一種毫米波雷達防撞探測裝置的製作方法

2023-11-04 01:53:17 1

專利名稱：一種毫米波雷達防撞探測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及工業和汽車行業中的防撞安全裝置，具體的說是一種毫米波雷達防撞探測裝置。
背景技術：
工業現場和汽車行業常用防撞探測系統探測車體的周圍環境，在發生碰撞前發出報警或制動信息，避免碰撞造成的各種損失。在傳統的防撞探測系統中，通常採用雷射和超聲波雷達探測並獲取車輛周圍環境信息，由於防撞探測系統的工作環境十分複雜，周圍地物的幹擾、惡劣的氣象條件以及工業現場大量的粉塵幹擾，都會嚴重製約雷射和超聲波方式的目標檢測能力。毫米波是指頻率在30GHz到300GHz之間的電磁波，由於它具有波長短、頻帶寬、方向性好和穿透能力強等優點，已在許多方面均有應用。毫米波雷達防撞探測方式克服了雷射和超聲波雷達探測方式中惡劣環境適應性差的缺點。目前利用毫米波作為工業和民用行車安全防撞探測裝置已有應用，但是由於系統的穩定性、測量精度、信號處理速度尚不能完全適應各種惡劣及複雜環境下的應用，有待進一步改進。

發明內容
針對現有技術中存在的安全防撞探測裝置穩定性、測量精度、信號處理速度尚不能完全適應各種惡劣及複雜環境等不足之處，本發明要解決的技術問題是提供一種速度快，精度高、穩定性好，適應性強的毫米波雷達防撞探測裝置。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是
本發明毫米波雷達防撞探測裝置包括天線、毫米波收發組件、中頻預處理模塊、波形發生模塊、系統控制模塊、溫度控制模塊，顯示報警模塊以及電源模塊，其中，波形發生模塊產生波形調製電壓輸出至毫米波收發組件，毫米波收發組件產生毫米波頻段發射波形通過天線輻射出去，同時通過天線接收目標反射回波，回波經過毫米波收發組件後下變頻輸出中頻差拍信號，中頻預處理模塊對中頻差拍信號進行自動增益控制，輸出信號經過系統控制模塊進行採樣與分析處理後輸出至顯示報警模塊；溫度控制模塊對裝置進行溫度監控，與系統控制模塊進行雙向通訊；系統控制模塊通過顯示報警模塊與外界進行通訊和報警。所述中頻預處理模塊包括前置放大器、靈敏度頻率控制電路以及自動增益控制電路，其中前置放大器接收來自毫米波收發組件的回波中頻差拍信號，輸出放大後的中頻信號至靈敏度頻率控制電路，靈敏度頻率控制電路輸出頻率增益控制信號經自動增益控制電路輸出幅度增益控制信號至系統控制模塊。所述波形發生模塊由FPGA控制實現，包括時鐘源、分頻器、地址發生器、波形存儲器、D/A轉換單元，其中分頻器將時鐘源的時鐘進行分頻得到的地址時鐘信號輸出給地址發生器，地址發生器產生地址信號輸出至波形存儲器，波形存儲器輸出的波形數據信號經D/A 轉換單元進行數/模轉換後輸出系統所需不同波形的電壓調製信號至毫米波收發組件。
所述系統控制模塊包括數位訊號處理單元、PID溫度控制單元、通訊接口單元，系統控制模塊通過數位訊號處理單元與中頻預處理模塊進行通訊連接，通過PID溫度控制單元與溫度控制模塊進行通訊連接，通過通訊接口單元與顯示報警模塊進行通訊連接。所述數位訊號處理單元採用高速數位訊號處理器DSP，由數據採集控制與探測算法實現數據信號的處理及PID溫度算法控制。 所述通訊接口單元由USB、RS232、CAN多種通訊接口組成。所述溫度控制模塊包括A/D採樣單元、溫度傳感器、加熱裝置及繼電器，其中溫度傳感器信號經A/D轉換單元送至系統控制模塊的PID溫度控制單元，繼電器接收PID溫度控制單元輸出的控制信，繼電器的接點設於加熱裝置的控制迴路中。所述天線採用平面微帶天線，天線採用獨立收發控制方式。本發明具有以下有益效果及優點
1.本發明毫米波雷達防撞探測裝置，具有測距、測速以及多目標識別功能，探測距離為 1米到150米，探測距離精度0. 15米，測量速度精度1米/秒；能夠適應各種地物雜波、惡劣的氣象條件以及工業現場大量的粉塵幹擾，可廣泛應用於各種複雜的工業現場和汽車駕駛安全領域。2.本發明採用模塊化設計，天線採用平面微帶天線，獨立的收發天線，體積小，成本低，通訊模塊實現USB、RS232、CAN總線接口，滿足多種工業現場與汽車行車應用領域。3.本發明中的數位訊號處理模塊，採用DSP核心處理器對中頻回波數據進行分析處理，進而對目標進行檢測與分類；採用高速DSP處理器使複雜信號處理算法在50ms以內完成，能夠滿足車輛目標高速運動場合。4.本發明中的波形發生模塊和中頻採集預處理模塊，採用FPGA核心處理器，利用高速FPGA晶片驅動高精度DA晶片，產生毫米波前端VCO組件所需的各種調壓與調頻信號； 利用高速FPGA晶片接口高精度AD晶片，實時採集毫米波雷達中頻差拍信號，同時完成信號濾波等預處理功能。5.本發明為使毫米波雷達探測裝置具有更遠的探測範圍，增大系統探測的動態範圍，中頻預處理模塊採用靈敏度頻率控制SFC電路，將放大器的增益作為頻率的函數來實現控制，最後通過AGC自動增益控制電路將中頻信號輸出幅度控制在2V以內，使系統動態範圍達到80分貝。6.本發明中的溫度控制模塊採用高精度溫度傳感器，利用PID溫度控制算法使毫米波收發前端及VCO組件始終處於恆溫狀態，保證了雷達探測結果的精度和穩定性。


圖1為本發明裝置整體結構示意圖2為本發明裝置中毫米波收發組件結構示意圖； 圖3為本發明裝置中系統控制模塊內部結構示意圖； 圖4為本發明裝置中的中頻預處理模塊原理示意圖； 圖5為本發明裝置中波形產生模塊內部結構示意圖； 圖6為本發明裝置中溫度控制模塊內部結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明裝置的使用方法作進一步詳細說明。如圖1所示，為本發明裝置整體結構示意圖。本發明裝置包括天線1，毫米波收發組件2，中頻預處理模塊3，波形發生模塊4，系統控制模塊5，溫度控制模塊6，顯示報警模塊 7以及電源模塊8。其中，天線1由接收微帶天線和發射微帶天線組成，波形發生模塊4產生波形調製電壓輸出至毫米波收發組件2，毫米波收發組件2產生毫米波頻段發射波形通過天線1輻射出去，同時通過天線1接收目標反射回波，回波經過毫米波收發組件2下變頻輸出中頻差拍信號，中頻預處理模塊3對中頻差拍信號進行自動增益控制，輸出信號經過系統控制模塊5進行中頻數據採樣分析與處理，溫度控制模塊6對裝置進行溫度監控，系統控制模塊5通過顯示報警模塊7與外界進行通訊和報警。如圖2所示，為本發明裝置收發組件結構示意圖，其中波形發生模塊4產生電壓和周期可調的三角波或鋸齒波信號輸入至毫米波收發組件2中壓控振蕩器21輸入端，壓控振蕩器VCO產生的頻率一部分經過內部功率放大器23輸出至天線1的發射端向外輻射出去， 另一部分經過定向耦合器22耦合到混頻器25作為本振信號，天線1的接收端接收目標回波信號經內部低噪聲放大器M放大後與本振進行混頻，混頻後輸出中頻差拍信號。如圖3所示，為本發明裝置系統控制模塊內部結構示意圖，其中系統控制模塊5主要包括，數位訊號處理單元51，PID溫度控制單元52，通訊接口單元53，其中，中頻預處理模塊3輸出中頻差拍信號至數位訊號處理單元51進行信號分析與處理，數位訊號處理單元 51處理結果通過通訊接口單元53輸出至顯示報警模塊7，PID溫度控制單元52對溫度控制模塊數據採集與控制。如圖4所示，為本發明裝置中頻預處理模塊原理示意圖，中頻預處理模塊3主要包括三個部分，前置放大器電路31，靈敏度自動控制SFC電路32，自動增益控制電路33，其中， 中頻差拍信號首先輸入至前置放大器電路31進行30dB的增益放大，為增大系統動態範圍， 使放大後的信號經過靈敏度自動控制SFC電路32對遠端高頻回波信號進行放大，放大後的信號經過自動增益控制AGC電路33，將輸出信號控制在AD採樣幅度範圍士 2V以內，便於數據處理模塊進行數據的採樣分析。如圖5所示，為本發明裝置中波形發生單元結構示意圖，信號控制處理模塊4有 FPGA邏輯控制單元組成，主要包括時鐘源41，分頻器42，地址發生器43，波形存儲器44以及D/A轉換單元45。其中分頻器42將時鐘源41的時鐘進行分頻得到地址時鐘信號，輸出給地址發生器43，產生地址信號，地址發生器43再將地址信號輸出至波形存儲器44，波形存儲器44的輸出的波形數據信號經D/A轉換單元45進行數/模轉換後輸出系統所需不同波形的電壓調製信號
如圖6所示，為本發明裝置中溫度控制模塊示意圖，為了提高系統探測的精度，需要保證毫米波組件處於恆溫狀態，恆溫控制是通過溫度控制模塊6來實現的，裝置外壁上安裝了精密的溫度傳感器61，溫度信息以電壓形式傳送給第二 A/D轉換單元62，數位訊號處理模塊5得到當前的溫度信息，通過PID溫度控制單元52驅動繼電器63控制加熱裝置64對裝置進行加熱，從而實現了閉環控制裝置溫度。所述溫度控制模塊6通過數位訊號處理模塊5內部的DSP 5509A以定時中斷方式對裝置外壁溫度進行採樣，判斷並採用PID算法對裝置進行恆溫加熱。
所述FPGA採用Altera Cyclone II晶片，晶片內部處理器採用高速並行結構，可以保證各單元同步快速實現所述功能，所述數位訊號處理模塊5採用TI公司的高速數位訊號處理器TMS320C5509A，該晶片具有200MHz的主頻，滿足信號的實時處理功能。Cyclone II晶片內嵌的RAM可以做雙埠 RAM操作，很容易配置為桌球的DMA操作流程，從而實現與 DSP 5509A總線的高速數據交換，保證了 DSP + FPGA方案的實施。
權利要求
1.一種毫米波雷達防撞探測裝置，其特徵在於包括天線(1)、毫米波收發組件(2)、中頻預處理模塊(3)、波形發生模塊(4)、系統控制模塊(5)、溫度控制模塊(6)，顯示報警模塊 (7)以及電源模塊(8)，其中，波形發生模塊(4)產生波形調製電壓輸出至毫米波收發組件 (2)，毫米波收發組件(2)產生毫米波頻段發射波形通過天線(1)輻射出去，同時通過天線 (1)接收目標反射回波，回波經過毫米波收發組件(2)後下變頻輸出中頻差拍信號，中頻預處理模塊(3)對中頻差拍信號進行自動增益控制，輸出信號經過系統控制模塊(5)進行採樣與分析處理後輸出至顯示報警模塊(7)；溫度控制模塊(6)對裝置進行溫度監控，與系統控制模塊(5 )進行雙向通訊；系統控制模塊(5 )通過顯示報警模塊(7 )與外界進行通訊和報警。
2.按權利要求1所述的一種毫米波雷達防撞探測裝置，其特徵在於所述中頻預處理模塊(3)包括前置放大器(31)、靈敏度頻率控制電路(32)以及自動增益控制電路(33)，其中前置放大器(31)接收來自毫米波收發組件(2)的回波中頻差拍信號，輸出放大後的中頻信號至靈敏度頻率控制電路(32)，靈敏度頻率控制電路(32)輸出頻率增益控制信號經自動增益控制電路(33)輸出幅度增益控制信號至系統控制模塊(5)。
3.按權利要求1所述的一種毫米波雷達防撞探測裝置，其特徵在於所述波形發生模塊(4)由FPGA控制實現，包括時鐘源(41)、分頻器(42)、地址發生器 (43)、波形存儲器(44)、D/A轉換單元(45)，其中分頻器(42)將時鐘源(41)的時鐘進行分頻得到的地址時鐘信號輸出給地址發生器(43)，地址發生器(43)產生地址信號輸出至波形存儲器(44)，波形存儲器(44)輸出的波形數據信號經D/A轉換單元(45)進行數/模轉換後輸出系統所需不同波形的電壓調製信號至毫米波收發組件(2)。
4.按權利要求1所述的一種毫米波雷達防撞探測裝置，其特徵在於所述系統控制模塊(5)包括數位訊號處理單元(51 )、PID溫度控制單元(52)、通訊接口單元(53)，系統控制模塊(5)通過數位訊號處理單元(51)與中頻預處理模塊(3)進行通訊連接，通過PID溫度控制單元(52 )與溫度控制模塊(6 )進行通訊連接，通過通訊接口單元(53 )與顯示報警模塊 (7)進行通訊連接。
5.按權利要求4所述的一種毫米波雷達防撞探測裝置，其特徵在於所述數位訊號處理單元(51)採用高速數位訊號處理器DSP，由數據採集控制與探測算法實現數據信號的處理及PID溫度算法控制。
6.按權利要求4所述的一種毫米波雷達防撞探測裝置，其特徵在於所述通訊接口單元(53)由USB、RS232、CAN多種通訊接口組成。
7.按權利要求1所述的一種毫米波雷達防撞探測裝置，其特徵在於所述溫度控制模塊(6 )包括A/D採樣單元(62 )、溫度傳感器(61)、加熱裝置(64)及繼電器(63)，其中溫度傳感器(61)信號經A/D轉換單元(62)送至系統控制模塊(5)的PID溫度控制單元(52)，繼電器(63)接收PID溫度控制單元(52)輸出的控制信，繼電器(63)的接點設於加熱裝置(64)的控制迴路中。
8.按權利要求1所述的一種毫米波雷達防撞探測裝置，其特徵在於所述天線(1)採用平面微帶天線，天線採用獨立收發控制方式。
全文摘要
本發明涉及一種毫米波雷達防撞探測裝置，波形發生模塊產生波形調製電壓輸出至毫米波收發組件，毫米波收發組件產生毫米波頻段發射波形通過天線輻射出去，同時通過天線接收目標反射回波，回波經過毫米波收發組件後下變頻輸出中頻差拍信號，中頻預處理模塊對中頻差拍信號進行自動增益控制，輸出信號經過系統控制模塊進行採樣與分析處理後輸出至顯示報警模塊；溫度控制模塊對裝置進行溫度監控，與系統控制模塊進行雙向通訊；系統控制模塊通過顯示報警模塊與外界進行通訊和報警。本發明具有測距、測速以及多目標識別功能，能夠適應各種地物雜波、惡劣的氣象條件以及工業現場大量的粉塵幹擾，可廣泛應用於各種複雜的工業現場和汽車駕駛安全領域。
文檔編號G01S13/93GK102486537SQ201010572858
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月5日 優先權日2010年12月5日
發明者李寧, 杜勁松, 畢欣, 湯俊 申請人:中國科學院瀋陽自動化研究所