专利名称：一种汽车主动防撞雷达装置的制作方法
技术领域：
本发明属于雷达通信和汽车电子技术领域，特别是一种汽车主动防撞雷达装置。
背景技术：
随着汽车工业的发展，无论是厂家还是消费者开始对汽车行驶安全问题越来越重视。在交通事故统计中，约85%的汽车追尾碰撞是因为驾驶员的疏忽大意而照成的。因此，如何控制或避免汽车碰撞成为了研究热点，汽车防撞雷达技术受到了越来越多人的重视，正在日益成为衡量汽车安全性能的一个重要技术。与超声波、红外线、激光等汽车防撞雷达相比，毫米波汽车防撞雷达具有带宽大、分辨率高、部件尺寸小、质量轻、体积小、能适应恶劣的天气环境以及全天候工作等特点，同时不仅可以探测目标的距离，还可以测量出目标的相对速度和方位角，具有较好的适应性和稳定性。探测技术和波束形成技术的优劣直接影响汽车防撞雷达的精度和准确度，近些年来汽车防撞雷达技术得迅速的发展，其发展趋势包括以下几种:第一，采用超声波、激光等单波束探测技术，同时使用多套传感器及信号处理设备来实现汽车前方多角度探测，例如中国专利多探头天线汽车倒车后视防撞雷达(专利号97237819.7)、一种汽车防撞雷达报警装置(专利号200620004241.4)、一种汽车防撞激光雷达系统处理告警信息的方法及装置(专利号201010229331.4)，但因超声波和激光受天气状况影响较大而不能大量使用，同时多套传感器探测成本大大增加；第二，采用微波、毫米波单波束探测，波束窄、分辨率高是其优点，例如中国专利毫米波汽车防撞雷达装置(专利号01211040.X)、全数字智能型汽车防撞雷达(专利号200820213509.4)，但因为只是单波束探测，大大限制了汽车防撞雷达的探测范围，其弥补的办法是使用多套雷达探测系统放置在不同角度同时进行探测，终因成本大大增加而使方案变得不可行；第三，采用微波、毫米波频率相控阵实现多波束的扫描，波束因频率的不同指向发生变化，例如微波汽车防撞驾驶雷达装置(专利号200320120396.0)，但工作频带较窄是其先天不足，直接限制了波束扫描的探测范围。综上所述，目前汽车防撞雷达技术普遍存在受环境影响大、成本高、探测范围窄、稳定性差等缺陷，不能保障汽车在驶过程中的安全性。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种探测范围大、重量轻、体积小、工作可靠、分辨率高、适应性好的汽车主动防撞雷达装置，该装置可以用来测距、测速还可以确定目标方位。实现本发明目的的技术解决方案为:一种汽车主动防撞雷达装置，天线阵、Butler矩阵多波束馈电分配/合成器、毫米波收发组件、波形发生器、中频放大电路、信号处理电路、显示告警模块和电源模块，其中波形发生器、中频放大电路均与毫米波收发组件连接，同时毫米波收发组件还通过Butler矩阵多波束馈电分配/合成器与天线阵连接，中频放大电路通过信号处理电路接入显示告警模块，所述电源模块分别与Butler矩阵多波束馈电分配/合成器、毫米波收发组件、波形发生器、中频放大电路、信号处理电路、显示告警模块的电源输入端连接；所述波形发生器产生三角波电压输出至毫米波收发组件，毫米波收发组件产生毫米波发射波形输出至Butler矩阵多波束馈电分配/合成器，Butler矩阵多波束馈电分配/合成器调节毫米波发射波形的相位和幅度形成不同指向的多波束，最后再由天线阵辐射出去，同时通过天线阵接收目标反射回波由Butler矩阵多波束馈电分配/合成器进行信号合成，经过毫米波收发组件下变频输出中频差拍信号，中频放大电路对中频差拍信号进行自动增益控制后输出至信号处理电路进行采样、分析与处理，最后输出至显示告警模块与外界进行通信和报警。本发明与现有技术相比，其显著优点:(1)采用了 Butler矩阵作为馈电网络，实现了多波束赋形，使发射为平顶(宽)波束增加动态探测范围，接收为窄(单)波束定向接收；
(2)大大减少了中频通道数量，探测精度更高、探测方向动态范围更大；(3)通过计算多普勒频移得到探测目标的距离和相对速度，对运动目标和静止目标都具有很好的检测性能；
(4)在Butler矩阵电路的具体实现方面，采用了较为先进轻巧的基片集成波导(SIW)工艺技术设计完成，节省了系统装置所占空间。
图1为本发明汽车主动防撞雷达装置的总体结构示意图。图2为本发明汽车主动防撞雷达装置的波形发生器结构示意图。图3为本发明汽车主动防撞雷达装置的毫米波收发组件结构示意图。图4为本发明汽车主动防撞雷达装置的Butler矩阵多波束馈电分配/合成器结构示意图。图5本发明汽车主动防撞雷达装置的Butler矩阵电路结构示意图。图6为本发明汽车主动防撞雷达装置的多波束发射示意图。图7为本发明汽车主动防撞雷达装置的中频放大电路结构示意图。图8为本发明汽车主动防撞雷达装置的信号处理电路结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做出进一步详细说明。结合图1，本发明汽车主动防撞雷达装置，包括天线阵1、Butler矩阵多波束馈电分配/合成器2、毫米波收发组件3、波形发生器4、中频放大电路5、信号处理电路6、显示告警模块7和电源模块8，其中波形发生器4、中频放大电路5均与毫米波收发组件3连接，同时毫米波收发组件3还通过Butler矩阵多波束馈电分配/合成器2与天线阵I连接，中频放大电路5通过信号处理电路6接入显示告警模块7，所述电源模块8分别与Butler矩阵多波束馈电分配/合成器2、毫米波收发组件3、波形发生器4、中频放大电路5、信号处理电路6、显示告警模块7的电源输入端连接。本发明汽车主动防撞雷达装置的具体工作过程为:波形发生器4产生三角波电压输出至毫米波收发组件3，毫米波收发组件3产生毫米波发射波形输出至Butler矩阵多波束馈电分配/合成器2，Butler矩阵多波束馈电分配/合成器2调节毫米波发射波形的相位和幅度形成不同指向的多波束，最后再由天线阵I辐射出去，同时通过天线阵I接收目标反射回波由Butler矩阵多波束馈电分配/合成器2进行信号合成，经过毫米波收发组件3下变频输出中频差拍信号，中频放大电路5对中频差拍信号进行自动增益控制后输出至信号处理电路6进行采样、分析与处理，最后输出至显示告警模块7与外界进行通信和报警。本系统工作频段为Ka波段。结合图2，本发明汽车主动防撞雷达装置的波形发生器4包括顺次相连的基准时钟41、整数及小数分频器42、地址发生器43、波形映射表44和D/A转换器45，D/A转换器45的输出端接入毫米波收发组件3。其中FPGA采用Altera公司Cyclone IV EP4CE15芯片，与信号处理电路6共用一片FPGA ;基准时钟源41采用高稳定度的IOOMHz晶振；地址发生器43和波形映射表44的实现采用Matlab软件计算并导出数据，再编写Mif文件烧写入FPGA,完成ROM制作；D/A转换器45采用ADI公司产品AD5445。波形发生器4的具体工作过程为:整数及小数分频器42将基准时钟41的时钟进行分频得到准确的地址时钟信号输出给地址发生器43，地址发生器43产生地址编码信号输入至波形映射表44,波形映射表44输出波形数据信号至D/A转换器45从而输出系统所需要的各种电压调制信号波形至毫米波收发组件3。结合图3，本发明汽车主动防撞雷达装置的毫米波收发组件3包括VC036、谐波混频器39、锁相环35、滤波器30、耦合器34、混频器38和前置滤波器33，其中VC036的输入端与D/A转换器45的输出端相连，VC036的输出端接入谐波混频器39的中频输入端，谐波混频器39的本振输入端与锁相环35连接，谐波混频器39的射频输出端经过滤波器30接入耦合器34，耦合器34的支线输出端与混频器38的本振输入端相接，耦合器34主线输出端接入Butler矩阵多波束馈电分配/合成器2，前置滤波器33的输出端接入混频器38。耦合器34采用微带结构的Wilkinson定向耦合器；锁相环35芯片采用ADI公司的产品ADF4106，其配置单片机采用MST430，产生17GHz的本振源信号；谐波混频器39采用Hittite公司产品HMC339，该芯片为二次谐波混频器，输出频率范围满足系统Ka频段要求；混频器38采用Hittite公司产品HMC329，可用频率范围为25_40GHz ;前置滤波器33采用声表滤波器。毫米波收发组件3的具体工作过程为:VC036受到三角波输入的控制，产生频率随时间按三角波规律线性变化的调频信号，该信号中心频率较低，输入至谐波混频器39的中频输入端，谐波混频器39的本振端输入由锁相环35产生，谐波混频器39射频输出端信号经过滤波器30滤除镜像频率后送入耦合器34并从支线输出的信号用于混频器38的本振输入，从耦合器34主线输出的是输出发射信号送入Butler矩阵多波束馈电分配/合成器2，前置滤波器33将接收到的输入回波信号滤除杂波后输出至混频器38与本振输入进行下混频，从而实现中频输出。结合图4，本发明汽车主动防撞雷达装置的Butler矩阵多波束馈电分配/合成器2包括一分多路功率分配器28、功率放大器25、环形器23、Butler矩阵22、LNA24和单刀双掷开关27，且一分多路功率分配器28的输入端与耦合器34的主线输出端连接，一分多路功率分配器28的每路输出端均通过该路功率放大器25与该路环形器23的发射输入端口相连，各路环形器23的发射输出端口与Butler矩阵22的对应输入端相连，Butler矩阵22的发射输出端接入天线阵1，各路环形器23的接收输出端口经LNA24接入单刀双掷开关27。一分多路功率分配器28采用Wilkinson功率分配器结构实现；Butler矩阵22采用3*8结构实现；环形器23采用南京广顺电子技术研究所生产的波导环形器BH320-21，其中接口转换采用微带转波导的鳍线结构；功率放大器25采用Mini公司产品ERA-21SM放大器芯片；单刀双掷开关27采用微带结构实现，其中开关单元采用M/A-C0M公司生产的PIN 二极管MA4AGBLP912。Butler矩阵多波束馈电分配/合成器2使用Butler矩阵实现减少了中频通道的数量，发射时采用平顶波束形成技术，接收时采用窄波束定向切换通道接收技术，具体工作过程为:一分多路功率分配器28由发射信号输入经过等功率多路分配输出至各路的功率放大器25，功率放大器25输出至环形器23的发射端入口，环形器23输出至Butler矩阵22的输入端，Butler矩阵22的输出端接天线阵1，实现多(宽)波束的发射，回波信号经过天线阵I接收输入至Butler矩阵22网络，进行波束合成后各输出端口分别输出至环形器23，环形器23接收输出端口经LNA24将信号放大后输出至单刀双掷开关27，单刀双掷开关27受FPGA控制信号的控制实现回波信号的多路选择，输出接收信号至毫米波收发组件3，实现了单(窄)波束接收，更好的测算目标的方位、距离及相对速度。结合图5，本发明汽车主动防撞雷达装置的Butler矩阵22为M*N的矩阵，由3dB电桥222和移相器223组成，其中3dB电桥222采用正交混合网络，移相器223采用Schiffman移相器。Butler矩阵22为3*8结构，采用较为先进轻巧的基片集成波导(SIW)技术工艺设计实现。Butler矩阵22的具体工作过程为:在系统发射状态下端口 221为输入端口 M个，端口 224为输出端口 N个，在系统接收状态下端口 221为输出端口 M个，端口 224为输入端口 N个。该电路结构的主要功能是将每个输入端口的信号幅度等分、相位重新分配到每个输出端口，形成不同的入射波前，实现波束赋形，其中3dB电桥222采用正交混合网络实现，移相器223采用SchifTman移相器实现信号相位的调节。结合图6，本发明汽车主动防撞雷达装置的多波束发射示意图，该示意图中以8波束赋形为例讲解，射频发射信号经过Butler矩阵22赋形后形成8个不同的入射波前，输出到由8个天线子阵构成的天线阵1，通过天线辐射出去即可形成如示意图所示的波束1-波束珊的主瓣。克服了毫米波波束窄，扫描动态范围小的缺陷，实现毫米波大动态范围扫描，即平顶(宽)波束发射。在系统处于接收状态时，由FPGA控制各路的通断，实现对其中某一波束的定向接收或逐个扫描定向接收，实现窄波束接收机，提高探测定位精确度。所述天线阵I采用平面微带天线阵列，收发共用，使用SMA头对其馈电。结合图7，本发明汽车主动防撞雷达装置的中频放大电路5包括前置低噪声放大器52和滤波匹配网络53，前置低噪声放大器52的输入端与混频器38的输出端相接，前置低噪声放大器52的输出端接入滤波匹配网络53的输入端。前置低噪声采用Analog公司的AD795配合外围电路的构建，可以获得固定的20dB的增益；滤波匹配网络53采用电容、电感设计9阶椭圆滤波器组成。中频放大电路5的具体工作过程为:前置低噪声放大器52将中频输入51放大输出至滤波匹配网络53滤去杂波信号，再输出至信号处理电路6处理。结合图8，本发明汽车主动防撞雷达装置的信号处理电路6包括A/D转换电路62、FPGA69、系统配置电路64、系统自检模块60、JTAG和AS接口 65、数据存储63、以太网通信接口模块(66)、USB通信接口模块(67)和CAN总线模块(68) ；A/D转换电路62的输入端与滤波匹配网络53的输出端连接，A/D转换电路62、系统配置电路64、系统自检模块60和JTAG和AS接口 65的输出端均接入FPGA69，FPGA69的一路输出端接入数据存储63，另外三路输出端分别接入以太网通信接口模块66、USB通信接口模块67和CAN总线模块68，且以太网通信接口模块66、USB通信接口模块67和CAN总线模块68的输出端均与显示告警模块7连接；所述系统自检模块60内集成了温度传感器、湿度传感器以及压力传感器。以Altera公司最新高性能Cyclone IV EP4CE15芯片为核心，配置了 10M/100M以太网通信接口、USB接口和CAN总线接口，同时配置了可以在线调试和仿真的JTAG接口和程序下载的AS接口，A/D转换电路62采ADI公司产品AD9224配合外围电路构成。数据存储63采用两片CypressSemiconductor的CY7C1370D芯片配合外围电路构成，可以提供36Mbit的SRAM，用于存放数据。信号处理电路6的具体工作过程为:系统配置电路64保证FPGA69实现正常工作，JTAG和AS接口 65为FPGA69提供程序的下载和在线仿真调试功能，A/D转换电路62将输入的模拟信号数字化后输出至FPGA69，经过FPGA69的分析与处理分别实现四路的输出，一路输出至数据存储63保存采样数据，另外三路分别通过以太网通信接口模块66、USB通信接口模块67和CAN总线模块68输出至显示告警模块7实现通讯连接，系统自检模块60内集成了温度、湿度以及压力传感器，实时监测系统的工作状态，并将结果输出至FPGA69使数据分析与处理精确度更高。本发明汽车主动防撞雷达系统，使用Butler矩阵来实现发射时平顶波束形成技术，接收时采用窄波束定向切换通道接收技术，同时大大减少了中频通道的数量，在体制方面使用了线性调频连续波体制，使得整套系统具有探测动态范围大、重量轻、体积小，工作可靠、分辨率高和全天候的特点，具有测距、测速以及多目标动态识别跟踪功能，波束切换速度快、成本低、可靠性高、搜索面积大、抗干扰性能强，可广泛应用于各种于各种复杂的工业现场和汽车驾驶安全领域。
权利要求
1.一种汽车主动防撞雷达装置，其特征在于包括:天线阵(l)、Butler矩阵多波束馈电分配/合成器(2)、毫米波收发组件(3)、波形发生器(4)、中频放大电路(5)、信号处理电路(6)、显示告警模块(7)和电源模块(8)，其中波形发生器(4)、中频放大电路(5)均与毫米波收发组件(3)连接，同时毫米波收发组件(3)还通过Butler矩阵多波束馈电分配/合成器(2)与天线阵(I)连接，中频放大电路(5)通过信号处理电路(6)接入显示告警模块(7)，所述电源模块(8)分别与Butler矩阵多波束馈电分配/合成器(2)、毫米波收发组件(3)、波形发生器(4)、中频放大电路(5)、信号处理电路(6)、显示告警模块(7)的电源输入端连接； 所述波形发生器(4)产生三角波电压输出至毫米波收发组件(3)，毫米波收发组件(3)产生毫米波发射波形输出至Butler矩阵多波束馈电分配/合成器(2)，Butler矩阵多波束馈电分配/合成器(2)调节毫米波发射波形的相位和幅度形成不同指向的多波束，最后再由天线阵(I)辐射出去，同时通过天线阵(I)接收目标反射回波由Butler矩阵多波束馈电分配/合成器(2)进行信号合成，经过毫米波收发组件(3)下变频输出中频差拍信号，中频放大电路(5)对中频差拍信号进行自动增益控制后输出至信号处理电路(6)进行采样、分析与处理，最后输出至显示告警模块(7)与外界进行通信和报警。
2.根据权利要求1所述的汽车主动防撞雷达装置，其特征在于，所述波形发生器(4)包括顺次相连的基准时钟(41)、整数及小数分频器(42)、地址发生器(43)、波形映射表(44)和D/A转换器(45 )，D/A转换器(45 )的输出端接入毫米波收发组件(3 )。
3.根据权利要求1所述的汽车主动防撞雷达装置，其特征在于，所述毫米波收发组件(3)包括VCO(36)、谐波混频器(39)、锁相环(35)、滤波器(30)、耦合器(34)、混频器(38)和前置滤波器(33)，其 中VCO (36)的输入端与D/A转换器(45)的输出端相连，VCO (36)的输出端接入谐波混频器(39)的中频输入端，谐波混频器(39)的本振输入端与锁相环(35)连接，谐波混频器(39)的射频输出端经过滤波器(30)接入耦合器(34)，耦合器(34)的支线输出端与混频器(38)的本振输入端相接，耦合器(34)主线输出端接入Butler矩阵多波束馈电分配/合成器(2)，前置滤波器(33)的输出端接入混频器(38)。
4.根据权利要求1所述的汽车主动防撞雷达装置，其特征在于，所述Butler矩阵多波束馈电分配/合成器(2 )包括一分多路功率分配器(28 )、功率放大器(25 )、环形器(23 )、Butler矩阵(22)、LNA (24)和单刀双掷开关(27)，且一分多路功率分配器(28)的输入端与耦合器(34)的主线输出端连接，一分多路功率分配器(28)的每路输出端均通过该路功率放大器(25)与该路环形器(23)的发射输入端口相连，各路环形器(23)的发射输出端口与Butler矩阵(22)的对应输入端相连，Butler矩阵(22)的发射输出端接入天线阵(I)，各路环形器(23)的接收输出端口均经LNA (24)接入单刀双掷开关(27);其中Butler矩阵(22)由3dB电桥(222)和移相器(223)组成，其中3dB电桥(222)采用正交混合网络，移相器(223)采用Schiffman移相器。
5.根据权利要求1所述的汽车主动防撞雷达装置，其特征在于，中频放大电路(5)包括前置低噪声放大器(52)和滤波匹配网络(53)，前置低噪声放大器(52)的输入端与混频器(38)的输出端相接，前置低噪声放大器(52)的输出端接入滤波匹配网络(53)的输入端。
6.根据权利要求1所述的汽车主动防撞雷达装置，其特征在于，所述信号处理电路(6)包括A/D转换电路(62 )、FPGA (69 )、系统配置电路(64)、系统自检模块(60 )、JTAG和AS接口(65)、数据存储(63)、以太网通信接口模块(66)、USB通信接口模块(67)和CAN总线模块(68);A/D转换电路(62)的输入端与滤波匹配网络(53)的输出端连接，A/D转换电路(62)、系统配置电路(64)、系统自检模块(60)和JTAG和AS接口(65)的输出端均接入FPGA(69),FPGA(69)的一路输出端接入数据存储(63)，另外三路输出端分别接入以太网通信接口模块(66 )、USB通信接口模块(67 )和CAN总线模块(68 )，且以太网通信接口模块(66 )、USB通信接口模块(67)和CAN总线模块(68)的输出端均与显示告警模块(7)连接；所述系统自检模块(60)内集成了温度传感器、湿度传感器以及压力传感器。
全文摘要
本发明涉及一种汽车主动防撞雷达装置，包括天线阵、Butler矩阵多波束馈电分配/合成器、毫米波收发组件、波形发生器、中频放大电路、信号处理电路、显示告警模块和电源模块。波形发生器产生调制电压输出至毫米波收发组件，产生发射信号输出至Butler矩阵多波束馈电分配/合成器，进行波束赋形，再由天线阵辐射出去，同时反射回波由天线阵接收送入Butler矩阵多波束馈电分配/合成器进行信号合成，下变频输出中频差拍信号，经中频放大电路放大后输入至信号处理电路进行采样、分析、处理和显示预警。该装置波束切换速度快、成本低、可靠性高、搜索面积大、抗干扰性能强，可广泛应用于各种复杂的工业现场和汽车驾驶安全领域。
文档编号G01S13/93GK103207395SQ20131010018
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月26日 优先权日2013年3月26日
发明者邓小东, 史源, 陈春红, 吴文, 李昂, 马伟男, 王建 申请人:南京理工大学