專利名稱：一種汽車主動防撞雷達裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于雷達通信和汽車電子技術領域，特別是一種汽車主動防撞雷達裝置。
背景技術：
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，無論是廠家還是消費者開始對汽車行駛安全問題越來越重視。在交通事故統(tǒng)計中，約85%的汽車追尾碰撞是因為駕駛員的疏忽大意而照成的。因此，如何控制或避免汽車碰撞成為了研究熱點，汽車防撞雷達技術受到了越來越多人的重視，正在日益成為衡量汽車安全性能的一個重要技術。與超聲波、紅外線、激光等汽車防撞雷達相比，毫米波汽車防撞雷達具有帶寬大、分辨率高、部件尺寸小、質量輕、體積小、能適應惡劣的天氣環(huán)境以及全天候工作等特點，同時不僅可以探測目標的距離，還可以測量出目標的相對速度和方位角，具有較好的適應性和穩(wěn)定性。探測技術和波束形成技術的優(yōu)劣直接影響汽車防撞雷達的精度和準確度，近些年來汽車防撞雷達技術得迅速的發(fā)展，其發(fā)展趨勢包括以下幾種:第一，采用超聲波、激光等單波束探測技術，同時使用多套傳感器及信號處理設備來實現(xiàn)汽車前方多角度探測，例如中國專利多探頭天線汽車倒車后視防撞雷達(專利號97237819.7)、一種汽車防撞雷達報警裝置(專利號200620004241.4)、一種汽車防撞激光雷達系統(tǒng)處理告警信 息的方法及裝置(專利號201010229331.4)，但因超聲波和激光受天氣狀況影響較大而不能大量使用，同時多套傳感器探測成本大大增加；第二，采用微波、毫米波單波束探測，波束窄、分辨率高是其優(yōu)點，例如中國專利毫米波汽車防撞雷達裝置(專利號01211040.X)、全數(shù)字智能型汽車防撞雷達(專利號200820213509.4)，但因為只是單波束探測，大大限制了汽車防撞雷達的探測范圍，其彌補的辦法是使用多套雷達探測系統(tǒng)放置在不同角度同時進行探測，終因成本大大增加而使方案變得不可行；第三，采用微波、毫米波頻率相控陣實現(xiàn)多波束的掃描，波束因頻率的不同指向發(fā)生變化，例如微波汽車防撞駕駛雷達裝置(專利號200320120396.0)，但工作頻帶較窄是其先天不足，直接限制了波束掃描的探測范圍。綜上所述，目前汽車防撞雷達技術普遍存在受環(huán)境影響大、成本高、探測范圍窄、穩(wěn)定性差等缺陷，不能保障汽車在駛過程中的安全性。
發(fā)明內容本實用新型所解決的技術問題在于提供一種探測范圍大、重量輕、體積小、工作可靠、分辨率高、適應性好的汽車主動防撞雷達裝置，該裝置可以用來測距、測速還可以確定目標方位。實現(xiàn)本實用新型目的的技術解決方案為:一種汽車主動防撞雷達裝置，天線陣、Butler矩陣多波束饋電分配/合成器、毫米波收發(fā)組件、波形發(fā)生器、中頻放大電路、信號處理電路、顯示告警模塊和電源模塊，其中波形發(fā)生器、中頻放大電路均與毫米波收發(fā)組件連接，同時毫米波收發(fā)組件還通過Butler矩陣多波束饋電分配/合成器與天線陣連接，中頻放大電路通過信號處理電路接入顯示告警模塊，所述電源模塊分別與Butler矩陣多波束饋電分配/合成器、毫米波收發(fā)組件、波形發(fā)生器、中頻放大電路、信號處理電路、顯示告警模塊的電源輸入端連接。本實用新型與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點:(1)采用了 Butler矩陣作為饋電網(wǎng)絡，實現(xiàn)了多波束賦形，使發(fā)射為平頂(寬)波束增加動態(tài)探測范圍，接收為窄(單)波束定向接收；(2)大大減少了中頻通道數(shù)量，探測精度更高、探測方向動態(tài)范圍更大；(3)通過計算多普勒頻移得到探測目標的距離和相對速度，對運動目標和靜止目標都具有很好的檢測性能；(4)在Butler矩陣電路的具體實現(xiàn)方面，采用了較為先進輕巧的基片集成波導(SIW)工藝技術設計完成，節(jié)省了系統(tǒng)裝置所占空間。

圖1為本實用新型汽車主動防撞雷達裝置的總體結構示意圖。圖2為本實用新型汽車主動防撞雷達裝置的波形發(fā)生器結構示意圖。圖3為本實用新型汽車主動防撞雷達裝置的毫米波收發(fā)組件結構示意圖。圖4為本實用新型汽車主動防撞雷達裝置的Butler矩陣多波束饋電分配/合成器結構示意圖。圖5本實用新型汽車主動防撞雷達裝置的Butler矩陣電路結構示意圖。圖6為本實用新型汽車主動防撞雷達裝置的多波束發(fā)射示意圖。圖7為本實用新型汽車主動防撞雷達裝置的中頻放大電路結構示意圖。
·[0018]圖8為本實用新型汽車主動防撞雷達裝置的信號處理電路結構示意圖。
具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本實用新型做出進一步詳細說明。結合圖1，本實用新型汽車主動防撞雷達裝置，包括天線陣1、Butler矩陣多波束饋電分配/合成器2、毫米波收發(fā)組件3、波形發(fā)生器4、中頻放大電路5、信號處理電路6、顯示告警模塊7和電源模塊8，其中波形發(fā)生器4、中頻放大電路5均與毫米波收發(fā)組件3連接，同時毫米波收發(fā)組件3還通過Butler矩陣多波束饋電分配/合成器2與天線陣I連接，中頻放大電路5通過信號處理電路6接入顯示告警模塊7，所述電源模塊8分別與Butler矩陣多波束饋電分配/合成器2、毫米波收發(fā)組件3、波形發(fā)生器4、中頻放大電路5、信號處理電路6、顯示告警模塊7的電源輸入端連接。本實用新型汽車主動防撞雷達裝置的具體工作過程為:波形發(fā)生器4產生三角波電壓輸出至毫米波收發(fā)組件3，毫米波收發(fā)組件3產生毫米波發(fā)射波形輸出至Butler矩陣多波束饋電分配/合成器2，Butler矩陣多波束饋電分配/合成器2調節(jié)毫米波發(fā)射波形的相位和幅度形成不同指向的多波束，最后再由天線陣I輻射出去，同時通過天線陣I接收目標反射回波由Butler矩陣多波束饋電分配/合成器2進行信號合成，經過毫米波收發(fā)組件3下變頻輸出中頻差拍信號，中頻放大電路5對中頻差拍信號進行自動增益控制后輸出至信號處理電路6進行采樣、分析與處理，最后輸出至顯示告警模塊7與外界進行通信和報警。本系統(tǒng)工作頻段為Ka波段。[0023]結合圖2，本實用新型汽車主動防撞雷達裝置的波形發(fā)生器4包括順次相連的基準時鐘41、整數(shù)及小數(shù)分頻器42、地址發(fā)生器43、波形映射表44和D/A轉換器45，D/A轉換器45的輸出端接入毫米波收發(fā)組件3。其中FPGA采用Altera公司Cyclone IV EP4CE15芯片，與信號處理電路6共用一片F(xiàn)PGA ;基準時鐘源41采用高穩(wěn)定度的IOOMHz晶振；地址發(fā)生器43和波形映射表44的實現(xiàn)采用Matlab軟件計算并導出數(shù)據(jù)，再編寫Mif文件燒寫入FPGA,完成ROM制作；D/A轉換器45采用ADI公司產品AD5445。波形發(fā)生器4的具體工作過程為:整數(shù)及小數(shù)分頻器42將基準時鐘41的時鐘進行分頻得到準確的地址時鐘信號輸出給地址發(fā)生器43，地址發(fā)生器43產生地址編碼信號輸入至波形映射表44,波形映射表44輸出波形數(shù)據(jù)信號至D/A轉換器45從而輸出系統(tǒng)所需要的各種電壓調制信號波形至毫米波收發(fā)組件3。結合圖3，本實用新型汽車主動防撞雷達裝置的毫米波收發(fā)組件3包括VC036、諧波混頻器39、鎖相環(huán)35、濾波器30、耦合器34、混頻器38和前置濾波器33，其中VC036的輸入端與D/A轉換器45的輸出端相連，VC036的輸出端接入諧波混頻器39的中頻輸入端，諧波混頻器39的本振輸入端與鎖相環(huán)35連接，諧波混頻器39的射頻輸出端經過濾波器30接入耦合器34，耦合器34的支線輸出端與混頻器38的本振輸入端相接，耦合器34主線輸出端接入Butler矩陣多波束饋電分配/合成器2，前置濾波器33的輸出端接入混頻器38。耦合器34采 用微帶結構的Wilkinson定向耦合器；鎖相環(huán)35芯片采用ADI公司的產品ADF4106，其配置單片機采用MST430，產生17GHz的本振源信號；諧波混頻器39采用Hittite公司產品HMC339，該芯片為二次諧波混頻器，輸出頻率范圍滿足系統(tǒng)Ka頻段要求；混頻器38采用Hittite公司產品HMC329，可用頻率范圍為25_40GHz ;前置濾波器33采用聲表濾波器。毫米波收發(fā)組件3的具體工作過程為:VC036受到三角波輸入的控制，產生頻率隨時間按三角波規(guī)律線性變化的調頻信號，該信號中心頻率較低，輸入至諧波混頻器39的中頻輸入端，諧波混頻器39的本振端輸入由鎖相環(huán)35產生，諧波混頻器39射頻輸出端信號經過濾波器30濾除鏡像頻率后送入耦合器34并從支線輸出的信號用于混頻器38的本振輸入，從耦合器34主線輸出的是輸出發(fā)射信號送入Butler矩陣多波束饋電分配/合成器2，前置濾波器33將接收到的輸入回波信號濾除雜波后輸出至混頻器38與本振輸入進行下混頻，從而實現(xiàn)中頻輸出。結合圖4，本實用新型汽車主動防撞雷達裝置的Butler矩陣多波束饋電分配/合成器2包括一分多路功率分配器28、功率放大器25、環(huán)形器23、Butler矩陣22、LNA24和單刀雙擲開關27,且一分多路功率分配器28的輸入端與稱合器34的主線輸出端連接,一分多路功率分配器28的每路輸出端均通過該路功率放大器25與該路環(huán)形器23的發(fā)射輸入端口相連，各路環(huán)形器23的發(fā)射輸出端口與Butler矩陣22的對應輸入端相連，Butler矩陣22的發(fā)射輸出端接入天線陣I，各路環(huán)形器23的接收輸出端口經LNA24接入單刀雙擲開關27。一分多路功率分配器28采用Wilkinson功率分配器結構實現(xiàn)；Butler矩陣22采用3*8結構實現(xiàn)；環(huán)形器23采用南京廣順電子技術研究所生產的波導環(huán)形器BH320-21，其中接口轉換采用微帶轉波導的鰭線結構；功率放大器25采用Mini公司產品ERA-21 SM放大器芯片；單刀雙擲開關27采用微帶結構實現(xiàn)，其中開關單元采用M/A-C0M公司生產的PIN 二極管 MA4AGBLP912。[0028]Butler矩陣多波束饋電分配/合成器2使用Butler矩陣實現(xiàn)減少了中頻通道的數(shù)量，發(fā)射時采用平頂波束形成技術，接收時采用窄波束定向切換通道接收技術，具體工作過程為:一分多路功率分配器28由發(fā)射信號輸入經過等功率多路分配輸出至各路的功率放大器25，功率放大器25輸出至環(huán)形器23的發(fā)射端入口，環(huán)形器23輸出至Butler矩陣22的輸入端，Butler矩陣22的輸出端接天線陣1，實現(xiàn)多(寬)波束的發(fā)射，回波信號經過天線陣I接收輸入至Butler矩陣22網(wǎng)絡，進行波束合成后各輸出端口分別輸出至環(huán)形器23，環(huán)形器23接收輸出端口經LNA24將信號放大后輸出至單刀雙擲開關27，單刀雙擲開關27受FPGA控制信號的控制實現(xiàn)回波信號的多路選擇，輸出接收信號至毫米波收發(fā)組件3，實現(xiàn)了單(窄)波束接收，更好的測算目標的方位、距離及相對速度。結合圖5，本實用新型汽車主動防撞雷達裝置的Butler矩陣22為M*N的矩陣，由3dB電橋222和移相器223組成，其中3dB電橋222采用正交混合網(wǎng)絡，移相器223采用Schiffman移相器。Butler矩陣22為3*8結構，采用較為先進輕巧的基片集成波導(SIW)技術工藝設計實現(xiàn)。Butler矩陣22的具體工作過程為:在系統(tǒng)發(fā)射狀態(tài)下端口 221為輸入端口 M個，端口 224為輸出端口 N個，在系統(tǒng)接收狀態(tài)下端口 221為輸出端口 M個，端口 224為輸入端口 N個。該電路結構的主要功能是將每個輸入端口的信號幅度等分、相位重新分配到每個輸出端口，形成不同的入射波前，實現(xiàn)波束賦形，其中3dB電橋222采用正交混合網(wǎng)絡實現(xiàn)，移相器223采用SchifTman移相器實現(xiàn)信號相位的調節(jié)。結合圖6，本實用新型汽車主動防撞雷達裝置的多波束發(fā)射示意圖，該示意圖中以8波束賦形為例講解，射頻發(fā)射信號經過Butler矩陣22賦形后形成8個不同的入射波前，輸出到由8個天線子陣構成的天線陣1，通過天線輻射出去即可形成如示意圖所示的波束
1-波束珊的主瓣?？朔撕撩撞úㄊ?，掃描動態(tài)范圍小的缺陷，實現(xiàn)毫米波大動態(tài)范圍掃描，即平頂(寬)波束發(fā)射。在系統(tǒng)處于接收狀態(tài)時，由FPGA控制各路的通斷，實現(xiàn)對其中某一波束的定向接收或逐·個掃描定向接收，實現(xiàn)窄波束接收機，提高探測定位精確度。所述天線陣I采用平面微帶天線陣列，收發(fā)共用，使用SMA頭對其饋電。結合圖7，本實用新型汽車主動防撞雷達裝置的中頻放大電路5包括前置低噪聲放大器52和濾波匹配網(wǎng)絡53，前置低噪聲放大器52的輸入端與混頻器38的輸出端相接，前置低噪聲放大器52的輸出端接入濾波匹配網(wǎng)絡53的輸入端。前置低噪聲采用Analog公司的AD795配合外圍電路的構建，可以獲得固定的20dB的增益；濾波匹配網(wǎng)絡53采用電容、電感設計9階橢圓濾波器組成。中頻放大電路5的具體工作過程為:前置低噪聲放大器52將中頻輸入51放大輸出至濾波匹配網(wǎng)絡53濾去雜波信號，再輸出至信號處理電路6處理。結合圖8，本實用新型汽車主動防撞雷達裝置的信號處理電路6包括A/D轉換電路62、FPGA69、系統(tǒng)配置電路64、系統(tǒng)自檢模塊60、JTAG和AS接口 65、數(shù)據(jù)存儲63、以太網(wǎng)通信接口模塊(66 )、USB通信接口模塊(67 )和CAN總線模塊(68 ) ；A/D轉換電路62的輸入端與濾波匹配網(wǎng)絡53的輸出端連接，A/D轉換電路62、系統(tǒng)配置電路64、系統(tǒng)自檢模塊60和JTAG和AS接口 65的輸出端均接入FPGA69，F(xiàn)PGA69的一路輸出端接入數(shù)據(jù)存儲63，另外三路輸出端分別接入以太網(wǎng)通信接口模塊66、USB通信接口模塊67和CAN總線模塊68，且以太網(wǎng)通信接口模塊66、USB通信接口模塊67和CAN總線模塊68的輸出端均與顯示告警模塊7連接；所述系統(tǒng)自檢模塊60內集成了溫度傳感器、濕度傳感器以及壓力傳感器。以Altera公司最新高性能Cyclone IV EP4CE15芯片為核心，配置了 10M/100M以太網(wǎng)通信接口、USB接口和CAN總線接口，同時配置了可以在線調試和仿真的JTAG接口和程序下載的AS接口，A/D轉換電路62采ADI公司產品AD9224配合外圍電路構成。數(shù)據(jù)存儲63采用兩片Cypress Semiconductor的CY7C1370D芯片配合外圍電路構成，可以提供36Mbit的SRAM，用于存放數(shù)據(jù)。信號處理電路6的具體工作過程為:系統(tǒng)配置電路64保證FPGA69實現(xiàn)正常工作，JTAG和AS接口 65為FPGA69提供程序的下載和在線仿真調試功能，A/D轉換電路62將輸入的模擬信號數(shù)字化后輸出至FPGA69，經過FPGA69的分析與處理分別實現(xiàn)四路的輸出，一路輸出至數(shù)據(jù)存儲63保存采樣數(shù)據(jù)，另外三路分別通過以太網(wǎng)通信接口模塊66、USB通信接口模塊67和CAN總線模塊68輸出至顯示告警模塊7實現(xiàn)通訊連接，系統(tǒng)自檢模塊60內集成了溫度、濕度以及壓力傳感器，實時監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并將結果輸出至FPGA69使數(shù)據(jù)分析與處理精確度更高。本實用新型汽車主動防撞雷達系統(tǒng)，使用Butler矩陣來實現(xiàn)發(fā)射時平頂波束形成技術，接收時采用窄波束定向切換通道接收技術，同時大大減少了中頻通道的數(shù)量，在體制方面使用了線性調頻連續(xù)波體制，使得整套系統(tǒng)具有探測動態(tài)范圍大、重量輕、體積小，工作可靠、分辨率高和全天候的特點，具有測距、測速以及多目標動態(tài)識別跟蹤功能，波束切換速度快、成本低、可靠性高、搜索面積大、抗干擾性能強，可廣泛應用于各種于各種復雜的工業(yè)現(xiàn)場和汽車駕駛安 領域。
權利要求1.一種汽車主動防撞雷達裝置，其特征在于包括:天線陣(l)、Butler矩陣多波束饋電分配/合成器(2)、毫米波收發(fā)組件(3)、波形發(fā)生器(4)、中頻放大電路(5)、信號處理電路(6)、顯示告警模塊(7)和電源模塊(8)，其中波形發(fā)生器(4)、中頻放大電路(5)均與毫米波收發(fā)組件(3)連接，同時毫米波收發(fā)組件(3)還通過Butler矩陣多波束饋電分配/合成器(2)與天線陣(I)連接，中頻放大電路(5)通過信號處理電路(6)接入顯示告警模塊(7)，所述電源模塊(8)分別與Butler矩陣多波束饋電分配/合成器(2)、毫米波收發(fā)組件(3)、波形發(fā)生器(4)、中頻放大電路(5)、信號處理電路(6)、顯示告警模塊(7)的電源輸入端連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的汽車主動防撞雷達裝置，其特征在于，所述波形發(fā)生器(4)包括順次相連的基準時鐘(41)、整數(shù)及小數(shù)分頻器(42)、地址發(fā)生器(43)、波形映射表(44)和D/A轉換器(45 )，D/A轉換器(45 )的輸出端接入毫米波收發(fā)組件(3 )。
3.根據(jù)權利要求1所述的汽車主動防撞雷達裝置，其特征在于，所述毫米波收發(fā)組件(3)包括VCO(36)、諧波混頻器(39)、鎖相環(huán)(35)、濾波器(30)、耦合器(34)、混頻器(38)和前置濾波器(33)，其中VCO (36)的輸入端與D/A轉換器(45)的輸出端相連，VCO (36)的輸出端接入諧波混頻器(39)的中頻輸入端，諧波混頻器(39)的本振輸入端與鎖相環(huán)(35)連接，諧波混頻器(39)的射頻輸出端經過濾波器(30)接入耦合器(34)，耦合器(34)的支線輸出端與混頻器(38)的本振輸入端相接，耦合器(34)主線輸出端接入Butler矩陣多波束饋電分配/合成器(2)，前置濾波器(33)的輸出端接入混頻器(38)。
4.根據(jù)權利要求1所述的汽車主動防撞雷達裝置，其特征在于，所述Butler矩陣多波束饋電分配/合成器(2 )包括一分多路功率分配器(28 )、功率放大器(25 )、環(huán)形器(23 )、Butler矩陣(22)、LNA (24)和單刀雙擲開關(27)，且一分多路功率分配器(28)的輸入端與耦合器(34)的主線輸出端連接，一分多路功率分配器(28)的每路輸出端均通過該路功率放大器(25)與該路環(huán)形器(23)的發(fā)射輸入端口相連，各路環(huán)形器(23)的發(fā)射輸出端口與Butler矩陣(22)的對應輸入端相連，Butler矩陣(22)的發(fā)射輸出端接入天線陣(I)，各路環(huán)形器(23)的接收輸出端口均經LNA (24)接入單刀雙擲開關(27);其中Butler矩陣(22)由3dB電橋(222)和移相器(223)組成，其中3dB電橋(222)采用正交混合網(wǎng)絡，移相器(223)采用Schiffman移相器。
5.根據(jù)權利要求1所述的汽車主動防撞雷達裝置，其特征在于，中頻放大電路(5)包括前置低噪聲放大器(52)和濾波匹配網(wǎng)絡(53)，前置低噪聲放大器(52)的輸入端與混頻器(38)的輸出端相接，前置低噪聲放大器(52)的輸出端接入濾波匹配網(wǎng)絡(53)的輸入端。
6.根據(jù)權利要求1所述的汽車主動防撞雷達裝置，其特征在于，所述信號處理電路(6)包括A/D轉換電路(62 )、FPGA (69 )、系統(tǒng)配置電路(64)、系統(tǒng)自檢模塊(60 )、JTAG和AS接口(65)、數(shù)據(jù)存儲(63)、以太網(wǎng)通信接口模塊(66)、USB通信接口模塊(67)和CAN總線模塊(68);A/D轉換電路(62)的輸入端與濾波匹配網(wǎng)絡(53)的輸出端連接，A/D轉換電路(62)、系統(tǒng)配置電路(64)、系統(tǒng)自檢模塊(60)和JTAG和AS接口(65)的輸出端均接入FPGA(69),FPGA (69) 的一路輸出端接入數(shù)據(jù)存儲(63)，另外三路輸出端分別接入以太網(wǎng)通信接口模塊(66 )、USB通信接口模塊(67 )和CAN總線模塊(68 )，且以太網(wǎng)通信接口模塊(66 )、USB通信接口模塊(67)和CAN總線模塊(68)的輸出端均與顯示告警模塊(7)連接；所述系統(tǒng)自檢模塊(60)內集成了溫度傳感器、濕度傳感器以及壓力傳感器。
專利摘要本實用新型涉及一種汽車主動防撞雷達裝置，包括天線陣、Butler矩陣多波束饋電分配/合成器、毫米波收發(fā)組件、波形發(fā)生器、中頻放大電路、信號處理電路、顯示告警模塊和電源模塊。波形發(fā)生器產生調制電壓輸出至毫米波收發(fā)組件，產生發(fā)射信號輸出至Butler矩陣多波束饋電分配/合成器，進行波束賦形，再由天線陣輻射出去，同時反射回波由天線陣接收送入Butler矩陣多波束饋電分配/合成器進行信號合成，下變頻輸出中頻差拍信號，經中頻放大電路放大后輸入至信號處理電路進行采樣、分析、處理和顯示預警。該裝置波束切換速度快、成本低、可靠性高、搜索面積大、抗干擾性能強，可廣泛應用于各種復雜的工業(yè)現(xiàn)場和汽車駕駛安全領域。
文檔編號G01S13/93GK203133277SQ20132014256
公開日2013年8月14日 申請日期2013年3月26日 優(yōu)先權日2013年3月26日
發(fā)明者鄧小東, 史源, 陳春紅, 吳文, 李昂, 馬偉男, 王建 申請人:南京理工大學