RU2707970C1

RU2707970C1 - Способ и устройство предупреждения столкновений транспортного средства

Info

Publication number: RU2707970C1
Application number: RU2019103882A
Authority: RU
Inventors: Алексей Анатольевич Бакулин; Александр Иванович Голубев; Василий Васильевич Матахин; Александр Львович Славский; Дмитрий Валентинович Чулев
Original assignee: Акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский институт "Сигнал"
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2019-12-03

Abstract

Изобретение относится к радиолокационным системам предупреждения столкновений транспортного средства и предназначено для повышения безопасности движения транспортного средства. Предлагаемый способ включает создание непрерывного радиоволнового излучения с пилообразной частотной модуляцией, прием отраженного сигнала, выделение биений. Для повышения безопасности транспортного средства рабочий диапазон дальности делится на несколько поддиапазонов выбором для каждого поддиапазона соответствующей скорости изменения частоты излучаемого сигнала. В каждом поддиапазоне сигналы биений последовательно преобразуются в цифровые данные, информация которых быстрым преобразованием Фурье переносится в частотную область. По результатам анализа данных в частотной области определяется препятствие, расстояние до него, скорость. Расстояние сравнивается с вычисленными пороговыми значениями, при нарушении которых производится включение соответствующих предупредительных сигналов. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Изобретение относится к радиолокационным устройствам, предназначенным преимущественно для систем повышения безопасности движения транспортных средств, например, автомобилей.

Для повышения безопасности движения транспортных средств были разработаны различные радиолокационные устройства, в функции которых входят обнаружение препятствий, измерение до них расстояния, относительной скорости и, при возникновении опасной ситуации, обеспечение включения соответствующей предупредительной сигнализации и/или торможения. Среди таких радиолокационных устройств применяются устройства с непрерывным излучением и частотной модуляцией излучаемого сигнала по пилообразному закону, где для определения расстояния и относительной скорости используется частота биений между излучаемым и отраженным от препятствия сигналом. Типовой вариант такого устройства и принцип определения расстояния и скорости приведен, например, в книге Справочник по радиоэлектронным системам под ред. Б.Х. Кривицкого, том 2, М., «Энергия», 1979 г, стр. 103-105, рис. 7-37 - рис. 7-39.

Недостатки данного устройства проявляются при наличии отраженных сигналов от нескольких транспортных средств, находящихся на разных расстояниях. В данном случае измерение параметров препятствий по частоте биений суммарного сигнала, которая зависит от соотношения уровней и частот всех принятых сигналов, не позволяет достоверно определить степень опасности препятствий и различить их друг от друга.

Известно радиолокационное устройство с частотной модуляцией по патенту США №4348675, в котором для устранения указанных недостатков диапазон частот биений на выходе смесителя, соответствующий рабочему диапазону дальностей радиолокатора, делится на множество поддиапазонов с помощью множества параллельно включенных полосовых фильтров с равными полосами пропускания. Для измерения уровня сигнала после каждого фильтра включен детектор. Сигналы с выходов фильтров и детекторов подаются на вычислительное устройство, на которое поступает также информация о собственной скорости. При постоянном периоде модуляции отраженные сигналы от объектов, расположенных на разном расстоянии, с частотами, пропорциональными расстоянию, выделяются разными фильтрами. Вычислительное устройство, анализируя преобразованные в цифровой вид уровни сигналов с выходов детекторов и частоту сигналов с выходов соответствующих фильтров, обеспечивает идентификацию самого близкого объекта с приоритетом к другим. Используя дополнительно значение собственной скорости, вычислительное устройство определяет также степень его опасности с формированием при необходимости сигналов в систему предупреждения водителя и/или систему управления скоростью движения. При широком диапазоне измеряемых расстояний и высоком разрешении по дальности в данном устройстве требуется большое количество полосовых фильтров, детекторов, что является его недостатком.

Прототипом заявляемого изобретения выбрана радиолокационная система по патенту США №5268692. Указанное изобретение содержит последовательно соединенные модулятор, генератор непрерывного радиолокационного сигнала с частотой, управляемой напряжением, состоящий из задающего генератора, частотного умножителя и полосового фильтра, выход которого соединен с входом ответвителя мощности. Один выход ответвителя мощности соединен с передающей антенной, а выход гетеродинного сигнала - с входом смесителя, другой вход смесителя соединен с приемной антенной. К выходу смесителя последовательно подключены первый усилитель, полосовой фильтр, второй усилитель, аналого-цифровой преобразователь и процессор. Процессор функционально связан с модулятором, со средством предупредительной сигнализации и средством для внешней корректировки отдельных параметров системы. На процессор поступает также информация с датчика собственной скорости. Данное устройство формирует зондирующий частотно-модулированный сигнал, параметры модуляции которого задаются модулятором, управляемым процессором. Биения между излучаемым и отраженным в зоне обнаружения радара сигналами выделяются смесителем, предварительно усиливаются первым усилителем, с выхода которого подаются на полосовой фильтр с полосой пропускания, равной полосе частот биений в рабочем диапазоне расстояний радиолокатора. После последующего усиления вторым усилителем и преобразования биений аналого-цифровым преобразователем в цифровые данные процессором выполняется быстрое преобразование Фурье для получения данных в частотной области, по которым проводится идентификация препятствия по расстоянию и скорости. При определении, с учетом собственной скорости, опасного сближения процессор передает соответствующую информацию в средство предупредительной сигнализации. Недостатком прототипа является возможность неоднозначного измерения расстояния в рабочем диапазоне дальностей при наличии относительной скорости с препятствием. Учитывая, что максимальная частота полосы пропускания фильтра радара ограничена, например, половиной частоты дискретизации аналого-цифрового преобразователя, минимальная частота биений, определяемая расстоянием, при широком диапазоне измеряемой дальности может быть относительно низкой. Данная частота в процессе сближения с препятствием может быть превышена, особенно при использовании малых длин волн излучаемого сигнала, доплеровским смещением частоты от радиальной составляющей относительной скорости. Изменение знака разности этих частот в пределах рабочего диапазона измеряемых дальностей приведет к недостоверным измерениям расстояния и скорости. Кроме того, при частоте биений ниже нескольких килогерц, дополнительной причиной недостоверных измерений может быть воздействие низкочастотных помех, вызванных, например, вибрациями в месте размещения радара.

Целью изобретения является повышение безопасности движения транспортного средства. В предлагаемом способе эта цель достигается делением рабочего диапазона дальностей на несколько поддиапазонов выбором для каждого поддиапазона соответствующей скорости изменения частоты излучаемого сигнала. Уменьшение, по сравнению с полным рабочим диапазоном, отношения максимальной и минимальной дальностей и увеличение скорости изменения частоты в поддиапазоне минимальных дальностей увеличивают, по сравнению с прототипом, частоту биений в данной области. При этом, после измерений в этом поддиапазоне, скорость изменения частоты, для обеспечения поочередного измерения в границах следующих поддиапазонов, каждый раз дискретно уменьшается с увеличением дальности. Максимальная частота биений в каждом поддиапазоне, определяемая заданной скоростью изменения частоты, может быть выбрана равной максимальной частоте биений, обрабатываемой радаром. Минимальная частота биений в поддиапазонах и количество поддиапазонов зависят от выбранного в них отношения максимальной и минимальной дальностей. Чем меньше выбранное отношение, тем выше будет частота биений, соответствующая минимальным расстояниям в поддиапазонах.

Предлагаемый способ включает создание непрерывного радиоволнового излучения с пилообразной частотной модуляцией и прием отраженных в зоне обнаружения радиолокационных сигналов. Излучаемый сигнал, в отличие от прототипа, модулируется по частоте таким образом, чтобы разделить рабочий диапазон дальностей на несколько поддиапазонов для увеличения частоты биений в области минимальных расстояний. При анализе рабочего диапазона последовательно, в течение нескольких полупериодов модулирующего сигнала в каждом поддиапазоне, выделяются биения между излучаемым и принятым сигналами, которые преобразуются в цифровой вид. С каждыми цифровыми данными выполняется быстрое преобразование Фурье для преобразования их в частотную область. Данные в частотной области, полученные в поддиапазонах, используются для идентификации объекта в зоне обнаружения. Способ предупреждения столкновений поясняется на примере построения устройства и рисунками.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства предупреждения столкновений;

на фиг. 2 приведен вариант изменения частоты излучаемого и отраженного сигналов при делении рабочего диапазона дальностей на 3 поддиапазона;

на фиг. 3 изображены значения частоты биений в поддиапазонах от неподвижного препятствия, расположенного в 1-м поддиапазоне дальностей;

на фиг. 4 - фиг. 6 приведены амплитудно-частотные характеристики устройства в 1-3 поддиапазонах соответственно;

на фиг. 7 приведены коэффициенты передачи устройства в поддиапазонах в зависимости от расстояния;

на фиг. 8 приведена структурная схема варианта реализации блока фильтров с управляемой амплитудно-частотной характеристикой;

на фиг. 9 приведен вариант изменения частоты излучаемого сигнала с использованием в каждом поддиапазоне двух одинаковых периодов, отличающихся значением Δf.

Структурная схема устройства в соответствии с настоящим изобретением приведена на фиг. 1. Устройство содержит последовательно соединенные генератор модулирующего сигнала (ГМС) 1, генератор сверхвысоких частот (СВЧ) 2 с частотой, управляемой напряжением, направленный ответвитель (НО) 3, передающую антенну 4. Второй выход НО3 соединен с гетеродинным входом смесителя (СМ) 5 второй вход которого соединен с приемной антенной 6. С выхода СМ5 сигнал поступает на последовательно соединенные предварительный усилитель (ПУ) 7, управляемый блок фильтров (БФУ) 8 с изменяемой амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), управляемый усилитель (УУ) 9 с управляемым коэффициентом усиления и аналого-цифровой преобразователем (АЦП) 10. С выхода АЦП 10 оцифрованный сигнал подается для обработки в программируемый процессор (ПР) 11. ПРИ имеет функциональные связи с ГМС1 для управления частотой и амплитудой пилообразного напряжения, с БФУ8 - для управления АЧХ, с УУ9 - для изменения коэффициента усиления. В ПРИ поступает также информация с датчика собственной скорости (ДСС) 12 транспортного средства и информация от блока внешнего управления (БВУ) 13. ПРИ имеет выход для передачи информации в блок предупредительной сигнализации (БС) 14. Устройство излучает антенной 4 непрерывный частотно-модулированный сигнал с линейным пилообразным изменением частоты, поступающий через НОЗ с генератора СВЧ2, и принимает антенной 6 отраженный сигнал от объектов, расположенных в зоне обнаружения радара. СМ5 выделяет биения между частью излучаемого сигнала с НО3 и принятым сигналом, которые предварительно усиливаются ПУ7. Частота биений F_R от неподвижного препятствия, расположенного на расстоянии R, равна:

где Δf - изменение частоты при модуляции;

С - скорость света;

T_M - период модуляции.

Если W - скорость изменения частоты, то

При ограниченной максимальной рабочей частоте устройства значением Fσ_max, скорость изменения частоты в i-м поддиапазоне Wi, обеспечивающая при максимальной дальности Ri_max в поддиапазоне частоту биений, равную Fσ_max, будет равна:

При данных значениях Wi выбор минимального расстояния в поддиапазонах Ri_min должен обеспечивать выполнение условия:

где Fg_max - доплеровское смещение частоты при максимальном значении радиальной составляющей относительной скорости Vrmax;

λ - длина волны излучаемых колебаний.

На фиг. 2 показано изменение частоты излучаемого сигнала, обеспечиваемое соответствующим изменением пилообразного напряжения на выходе ГМС1, управляемого ПРИ. Сигнал с ГМС1 в ПРИ служит для синхронизации модулирующего сигнала и процесса обработки информации в ПРИ. В рассматриваемом примере рабочий диапазон дальности делится на 3 поддиапазона, в которых требуемая скорость изменения частоты устанавливается дискретным изменением периода модулирующего сигнала при постоянном значении Δf. Для анализа каждого поддиапазона в данном варианте используется по одному периоду модулирующего сигнала, при этом отношения

выбраны равными отношению

для обеспечения одинаковых границ поддиапазонов в частотной области. Штриховой линией обозначен отраженный сигнал от неподвижного объекта, расположенного в поддиапазоне минимальных дальностей, которому соответствует период Т1. Задержка т перед следующим циклом измерения используется для обработки данных, полученных в предыдущем цикле анализа поддиапазонов.

На фиг. 3 изображено изменение частоты биений от указанного выше объекта на выходе ПУ7 в процессе анализа поддиапазонов. Ограничение полосы сигнала, поступающего с ПУ7, для защиты от низкочастотных и высокочастотных помех, от наложения спектров при дискретизации сигнала в АЦП 10 и формирование заданной АЧХ в границах каждого поддиапазона обеспечиваются последовательно соединенными БФУ8 и УУ9. Дальнейшее рассмотрение будет проводиться при следующих характеристиках устройства: λ=4 мм, Δf=600 МГц, Fσmax=225 кГц, Vrmax=50 м/с.К первому поддиапазону в устройстве относятся расстояния от 1 до 5 м, ко второму - от 5 до 25 м и к третьему - от 25 до 100 м.

На фиг. 4 приведена АЧХ для первого поддиапазона. В АЧХ второго поддиапазона, приведенной на фиг. 5, для компенсации ослабления отраженного сигнала предусмотрен подъем 20 дБ/дек, а в АЧХ третьего поддиапазона на фиг. 6 - 40 дБ/дек. Граница полос пропускания фильтров в поддиапазонах расширена относительно значений F_Rmin и F_Rmax на величину максимального доплеровского сдвига частоты. Выравнивание коэффициентов усиления в конце предыдущего поддиапазона и в начале следующего, изменение общего коэффициента усиления обеспечивается УУ9 командами с ПР11.

При выбранных значениях Т1=2⋅10^-4 с; Т2=10^-3 с; Т3=5⋅10^-3 с во всех поддиапазонах обеспечивается превышение F_Rmin=40 кГц над доплеровским смещением частоты F_gmax=25 кГц.

На фиг. 7 приведена зависимость коэффициента передачи устройства от анализируемого расстояния.

При необходимости дополнительного увеличения минимальной частоты в поддиапазонах количество поддиапазонов может быть увеличено соответствующими изменениями в модулирующем сигнале и АЧХ устройства.

Вариант исполнения БФУ8 приведен на фиг. 8. БФУ8 содержит первый полосовой фильтр 15 и второй полосовой фильтр 16, входы которых соединены и образуют вход БФУ8, а выходы соединены с входами первого переключателя 17. Выход первого переключателя 17 соединен с входом первого фильтра верхних частот 18 и первым входом второго переключателя 20. Выход первого фильтра верхних частот 18 соединен с входом второго фильтра верхних частот 19 и вторым входом второго переключателя 20, третий вход которого соединен с выходом второго фильтра верхних частот 19, а выход второго переключателя 20 является выходом БФУ8. Управляющие входы ВхУ1, ВхУ2 переключателей 17 и 20 являются входами управления БФУ8.

При работе в первом поддиапазоне управляющими сигналами на ВхУ1 и ВхУ2 обеспечивается прохождение на выход БФУ8 через переключатели 17 и 20 сигнала с полосового фильтра 15, полоса пропускания которого соответствует приведенной на фиг. 4. При последующей работе во втором поддиапазоне на выход БФУ8 коммутируется сигнал, прошедший последовательно через полосовой фильтр 15 и фильтр верхних частот 18. Фильтр верхних частот 18 имеет в полосе пропускания фильтра 15 подъем АЧХ с наклоном 20 дБ/дек для частичной компенсации затухания отраженного сигнала. Результирующая полоса пропускания и наклон АЧХ в данном поддиапазоне соответствуют фиг. 5. В третьем поддиапазоне сигнал на выход БФУ8 проходит через полосовой фильтр 16, фильтр верхних частот 18 и второй фильтр верхних частот 19, имеющий подъем АЧХ, равный 20 дБ/дек.

Результирующая полоса пропускания в данном поддиапазоне и подъем АЧХ соответствуют фиг. 6. В зависимости от характеристик и условий работы устройства вид АЧХ в поддиапазонах может изменяться, в том числе и в процессе анализа сигналов.

Выравнивание коэффициентов усиления в конце предыдущего и начале следующего поддиапазонов осуществляется изменением усиления УУ9. Сигнал с выхода УУ9 поступает в АЦП10. Оцифрованные в каждом полу периоде модулирующего сигнала данные считываются ПР11, который вычисляет с каждыми из них быстрое преобразование Фурье. По результатам анализа данных, полученных в частотной области в каждом поддиапазоне, ПР11 определяет расстояние и относительную скорость с препятствием с учетом того, что на нарастающем участке пилообразного изменения частоты модуляции, при сближении с препятствием, частота биений равна:

а на спадающем участке:

где

- доплеровский сдвиг частоты от радиальной составляющей Vr относительной скорости.

С использованием данных о расстоянии до препятствия, относительной скорости, данных о собственной скорости Vo, получаемых с ДСС12, вычисляются пороговые расстояния Rп о необходимости снижения скорости, торможения из выражения:

где Тр - время реакции системы для изменения скорости Vo;

Vп - скорость препятствия;

а_о и а_п - ускорение транспортного средства с устройством и препятствия;

Ro - запас на дистанцию для включения предупреждения о необходимости снижения скорости перед торможением.

Определение пороговых дистанций проводится с учетом информации от БВУ13, которая учитывает изменение Тр, Ro, длину выступающей вперед радара части транспортного средства. По результатам сравнения полученной дальности с пороговыми значениями в БС14 передается информация для включения соответствующих предупредительных сигналов.

В рассмотренном варианте устройства для анализа каждого поддиапазона используется один период модулирующего сигнала. Для повышения достоверности получаемой информации может использоваться вариант модуляции, приведенный на фиг. 9, где в каждом поддиапазоне используются для модуляции по два одинаковых периода, отличающихся амплитудой изменения частоты.

Устройство изготовлено с использованием элементной базы, выпускаемой промышленностью, и конструктивно содержит приемо-передающее устройство 4-мм диапазона радиоволн, блок обработки поступающего со смесителя сигнала биений и блок питания. В БФУ8 полосовые фильтры и фильтры верхних частот выполнены с использованием звеньев активных фильтров на операционных усилителях серии 544, схемы которых приведены в книге Л. Фолкенберри, Применения операционных усилителей и линейных ИС, под ред. М.В. Гальперина, М., «Мир», 1985 г. В качестве переключателей использованы микросхемы серии 1526.

УУ9 может быть реализован на операционном усилителе серии 154 с использованием вместо одного из резисторов, определяющих усиление, цифрового потенциометра серии 1272 (зарубежный аналог DS1267).

ГМС1 может быть выполнен по схеме, приведенной в книге Л. Фолкенберри, Применения операционных усилителей и линейных ИС, под ред. М.В. Гальперина, М., «Мир», 1985 г, стр. 255, с использованием цифровых потенциометров серии 1272 для управления частотой и амплитудой пилообразного напряжения. Для цифровой обработки сигнала и проведения необходимых вычислений применена однокристальная микро-ЭВМ 1986 ВЕ91Т, включающая в свой состав и АЦП10.

Claims

1. Способ предупреждения столкновений, включающий формирование зондирующего непрерывного радиоволнового излучения с пилообразной частотной модуляцией, прием отраженных сигналов, выделение биений в каждом полупериоде модулирующего сигнала, преобразование их в цифровые данные, выполнение с ними быстрого преобразования Фурье для получения данных в частотной области, анализ данных в частотной области, вычисление расстояния до препятствия и сравнение его с заданными пороговыми значениями, обеспечение соответствующих предупредительных сигналов при достижении пороговых значений отличающийся тем, что рабочий диапазон дальности делится на несколько поддиапазонов последовательным выбором для каждого поддиапазона соответствующей скорости изменения частоты излучаемого сигнала с выделением биений в каждом поддиапазоне, преобразованием их в цифровые данные, а затем в частотную область быстрым преобразованием Фурье, анализом данных в частотной области всех поддиапазонов с последующим вычислением дальности до препятствия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для перехода в поддиапазон с большей максимальной дальностью скорость изменения частоты дискретно уменьшается в количество раз, равное отношению максимальной и минимальной дальностей в предыдущем поддиапазоне.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что анализ отраженных сигналов в каждом поддиапазоне проводится в течение одного периода пилообразного изменения частоты.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что анализ отраженных сигналов в каждом поддиапазоне проводится в течение двух периодов пилообразного изменения частоты, отличающихся амплитудой изменения частоты.

5. Устройство предупреждения столкновений транспортного средства, содержащее последовательно соединенные генератор модулирующего сигнала, генератор СВЧ с частотой, управляемой напряжением, направленный ответвитель, первый выход которого соединен с передающей антенной, а второй выход - с первым входом смесителя, второй вход смесителя соединен с приемной антенной, а выход смесителя соединен с входом предварительного усилителя, а также содержащее последовательно соединенные шиной данных аналого-цифровой преобразователь и программируемый процессор, который функционально связан с генератором модулирующего сигнала, с датчиком собственной скорости, с блоком внешнего управления, с блоком предупредительной сигнализации, причем программируемый процессор снабжен программой, обеспечивающей анализ частоты биений, вычисление параметров препятствия с учетом собственной скорости и данных блока внешнего управления, передачу данных для включения предупредительной сигнализации, отличающееся тем, что введены последовательно соединенные с выходом предварительного усилителя управляемый блок фильтров и управляемый усилитель, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, при этом управляющие входы управляемого блока фильтров и управляющие входы управляемого усилителя соединены шинами данных с программируемым процессором, а вход синхронизации программируемого процессора соединен с выходом генератора модулирующего сигнала.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что управляемый блок фильтров содержит первый и второй полосовые фильтры, входы которых соединены вместе и образуют вход управляемого блока фильтров, а их выходы соединены с входами первого управляемого переключателя, выход которого соединен с первым входом второго управляемого переключателя и с входом первого фильтра верхних частот, выход которого соединен с вторым входом второго управляемого переключателя и с входом второго фильтра верхних частот, выход второго фильтра верхних частот соединен с третьим входом второго управляемого переключателя, выход которого является выходом управляемого блока фильтров, при этом управляющие входы управляемых переключателей являются управляющими входами управляемого блока фильтров.