缩，然后再输出至信号处理单元，信号处理单元对该输入信号和从波形发生器单元输入的信号进行分析处理；电源单元产生各种电压供各单元使用。

作为改进，本实用新型还包括显示单元，显示从信号处理单元输入的信号。

以上所述微波汽车防撞驾驶雷达装置，发射天线、接收天线采用微波贴片天线；微波振荡单元产生不同频率的信号，经放大单元后送至发射天线发射，通过控制频率实现波束扫描；微波振荡单元由上变频器、开关器件、两个振荡器组成，其中至少有一个是电压控制振荡器；接收混频单元由下变频器、中频放大器、零中频混频器组成；微波振荡单元的一个电压控制振荡器接收波形发生器单元的输入信号并向上、下变频器输出信号；微波振荡单元的另一个振荡器向零中频混频器输出信号；开关器件连接在上变频器与另一个电压控制振荡器之间，它的开关由波形发生器单元控制；波形发生器单元是由单片机、晶体振荡器、可编程器件等组成的数字式波形发生器。

本实用新型的主要性能参数：

工作频率：24±1GHz    作用距离：1-120米    测距精度：＜±0.25米

方位复盖范围：10°          波办宽度：3°                  速度分辨率：＜5km/h

波束个数：防撞报警：左中右三个波束，互相重叠0.5°

          辅助驾驶：100个波束，按0.1°步进，按规定方式扫描

          自动跟踪驾驶：和差波束

可显示目标数：同时显示8个(辅助驾驶、自动跟踪驾驶)

显示：防撞报警：数字显示距离和速度，声、光报警；

      辅助驾驶，自动跟踪驾驶：黑白(或彩色)显示

工作环境：-40°-+85°

输出：I/O口1：紧急制动信号(防撞报警状态)

      I/O口2：距离误差；速度误差；方位误差及距离、速度信息。

本实用新型的有益效果：1、可对前方目标定位、有准确的方位信息；2、微波天线尺寸小，分辨率高；3、波束扫描范围较宽。

                               附图说明

图1是本实用新型一种实施例的结构框图

图2是图1中的微波振荡单元和接收混频单元的原理框图

图3是图1中的中频放大单元的原理框图

图4是图1中的波形发生器单元的原理框图

图5是图1中的信号处理单元的原理框图

                              具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

图1中，微波振荡单元3在波形发生器单元6的控制下产生微波信号输出到微波功率放大单元2后送至发射天线发射；接收天线接受到目标反射的微波信号后，经接收混频单元4进行频率变换后送至中频放大单元7压缩，然后再输出至信号处理单元8，信号处理单元8对该输入信号和从波形发生器单元6输入的信号进行分析处理；显示单元9显示从信号处理单元8输入的信号。电源单元10产生各种电压供各单元使用。

汽车防撞驾驶雷达，为了帮助驾驶员在视力看不清的恶劣天气(雨、雪、雾)及能见度差的黑夜，增加行车的安全性，红外、超声波、激光因受到传播条件的限制而未广泛采用。微波曾经采用过，因其体积大，分辨率低，地杂波严重，而促使防撞雷达向毫米波发展。当频率超过30GHz进入毫米波以后，大雪大雨会对雷达显示屏造成干扰，而且频率愈高，干扰愈严重。为此本实施例采用微波频段的高端(18-30GHz)及毫米波低端40GHz以下、受天气影响较小的频率范围。

为了解决天线尺寸及分辨率之间的矛盾，采用了微波贴片天线，借助介电常数来协调天线尺寸。例如，选用有效介电常数ε_e＝4，对于f＝20GHz，空气波长λ＝1.5cm，介质波长 ${\mathrm{\λ}}_g=\frac{\mathrm{\λ}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}=7.5\mathrm{mm},$ 相当于f＝40GHz的空气波长。

对于汽车雷达而言，地杂波并不全是有害的。汽车雷达必须全面显示道路地面情况，这对无道标的普通公路就十分重要，如道路边界，特别是拐弯处的边界，会因边界杂波比道路中间强而区分边界。

本实用新型充分发挥微波在恶劣天气下的传播优势，利用微波贴片天线来克服微波天线大的缺点，减少了天线尺寸，降低了成本。

本实用新型还采用频率相控阵实现波束扫描，代替了国外常用的开关转换波束，或者利用开关移相器的相控阵天线，而且更具灵活性。因此，可以采用任意步长，实现天线扫描，以获得辅助驾驶雷达所需要的比较清晰的目标轮廓，供驾驶员安全驾驶。频率相控阵的原理：根据 $\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}d\sin \mathrm{\&theta;}=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{{\mathrm{\&lambda;}}_g}L(1-\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_g}{{\mathrm{\&lambda;}}_{g0}}),$ 其中λ为空气中波长；λ_g为传输线波长；λ_g0是θ＝0°时相应频率的传输线波长；d为二天线间的空间间距；L为二天线之间的传输线长度。可以看出 $\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_g}{{\mathrm{\&lambda;}}_{g0}}<1$ 时，对应θ＞0  ，在天线轴的右方； $\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_g}{{\mathrm{\&lambda;}}_{g0}}>1$ 时，对应θ＜0，在天线轴的左方，从而控制频率，就可以实现波束扫描。

图2中，微波振荡单元3由上变频器32、开关器件33、电压控制振荡器31、34组成；接收混频单元4由下变频器41、中频放大器42、零中频混频器43组成；电压控制振荡器31接收波形发生器单元6的输入信号并向上变频器32、下变频器41输出信号；另一个振荡器34向零中频混频器43输出信号；开关器件33连接在上变频器32与另一个振荡器34之间，它的开关由波形发生器单元6控制。电压控制振荡器31作为第一本振源，一方面满足上变频器32对本振需要，同时又给下变频器41提供了本振。这样，一方面使得下变频器维持相干接收，另一方面又使得中频放大器42的中频带宽得以压缩，再一方面由于中频放大器42远离混频器的

噪声范围，降低了噪声(一般混频器的 噪声在500KC以下，正是线性调频连续波(FMCW)的差频范围)，改善了灵敏度。

另外，在上变频器32与电压控制振荡器34之间插入了一个开关器件33，这使得本实用新型既可以连续波体制又可以在脉冲体制下工作。现有技术的通常作法都是在发射天线前加入一个开关。本实用新型这种组成，用相对容易实现的微波高端放大器，代替了微波高端采用开关器件。虽然微波高端甚至毫米波内也有PIN开关，但此种开关难以满足技术要求。这也是为什么采用频率扫描天线，而没有采用开关转换波束理由之一。

微波振荡单元3在波形发生器单元6的控制下产生微波2后送至发射天线发射；接收天线接受到目标反射的微波信号后，经接收混频单元4进行频率变换后送至中频放大单元7压缩，然后再输出至信号处理单元8，信号处理单元8对该输入信号和从波形发生器单元6输入的信号进行分析处理；显示单元9显示从信号处理单元8输入的信号。

图3中，中频放大单元7由低通滤波器71、中频放大器72、低通滤波器73组成。本实用新型的作用距离1-120米，其动态范围达83dB以上。对这么大的动态范围压缩方法很多。考虑到本装置对多体制的适应性，采用了对数放大器来压缩动态范围。对于调频连续波雷达(FMCW)，差频与距离仍是成正比，因此，输出与输入成对数关系的对数放大器，也适用于利用差频获取距离信息的FMCW雷达。

图4是可编程的数字波形发生器的原理框图，它是本实用新型的控制中心，产生本实用新型所需要的一切波形及时序。三角波是在单片机62程序控制下，输出上边界二进制码和下边界二进制码，加到复杂可编程器件(CPLD)63，控制三角波扫描区间，输出码作为地址码去读取存贮器64中的数据码。该码加到数模转换器(D/A)66，变换成对应的模拟电压。该电压在规定时钟作用下，按照严格补偿波形周期出现，然后，送到微波振波单元3的电压控制振荡器31，经滤波，使电压控制振荡器输出频率按规定三角波参数扫描，使线性控制在0.5％以内。若上边界二进制码和下边界二进制码相同，则数模变换器66输出固定电压，使电压控制振荡器输出相应的固定频率。

图中，61为晶体振荡器，65存贮器。

可以通过预先对单片机62和复杂可编程器件63编程，实现满足本实用新型要求的任意波形，如：供显示器单元9用的行同步信号及帧同步信号等。

图5是能处理多种雷达体制信息的信号处理单元8的原理框图，它可产生供显示器用的象素地址码，供信息存贮和数据刷新之用。并能输出防撞用的紧急制动信号及自动跟踪驾驶用的距离误差信息，角度误差信息及方位误差信息。它由模数变换器81、数字信号处理DSP模块82、存贮器83、数模变换器84、I/O端口85和88、CPLD及硬件电路86、单片机87组成。它的工作过程如下。

当选择FMCW方式工作时，信号处理单元将输入的信号经模数变换器81采样后变成数字信息，送到数字信号处理DSP模块82，进行快速傅立叶(FFT)变换，求出差频，根据预先输入的计算机程序求出相对距离、相对速度，并送到单片机87。单片机根据制动方程，自动求出安全门限距离及紧急制动距离。当两车距离小于门限距离时，使想相应区段的声光系统启动，提醒驾驶员注意。随着危险程度降低，声光相应变化直至消失；若危险程度进一步增加，声光也相应变强。当两车达到紧急制动距离时，从I/O端口88输出紧急制动信号，供刹车制动之用。

当恶劣天气时，选择辅助驾驶方式，此时本实用新型主要采用脉冲工作方式。天线按一定规律扫描。信号处理单元根据行同步、帧同步信号产生显示器全部像素对应的地址码，去顺序刷新存贮器中的数据，经D/A转换成模拟电压对CRT进行灰度控制。同时，对输入信号进行采样，将采样的数据存贮在相应的位置上，供CRT刷新之用。因此，CRT可以比较清晰地看到车辆前方的实际情况。

汽车在高速公路上长时间单向行驶时，驾驶员极易疲劳，可选择自动驾驶。此时，本实用新型处于跟踪方式。信号处理单元将超过门限的回波信号经数字式自动距离编码器获得目标距离信息，连同波形发生器单元送来的方位信息，一同加到单片机上，按需要的显示方式计算出坐标，并以汽车图标方式显示。如要进一步实现自动跟踪驾驶，驾驶员先要用光笔点一下需要跟踪的目标，立即有一个长方形套住目标，此时，天线由扫描方式转入跟踪方式，提供被跟踪目标相对于本车轴线方向的角误差信息。此时A/D变换器仅对被跟踪目标进行采样，经DSP获得速度信息，并根据相对车速确定与跟踪目标的安全距离。经I/O端口输出距离、角度以及保持安全车距的距离误差信息、速度误差信息及角度误差信息，供自动驾驶之用。

本实用新型采用了除声、光、数字报警以外，还用图象显示器来显示辅助驾驶信息和自动跟踪信息。图象显示器的是平面信息，因此，能够更真实地接近驾驶员观察到的情况，供驾驶员安全驾驶。

辅助驾驶时，以尽可能接近驾驶员正常驾驶时观察的范围和距离(1-120米)进行显示。为了比较真实地反应道路交通情况，主要采用脉冲调制。以尽可能真实的信息对显示器进行灰度调制，同时以尽可能接近连续波方式(如按0.1°步进)进行扫描，才能获得较清晰的轮廓。

自动跟踪驾驶时，以汽车图标显示道路上的车辆，以光笔对目标进行选择，以长方型框代表被选定的跟踪目标，道路上可以同时显示8个目标。

总之，本实用新型属于汽车防护技术领域和主动式自动(辅助)驾驶技术领域的通用装置。单独使用时，主要用于汽车防撞报警并提供防撞紧急制动信息。根据用户要求，还可以提供在恶劣天气条件下全天候(白天、黑夜)的辅助驾驶功能，从显示器上观察道路交通情况，辅助驾驶员安全行驶。另外，还可提供主动式自动驾驶所需要的误差信号。各种车型只要完善相应的与本实用新型通用信号的接口，还可以实现汽车防撞紧急制动。还以实现主动式自动跟踪(ACC)：跟踪选定的目标，始终保持安全车距。

本实用新型在24GHz微波频段上，实现了综合体制，发挥了各种体制的优热，实现了多功能。采用了灵敏度高，距离分辨力好的线性调频连续波(FMCW)雷达体制，实现了防撞告警，也利用了线性调频射频带宽大这一特点实现了频率相控阵，满足了各种雷达体制对天线扫描的不同需求。又兼用了抗干扰能力强的脉冲体制实现了辅助驾驶。

Claims (8)

1.微波汽车防撞驾驶雷达装置，其特征在于：微波振荡单元在波形发生器单元的控制下产生微波信号输出到微波功率放大单元后送至发射天线发射；接收天线接受到目标反射的微波信号后，经接收混频单元进行频率变换后送至中频放大单元压缩，然后再输出至信号处理单元，信号处理单元对该输入信号和从波形发生器单元输入的信号进行分析处理；电源单元产生各种电压供各单元使用。

2.根据权利要求1所述的微波汽车防撞驾驶雷达装置，其特征在于：它还包括显示单元，显示从信号处理单元输入的信号。

3.根据权利要求1或2所述的微波汽车防撞驾驶雷达装置，其特征在于：发射天线、接收天线采用微波贴片天线。

4.根据权利要求1或2所述的微波汽车防撞驾驶雷达装置，其特征在于：微波振荡单元产生不同频率的信号，经放大单元后送至发射天线发射，通过控制频率实现波束扫描。

5.根据权利要求1或2所述的微波汽车防撞驾驶雷达装置，其特征在于：微波振荡单元由上变频器、开关器件、两个振荡器组成，其中至少有一个是电压控制振荡器；接收混频单元由下变频器、中频放大器、零中频混频器组成；一个电压控制振荡器接收波形发生器单元的输入信号并向上、下变频器输出信号；另一个振荡器向零中频混频器输出信号；开关器件连接在上变频器与另一个振荡器之间，它的开关由波形发生器单元控制。

6.根据权利要求1或2所述的微波汽车防撞驾驶雷达装置，其特征在于：波形发生器单元是由单片机、晶体振荡器、可编程器件等组成的数字式波形发生器。

7.根据权利要求1或2所述的微波汽车防撞驾驶雷达装置，其特征在于：信号处理单元对于压缩后输入信号先经过A/D转换器转换成数字信号，再进一步处理。

8.根据权利要求2所述的微波汽车防撞驾驶雷达装置，其特征在于：显示单元根据从信号处理单元输入的数据，显示实现辅助驾驶所需的有关信息，同时给出紧急制动信号，或者显示实现自动跟踪驾驶所需的误差信息。