專利名稱：毫米波/紅外復合探測雷達的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種車載雷達，具體地說，是涉及一種用于汽車防撞與安全駕駛的毫 米波/紅外復合探測雷達。
背景技術(shù)：
隨著我國汽車工業(yè)快速發(fā)展與高速公路迅速興建，高速公路運輸已經(jīng)成為帶動我 國經(jīng)濟發(fā)展的強大動脈，但隨之而來的交通事故頻繁發(fā)生，給國家和人民群眾生命財產(chǎn)造 成巨大損失。大量事故表明，引發(fā)交通事故的主要原因是大霧或疲勞駕駛造成不能有效地 保持車輛的安全間隔，造成追尾。高速公路交通事故的頻繁發(fā)生不僅在中國，在發(fā)達國家和 地區(qū)也嚴重危害社會，歐洲每年死于交通事故的人數(shù)高達5萬人，為預防事故的發(fā)生，在汽 車上也采取了不少措施，如安全帶，安全氣囊；采用ABS/BAS改善汽車制動性能；增加前、后 保險杠保護車體結(jié)構(gòu)等，這些措施都是被動措施，不能從根本上預防事故。上個世紀60年 代，國外曾有公司提出在汽車上安裝防撞雷達，但真正投入使用的是上個世紀90年代，歐 美、日本相繼推出幾款雷達并在高檔轎車上配置，盡管性能還不完善，沒有全面推廣，但方 向和效果是值得肯定的，美國“灰狗”長途運輸公司使用VORAD防撞雷達，僅1993年交通事 故就降低25%。汽車防撞雷達是一種主動探測設備，它能實時測出前方目標與障礙物的存在，遇 到險情提前報警。鑒于汽車防撞雷達要求體積小，重量輕，全天候工作，最具發(fā)展前景的是 毫米波技術(shù)，毫米波是目前雷達領域使用的最高頻段，與微波頻段相比，頻帶寬，分辨率高， 天線與高頻部件可以壓縮在很小空間；與激光、紅外相比，受雨、霧、雪等惡劣氣象條件影響 小，全天候性能好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種毫米波/紅外復合探測雷達，在實現(xiàn)汽車防撞與安全 駕駛的基礎上，提高雷達探測目標的距離和準確率。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下毫米波/紅外復合探測雷達，其特征在于，包括雙口徑單脈沖天線、雙通道低噪聲 收發(fā)模塊、雙通道中頻放大器、三角波調(diào)制器、信號處理器、紅外攝像機、圖像處理器、報警 顯示系統(tǒng)，所述雙口徑單脈沖天線、雙通道低噪聲收發(fā)模塊、雙通道中頻放大器、信號處理 器、報警顯示系統(tǒng)依次連接，三角波調(diào)制器分別與雙通道低噪聲收發(fā)模塊、信號處理器連 接，紅外攝像機通過圖像處理器與報警顯示系統(tǒng)連接。所述雙口徑單脈沖天線包括兩個沿H向并列排列的天線，以及接于兩個天線后端 的和差器。所述雙通道低噪聲收發(fā)模塊包括輻射源、環(huán)形器、-90°移相器、第一低噪聲放大 器、第一正交混頻器、第一 LC濾波器、第一預中放、第二低噪聲放大器、第二正交混頻器、第 二 LC濾波器、第二預中放和第二功分器；所述輻射源分別與環(huán)行器和第二功分器連接，環(huán)行器一路與和差器的和信號輸出端連接，另一路依次經(jīng)第二低噪聲放大器、第二正交混頻 器、第二 LC濾波器、第二預中放后輸出信號；-90移相器一路與和差器的差信號輸出端連 接，另一路依次經(jīng)第一低噪聲放大器、第一正交混頻器、第一 LC濾波器、第一預中放后輸出 信號；第二功分器還分別與第一正交混頻器、第二正交混頻器連接。所述輻射源由依次連接的壓控振蕩器、倍頻器、功率放大器和第一功分器組成。所述第二功分器為3dB功分器，所述第一低噪聲放大器、第二低噪聲放大器的噪 聲系數(shù)均為2dB。所述環(huán)行器為收發(fā)隔離30dB的高隔離度環(huán)形器。所述三角波調(diào)制器包括相互連接的三角波發(fā)生器、方波發(fā)生器，所述三角波發(fā)生 器與雙通道低噪聲收發(fā)模塊連接，方波發(fā)生器與信號處理器連接。所述雙通道中頻放大器包括第一高通濾波器、第一放大器、第二高通濾波器、第一 對數(shù)放大器、第三高通濾波器、第二放大器、第四高通濾波器、第二對數(shù)放大器和自動增益 控制模塊，所述第一高通濾波器一端與第一預中放的輸出端連接，另一端依次經(jīng)第一放大 器、第二高通濾波器、第一對數(shù)放大器后輸出；第三高通濾波器一端與第二預中放的輸出端 連接，另一端依次經(jīng)第二放大器、第四高通濾波器、第二對數(shù)放大器后輸出；第一對數(shù)放大 器與第二對數(shù)放大器連接，自動增益控制模塊一端與第二對數(shù)放大器的輸出端連接，另一 端與第一對數(shù)放大器和第二對數(shù)放大器的連接點連接。所述信號處理器包括依次連接DSP模塊、參數(shù)篩選模塊、報警鑒別模塊和報警距 離計算模塊，所述DSP模塊的輸入端分別與第一對數(shù)放大器的輸出端、第二對數(shù)放大器的 輸出端連接。所述報警顯示系統(tǒng)包括防撞報警器、LED線陣顯示器、IXD圖像顯示器，所述防撞 報警器、LED線陣顯示器分別與信號處理器連接，IXD圖像顯示器與圖像處理器連接。本發(fā)明采用雙通道單脈沖/調(diào)頻連續(xù)波復合體制，既可以通過調(diào)頻連續(xù)波方式測 量目標距離與速度，又可以通過雙通道單脈沖方式測量目標方位，通過方位選擇，能有效抑 制本車道以外環(huán)境干擾與反向車道目標的干擾，從而提高工作可靠性，降低目標探測的誤 報率；對于探測距離，由于探測距離越遠的有效信號，其回傳的信號將在回傳過程中衰減越 大，接收到的信號就越小，本發(fā)明通過提高靈敏度，使雙通道低噪聲收發(fā)模塊從各種干擾中 準確接收到更為弱小的有效信號，從而實現(xiàn)探測距離的增大。由于汽車防撞雷達工作環(huán)境比較復雜，既有前方車輛目標，又有路邊地物與建筑 物，因此，本發(fā)明還采用方位、幅度、速度、距離四門限篩選處理技術(shù)，有效地從背景干擾中 區(qū)分出所需要的目標信號，進一步提高探測目標的可靠性，降低目標探測的誤報率。本發(fā)明還根據(jù)大量跑車實驗總結(jié)的經(jīng)驗，建立了高精度的汽車制動距離Rss數(shù)學 模型，并據(jù)此計算出最佳的報警距離，當兩車實際距離小于或等于報警距離時，通過雙色 LED線陣顯示器顯示出來，結(jié)合從紅外攝象機傳輸過來的目標圖像經(jīng)過處理后在IXD圖像 顯示器上顯示出來，從而給使用者直觀、醒目的提示，司機能一目了然知道前方目標的距 離，以及目標的外型，以便及時發(fā)現(xiàn)目標，縮短反應時間。同時，本發(fā)明中防撞報警器在兩車 距離達到報警距離時，還會進行報警提示，從而防止使用者因其他原因沒有注意到顯示器 上顯示的情況而出現(xiàn)事故。本發(fā)明充分利用毫米波技術(shù)與紅外技術(shù)夜視成像能力的互補優(yōu)勢，從目標的探測、顯示、報警等方面進行了全方位的設計，不僅實現(xiàn)了目標的準確探測，降低了誤報率，而 且探測距離能夠高達240m，多種形式的顯示報警方式更是能夠為駕駛員爭取更多的反應時 間，從而降低事故發(fā)生幾率，使本發(fā)明的價值得到大大提升。本發(fā)明屬于汽車防撞雷達技術(shù)，主要用于客運大巴與大型運輸車輛。


圖1為本發(fā)明的原理框圖。圖2為本發(fā)明中的雙口徑單脈沖天線原理框圖。圖3為本發(fā)明中的雙通道低噪聲收發(fā)模塊原理框圖。圖4為本發(fā)明中的雙通道中頻放大器原理框圖。圖5為本發(fā)明中的信號處理器原理框圖。圖6為本發(fā)明中的信號處理器的處理流程圖。圖7為本發(fā)明中雙通道低噪聲收發(fā)模塊、三角波調(diào)制器、信號處理器的連接關系 示意圖。圖8為本發(fā)明中的LED線陣顯示器原理框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明最進一步說明。如圖1所示，本發(fā)明主要由天線、收發(fā)模塊、中頻放大器、三角波調(diào)制器、信號處理 器、報警顯示系統(tǒng)、紅外攝像及圖像處理幾大部分組成，下面一一對其詳細描述。一.天線如圖2所示，采用兩個雙口徑單脈沖天線，沿H向并列排列，天線指向一致，垂直極 化，兩根天線相位中心距為22mm，后接和差器，用于實現(xiàn)相位和差式單脈沖體制。天線口徑 為21. 4X40 (mm)矩形口徑，和差器輸出和、差信號為 式中小——目標方位角E——(t向場強幅值A——自由空間波長D——兩個天線相位中心距二.收發(fā)模塊如圖3所示，收發(fā)模塊為雙通道低噪聲收發(fā)模塊，它由壓控振蕩器(VC0)、倍頻器、 功率放大器、第一功分器構(gòu)成輻射源，經(jīng)環(huán)形器輸入到天線(E路)，由天線向外輻射?；夭?信號經(jīng)天線接收，由和差器輸出和信號E與差信號A，E經(jīng)第二低噪聲放大器(LNA)、第二 正交混頻器、第二 LC濾波器、第二預中放處理后輸出，A經(jīng)第一低噪聲放大器(LNA)、第一 正交混頻器、第一 LC濾波器、第一預中放輸出。
模塊輸出發(fā)射功率為16dBm，兩個接收通道的噪聲系數(shù)(NF)均為3. 5dB。由于差 信號與和信號有90°固定相移，故在差通道引入-90°相移，確保E與A同相。由于收發(fā)共用一付天線，對環(huán)形器隔離度提出比較高的要求，因此采用高隔離度 環(huán)形器，收發(fā)隔離30dB。為充分壓縮收發(fā)模塊的尺寸，減小雷達的體積，采用混合集成結(jié)構(gòu)，將壓控振蕩器 (VC0)、倍頻器、功率放大器、-90°相移器，以及所有的功分器、低噪聲放大器、正交混頻器、 LC濾波器、預中放集成于一塊介質(zhì)基片上，整個模塊尺寸60X 90X16 (mm)。三.三角波調(diào)制器三角波線性與對稱性是實現(xiàn)調(diào)頻連續(xù)波體制的關鍵所在，為此，本發(fā)明專門設計 的由三角波發(fā)生器和方波發(fā)生器組成的三角波調(diào)制器，能夠?qū)Ξa(chǎn)生的三角波對稱性、頻率 實現(xiàn)微調(diào)。其中，方波發(fā)生器可以進行頻率調(diào)整和對稱性調(diào)整，三角波發(fā)生器可以進行線性 度調(diào)整，使得最終產(chǎn)生的三角波具有高線性和高對稱性特點，且線性與對稱性最高可達到 0.1%。三角波調(diào)制器與其他模塊的連接關系如圖7所示。四.中頻放大器在本發(fā)明中，雙通道中頻放大器有兩個作用一，對和、差中頻信號放大到數(shù)字信 號處理所需要的電平；二，對回波信號動態(tài)范圍進行壓縮。如圖4所示，為實現(xiàn)第一個作用， 保證雙通道中頻放大器有足夠?qū)挼膭討B(tài)范圍，采用對數(shù)中放加自動增益控制(AGC)的方 法，確保80dB動態(tài)范圍；為實現(xiàn)第二個作用，采用巴特沃斯壓縮濾波器。根據(jù)雷達作用距離 方程，回波信號功率與距離四次方成反比，對應調(diào)頻連續(xù)波體制，也就是與差頻四次方成反 比，由于巴特沃斯壓縮濾波器低頻段衰減大，高頻段衰減小，頻率響應以10倍頻程40dB斜 率上升，采用這種濾波器正好彌補距離變化因素，使輸出的同一目標回波信號幅度遠近不 變。五.信號處理器信號處理器起著十分重要的作用，它能夠從復雜背景噪聲(Noise)與雜波 (Clutter)環(huán)境中篩選出所需要的目標回波信號。如圖5所示，本發(fā)明為有效的完成這種處 理，以高速數(shù)字信號處理芯片(DSP)為核心，輔以外圍器件，構(gòu)建處理平臺，并按圖6所示流 程進行處理。圖6中四個門限按不同法則進行確定，方位門限按車道寬度與探測距離設定；幅 度門限按信號平均幅度自動設定；速度門限按行車速度自動設定；距離門限按最近目標距 離自動設定?；夭ㄐ盘柦?jīng)四門限篩選，最終鎖定所需要跟蹤的目標，并給出所對應的一組目
標數(shù)據(jù)(小t，Ut，Vt，Rt)，其中方位角由雙通道單脈沖體制所產(chǎn)生，由歸一化差信號.通 過計算給出，與.關系如下式所示 式中A" t—被跟蹤目標差信號
E〃 t——被跟蹤目標和信號是在“方位篩選”程序中被計算出來的。六.紅外攝像及處理紅外攝像機采用850nm波長，16mm自動光圈鏡頭，10_4Lux超低照度紅外攝像機，在 獲取被跟蹤目標的圖象后，傳輸至圖像處理器將圖像進行不失真處理，將圖像清晰化，然后 傳輸至7英寸LCD顯示器上顯示出來，還可以通過遙控器，對LCD顯示器亮度、對比度進行 調(diào)整，使顯示的圖像更加清晰，讓使用者能夠直觀地觀察到被跟蹤目標的外型，以便及時發(fā) 現(xiàn)目標，作出相應處理。七.報警顯示系統(tǒng)報警顯示系統(tǒng)包括報警、顯示兩大部分。報警采用聲光報警，只要目標與本車之間 的距離達到預設的報警距離ra，報警裝置即進行報警。若駕駛員在一定時間內(nèi)沒有作出相 應的操作，如剎車、減速等操作，報警裝置將向剎車系統(tǒng)發(fā)出指令，直接控制剎車。本發(fā)明的基本功能主要有兩個一是對前方目標進行探測，給出被跟蹤目標的距 離Rt及其它相關數(shù)據(jù)，二是計算報警距離Ra，Ra由車速、車型、路況、司機反映時間、最小停 車間隔所決定，用公式表示Ra = V0g A t+Rss+ A R式中VQ——剎車前車速A t——司機反應時間，一般取A t = 0. 3 0. 5秒Rss——汽車制動距離A R——最小停車間隔，一般取A R = 10米汽車制動距離Rss與剎車前車速、車型、路況有關，本發(fā)明通過大量跑車試驗，建立 了一組比較準確的數(shù)學模型
0 5V2有ABS 時，干路面-X、= ，"°
1j>.oj-U. 1 jojKq
0 5V2濕路面民、=[夂
6.71
0 5V2無ABS 時，干路面凡=10.287:00 脈。
0 5V2濕路面&.=-—-
1.03 + 0.1025F0v0——剎車前車速(米/秒)此模型與Benz轎車道路試驗結(jié)果對比，在100米制動距離范圍內(nèi)，誤差不超過1 米。根據(jù)上述模型計算出來的報警距離準確率很高，能夠為駕駛員爭取盡可能多的時間。除了報警裝置的提示外，顯示器還可以將實時檢測的目標數(shù)據(jù)顯示出來。顯示的 目標數(shù)據(jù)一般包括c^、Ut、Vt、Rt，其中(tt、Vt以數(shù)碼方式顯示，Ut用于調(diào)正幅度門限，目標 距離Rt由雙色LED線陣顯示器進行顯示，LED線陣顯示器的組成框圖如圖8。針對240米 的測量范圍，采用40個雙色LED燈按“一”字形排列，每個LED燈覆蓋6米范圍，當目標距 離Rt落入某個燈覆蓋的范圍時，該燈由綠色變?yōu)榧t色，從而給使用者以提示。本發(fā)明中，雷達工作載頻29. 5GHz,雷達輻射功率16dBm，雷達天線增益23dB，雷達噪聲系數(shù)3. 5dB，雷達探測距離240米，紅外探測響應波長850nm，紅外探測靈敏度 10_4Lux，紅外探測距離250米，系統(tǒng)供電12V/2A，其基本工作過程如下雷達部分，由雙通道低噪聲收發(fā)模塊輸出線性調(diào)頻連續(xù)波信號，經(jīng)雙口徑單脈沖 天線和通道(E )向外輻射，輻射電磁波碰到目標反射，由雙口徑單脈沖天線輸出和信號E 和差信號A，E與A經(jīng)雙通道低噪聲收發(fā)模塊進行低噪聲放大、混頻、輸出差頻信號，再經(jīng) LC濾波、預中放放大，輸出和信號E'與差信號A ‘。E'與A'輸入到雙通道中頻放大 器，經(jīng)中頻放大器濾波、放大，輸出E"與A"，E"與A"是信號處理器輸入的原始模擬 信號，其中E “頻率含有目標距離與速度信息，A “幅度含有目標方位信息，E “與△"經(jīng) 信號處理器處理，提取目標方位、幅度、速度、距離信息，再經(jīng)四門限篩選，最終輸出所要跟 蹤目標的距離Rt與速度Vt。距離Rt有兩個用途，一是輸入到LED線陣顯示器顯示，二是與 報警距離RA進行比較，當Rt < RA發(fā)出報警，報警信號一是輸入到防撞報警器驅(qū)動聲光報警， 二是產(chǎn)生剎車指令控制剎車。LED線陣顯示器由編碼器、LED驅(qū)動器、LED線陣顯示器依次 連接組成。紅外部分，由紅外攝像機輸出目標的圖像信號，經(jīng)圖像處理器處理后，輸入到IXD 圖像顯示器顯示出來。
權(quán)利要求
毫米波/紅外復合探測雷達，其特征在于，包括雙口徑單脈沖天線、雙通道低噪聲收發(fā)模塊、雙通道中頻放大器、三角波調(diào)制器、信號處理器、紅外攝像機、圖像處理器、報警顯示系統(tǒng)，所述雙口徑單脈沖天線、雙通道低噪聲收發(fā)模塊、雙通道中頻放大器、信號處理器、報警顯示系統(tǒng)依次連接，三角波調(diào)制器分別與雙通道低噪聲收發(fā)模塊、信號處理器連接，紅外攝像機通過圖像處理器與報警顯示系統(tǒng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波/紅外復合探測雷達，其特征在于，所述雙口徑單脈沖 天線包括兩個沿H向并列排列的天線，以及接于兩個天線后端的和差器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的毫米波/紅外復合探測雷達，其特征在于，所述雙通道低噪 聲收發(fā)模塊包括輻射源、環(huán)形器、-90°移相器、第一低噪聲放大器、第一正交混頻器、第一 LC濾波器、第一預中放、第二低噪聲放大器、第二正交混頻器、第二 LC濾波器、第二預中放 和第二功分器；所述輻射源分別與環(huán)行器和第二功分器連接，環(huán)行器一路與和差器的和信 號輸出端連接，另一路依次經(jīng)第二低噪聲放大器、第二正交混頻器、第二 LC濾波器、第二預 中放后輸出信號；-90°移相器一路與和差器的差信號輸出端連接，另一路依次經(jīng)第一低噪 聲放大器、第一正交混頻器、第一 LC濾波器、第一預中放后輸出信號；第二功分器還分別與 第一正交混頻器、第二正交混頻器連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的毫米波/紅外復合探測雷達，其特征在于，所述輻射源由依次 連接的壓控振蕩器、倍頻器、功率放大器和第一功分器組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的毫米波/紅外復合探測雷達，其特征在于，所述第二功分器為 3dB功分器，所述第一低噪聲放大器、第二低噪聲放大器的噪聲系數(shù)均為2dB。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的毫米波/紅外復合探測雷達，其特征在于，所述環(huán)行器為收發(fā) 隔離30dB的高隔離度環(huán)形器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波/紅外復合探測雷達，其特征在于，所述三角波調(diào)制器 包括相互連接的三角波發(fā)生器、方波發(fā)生器，所述三角波發(fā)生器與雙通道低噪聲收發(fā)模塊 連接，方波發(fā)生器與信號處理器連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的毫米波/紅外復合探測雷達，其特征在于，所述雙通道中頻放 大器包括第一高通濾波器、第一放大器、第二高通濾波器、第一對數(shù)放大器、第三高通濾波 器、第二放大器、第四高通濾波器、第二對數(shù)放大器和自動增益控制模塊，所述第一高通濾 波器一端與第一預中放的輸出端連接，另一端依次經(jīng)第一放大器、第二高通濾波器、第一對 數(shù)放大器后輸出；第三高通濾波器一端與第二預中放的輸出端連接，另一端依次經(jīng)第二放 大器、第四高通濾波器、第二對數(shù)放大器后輸出；第一對數(shù)放大器與第二對數(shù)放大器連接， 自動增益控制模塊一端與第二對數(shù)放大器的輸出端連接，另一端與第一對數(shù)放大器和第二 對數(shù)放大器的連接點連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的毫米波/紅外復合探測雷達，其特征在于，所述信號處理器包 括依次連接DSP模塊、參數(shù)篩選模塊、報警鑒別模塊和報警距離計算模塊，所述DSP模塊的 輸入端分別與第一對數(shù)放大器的輸出端、第二對數(shù)放大器的輸出端連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波/紅外復合探測雷達，其特征在于，所述報警顯示系 統(tǒng)包括防撞報警器、LED線陣顯示器、IXD圖像顯示器，所述防撞報警器、LED線陣顯示器分 別與信號處理器連接，IXD圖像顯示器與圖像處理器連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種毫米波/紅外復合探測雷達，屬于汽車防撞雷達技術(shù)，主要解決了現(xiàn)有技術(shù)探測距離短、誤報率高的問題。該毫米波/紅外復合探測雷達，包括雙口徑單脈沖天線、雙通道低噪聲收發(fā)模塊、雙通道中頻放大器、三角波調(diào)制器、信號處理器、紅外攝像機、圖像處理器、報警顯示系統(tǒng)，所述雙口徑單脈沖天線、雙通道低噪聲收發(fā)模塊、雙通道中頻放大器、信號處理器、報警顯示系統(tǒng)依次連接，三角波調(diào)制器分別與雙通道低噪聲收發(fā)模塊、信號處理器連接，紅外攝像機通過圖像處理器與報警顯示系統(tǒng)連接。本發(fā)明探測距離高達240m，且探測準確率高，具有極高的應用價值。
文檔編號G01S13/93GK101876707SQ20091026350
公開日2010年11月3日 申請日期2009年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月21日
發(fā)明者曲常斌, 薛良金 申請人:薛良金;曲常斌