一種調頻連續波汽車防撞雷達系統的製作方法

2023-11-04 02:06:42

專利名稱：一種調頻連續波汽車防撞雷達系統的製作方法
ー種調頻連續波汽車防撞雷達系統
技術領域：
本發明屬於FMCW汽車防撞雷達測距測速技術領域，提出了ー種FMCW雷達測距測速系統，可以精確測量較遠範圍內的目標的距離和速度，並靈敏地採取相應措施
背景技木汽車雷達的研究始於20世紀60年代，早期受元器件的限制發展比較緩慢。隨著集成電路的進步，雷達的製造成本下降。同時順應汽車業的發展，汽車雷達技術迅速興起。根據公路交通汽車事故分析表明80%以上的車禍是由於司機反應不及時或判斷失誤造成的。計算表明司機反應遲緩I秒鐘，時速60km的汽車可前進約17m，由此就會產生不堪設想的嚴重後果，若在夜間或是惡劣氣象條件下，能見度低，司機視距短，中高速行駛時很難及時發現前方障礙物並採取必要措施。統計表明在撞車事故中，45%是司機未看清前方 有車，30%雖發現有車但未及時採取措施。根據德國Daimler-Benz公司對汽車事故的研究證明若司機能提早0. 5秒鐘意識到危險並採取措施，可避免迎面碰撞事故30%，追尾事故50%，若提早I秒鐘採取措施則絕大多數事故可避免，因此汽車防撞雷達應運而生。防撞雷達系統對於提高交通安全，減少事故損失起到了重要作用，其研究具有極大地現實意義和廣闊的應用前景。而常用的雷達技術中，超聲波雷達雖然價格低廉技術成熟，但器方向性較差，同時使用距離也很短，探測無法產生窄的波束，現多應用於倒車雷達系統中；而雷射雷達雖然方向性好，能在某種程度上穿透霧氣和水汽，但容易受到天氣，積塵等的嚴重影響；而微波雷達作用距離比較遠，可達200米，且對雨滴，霧氣，沙塵的穿透力比較強，受不良天氣影響很小，因而應用前景比較大。毫米波的頻率大約為30-300GHZ，波長介於I-IOmm之間，其波長短，頻帶寬，穿透能力強等等諸多優點，使成為汽車前視雷達的主流技術。汽車防撞雷達的工作體制主要分為連續波體制(FMCW)和脈衝體制兩種。脈衝測距的原理比較簡單，雷達向外發射脈衝信號，接受目標反射的回波信號，通過兩者之間的時間差來計算目標距離，根據都卜勒頻移來計算目標的徑向速度。脈衝體制適用於遠距離目標，而作用距離為l_200m的汽車防撞雷達要求脈衝寬度很窄，技術難度很大，同時脈衝方式要求發射峰值功率大，測量多目標困難。FMCW雷達由於其射頻前端的複雜性最低，峰值功率低，最小作用距離比較小，中頻帶寬比較低等優勢，在微波雷達中的研究和應用尤為普遍。而由於收發隔離度不好，故常使用收發分離的兩副天線。FMCW雷達通過發射天線向外發射一列連續調頻毫米波,利用接收天線接收來自目標的反射信號，根據接收信號與發射信號的時間差來測量目標物體的距離。FMCW雷達已經提出很多年了，但這種雷達由於受洩露調製波的影響，作用距離比較小，速度和距離測量的精度也不高，應對措施也比較呆板単一。在本發明中在模擬前端中使用濾波器濾除洩露調製波，利用自動增益放大器放大中頻信號，有效的實現了精確的測速和測距，同時應對不同的測量結果，採取多種不同的措施來提醒駕駛員，有效的防止追尾碰撞的發生。

發明內容FMCff雷達中頻信號經過濾波，自適應放大等ー些處理之後，再經過A/D採樣變成數位訊號之後即可進行靈活的數位訊號處理，下面所提到的中頻信號都是指數位化之後的信號。為了提高該FMCW汽車防撞雷達系統的性能，本發明提出一系列措施來提高測速測距精度，使系統靈敏有效。本發明共包括6個組成部分，分別是雷達傳感器模塊(I)，洩漏調製波濾波模塊
(2)、自動增益控制放大模塊(3)、模數轉換模塊(4)、數位訊號處理模塊(5)和多種相應反應裝置出)。雷達傳感器產生調製信號，經過壓控振蕩器後一部分輸送給發射天線，一部分傳至混頻器。天線發出的信號經目標反射後由接收天線接收，接收到的信號傳入混頻器與VCO的部分信號進行混頻，然後輸出到濾波器(1)，先通過合適的低通濾波器，濾除其中的高頻成分，然後採用高通濾波器或者自適應濾波器濾掉洩露調製波(2)，採用自動增益控制 放大器對不同距離產生的信號進行相應的放大，以便於信號的處理(3)，經過模數轉換器得到目標對應的中頻信號(4)，在數位訊號處理裝置中對中頻信號採用FFT變換進行頻譜分析，將分析的結果進行轉換，得到速度和距離信息(5)，根據距離和速度的不同，採取相應的反應⑶。FMCW雷達受壓控振蕩器寄生調幅的影響，使得最後產生的中頻信號中包含一幅值固定的洩露調製波，而中頻信號中包含距離信息的信號部分的幅度與距離R的4次方成的反比，隨著距離的增加，有用信號將會淹沒在洩露信號中，從而極大的限制了 FMCW雷達的測距距離。因而有效地濾除洩露調製信號非常重要。在本發明中採用模擬高通濾波器或者自適應濾波器可以很好的滿足要求。

圖I雷達測速測距原理2雷達傳感器框3自動增益放大器原理4 一種調頻連續波(FMCW)汽車防撞雷達系統結構圖具體實施方式本發明的FMCW雷達測距測速系統採用下述步驟實現雷達傳感器模塊中的函數發生器產生調製信號，即頻率可調的三角波或者鋸齒波，調製信號傳送至壓控振蕩器進行調頻，得到頻率按調製波形變化的毫米波信號。其中要求此壓控振蕩器的線性度儘可能的高，以減小洩露，提高測量精度。VCO的中心頻率可以採用24G，40G，76G-79G等頻段，具體可以根據不同的距離和車型進行配置。比如24GHz用於低速檢測和控制，40GHz左右用於大型車輛的識別，76-79GHZ用於小型車輛的識別。VCO產生的毫米波信號一部分能量直接傳送至混頻器，一部分傳送到發射天線，發射出去的能量遇到障礙物返回後由接收天線接收，然後傳送至混頻器與原毫米波進行混頻，產生包含中頻信號，高頻信號和洩露調製信號的混合信號。混合信號進入濾波模塊後先用低通濾波器濾除高頻成分，然後選用高通濾波器或者自適應濾波器濾除洩露調製信號，得到目標中頻模擬信號。然後對中頻模擬信號進行自動增益控制放大，使信號的幅度在固定範圍之類，以便於數字處理，在對信號進行模數轉換，即進入數字處理部分。在該部分先通過FFT變換進行頻譜分析，得到頻率信息後轉化為目標的距離和速度信息，對用不同的目標，採取不同的反應措施。當調製波形為三角波吋，設三角波周期為T，由此產生的調頻信號掃頻帶寬為A F。發射機發射信號ft，頻率也用ft表示；同波信號和ち2，頻率也用fri和f；2表示。發射信號與回波信號經混頻器混頻輸出中頻信號IF，且fIF = (frl+fr2)/2D雷達測距的距離公式為R =告·可見，R與fIF成正比，如果能夠測出中頻頻率fIF，也就可以得出R，這就是雷達測距的基本思路。雷達測速的速度公式為V= し『.ム丨，其中c為光速，這是雷達測速的基本
思路。所以在頻譜分析得到兩個中頻信號的頻率後，即通過此變換將其轉換為距離和速度信息。對於不同的速度和距離的目標，採取多祥的反應。具體情況如下當前方目標的距離在IOOm開外時，僅顯示其距離速度信息。當目標距離在IOOm以內時，顯示器距離和速度信息的同時，啟動警報器，播放音樂，隨著距離的逐漸縮短，音樂的節奏逐步加快，當距離小於IOm時，或者在5s可能相撞時制動控制裝置起作用。另外對不同的距離和速度信息採用不同的顏色顯示，以便產生警示作用，如以當前速度5s以內可能相撞時顯示為紅色，5s-20s可能相撞時顯示為黃色，30s開外則顯示為緑色。也可以在顯示器中加入專門的顯示燈，類似於紅綠燈的形式加以警示等等多祥化的處理方式充分地提醒駕駛員注意行車安全。
權利要求
1.一種調頻連續波(FMCW)汽車防撞雷達系統，其特徵在於組成部分包括雷達傳感器(1)，濾波器(2)、自動增益放大器(3)，模數轉換器(4)，數位訊號處理器(5)及相應的反應裝置出)。雷達傳感器輸出處理過的目標反射信號，其中包含由高頻信號，中頻信號和洩露調製信號(I)，採用濾波器濾除調製洩露調製信號及高頻成分(2)，然後通過模數轉換器將模擬信號轉換為數位訊號(3)，對濾波後的信號通過自動增益放大器進行放大(4)，經過數位訊號處理器提取前方車輛的距離和速度信息(5)，然後根據不同測量結果採取相應的措施(6)。
2.權利要求書I所述的FMCW汽車防撞雷達系統，其特徵在於雷達傳感器可以採用24GHz和76GHz等多個微波頻段。
3.權利要求書I所述的FMCW雷達測距測速電路系統，其特徵在於雷達傳感器中的輸入調製信號由函數發生器產生，可以為三角波或者鋸齒波，調製信號的頻率可調，頻率低至幾十到幾百赫茲。
4.權利要求書I所述的FMCW汽車防撞雷達系統，其特徵在於對雷達傳感器輸出的信號採用模擬濾波器濾除混合信號中的洩露的調製波及高頻信號，採用合適的低通濾波器先濾除其中的高頻成分，然後選用高通濾波器或者自適應濾波器等濾除洩露調製信號。
5.權利要求書I所述的FMCW汽車防撞雷達系統，其特徵在於對濾波後的中頻信號進行自動增益放大，主要是根據目標的距離不同，相應的對中頻信號進行不同程度的放大。
6.權利要求書I所述的FMCW汽車防撞雷達系統，其特徵在於數位訊號處理器對信號進行FFT變換，確定中頻信號的頻率，通過轉換即可得到距離和速度信息。
7.權利要求書I所述的FMCW汽車防撞雷達系統，其特徵在於對測量的距離和速度信息進行檢測，並採取相應的反應，根據結果的不同，分別或者同時採用顯示速度距離信息，語音報警，制動控制等措施。
全文摘要
本發明涉及一種調頻連續波(FMCW)汽車防撞雷達系統，屬於汽車防護技術領域。本系統可以測量目標的距離和速度，有效地實現汽車防撞。其組成部分有雷達傳感器，濾波器，自動增益控制放大器，模數轉換器，數位訊號處理器以及相應的預警裝置。經過雷達傳感器後得到信號，其中包含有洩露的調製信號，中頻信號和高頻信號，用濾波器濾除洩露調製波及高頻成分。在數位訊號處理中用FFT進行頻譜分析，將頻率測量結果轉化成距離信息和速度信息。根據測量結果的不同採取不同的報警方式。其最大作用距離可達150m，距離分辨力為1m，速度分辨力為1m/s，工作環境為-40°--80°。
文檔編號G01S13/93GK102788980SQ20121002666
公開日2012年11月21日 申請日期2012年2月7日 優先權日2012年2月7日
發明者唐玲, 孟繁宇, 張興, 徐峰, 李燕紅, 王新安, 王正鑫, 黃利君 申請人:北京大學深圳研究生院