專利名稱：微波汽車防撞駕駛雷達(dá)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種汽車在行駛過程中防護(hù)技術(shù)以及主動或自動(輔助)駕駛技術(shù)，具體地說，是一種微波汽車防撞駕駛雷達(dá)裝置。
背景技術(shù)：
目前在汽車安全行駛方面采用的技術(shù)很多，如安全氣囊、安全帶等，但這些被動方式只解決了汽車碰撞后的防護(hù)問題，沒有從根本上解決問題。從七十年代開始出現(xiàn)了超聲波、激光、紅外、微波等形式的主動汽車防撞系統(tǒng)?，F(xiàn)在國內(nèi)有代表性的技術(shù)存在的主要問題是“天線是一個固定波束”，為了滿足波束寬度的要求(如θ＝±5°)，就必然是寬波束。因而方向選擇性差，難以對前方目標(biāo)定位，無準(zhǔn)確的方位信息。因為在寬的波束內(nèi)，有些目標(biāo)不一定處于危險范圍內(nèi)。波束方向性差，在相同距離上，不同方位的目標(biāo)，就無法區(qū)分。另一方面，它采用喇叭、波導(dǎo)、不利于小型化。
紅外、超聲波、激光因受天氣狀況的影響而未大量使用。
微波受天氣狀況的影響較小，在惡劣天氣下具有傳播優(yōu)勢，但其分辨率低、地雜波嚴(yán)重，除非加大天線口徑，才能有效改變這些問題，但這在空間有限的汽車上又不允許。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的第一個技術(shù)問題就是現(xiàn)有的主動汽車防撞系統(tǒng)難以對前方目標(biāo)定位、無準(zhǔn)確的方位信息問題，提供了一種可以波束掃描范圍寬、又可對前方目標(biāo)定位的防撞系統(tǒng)。
本實(shí)用新型要解決的第二個技術(shù)問題就是現(xiàn)有的微波汽車防撞系統(tǒng)的微波天線尺寸與其分辨率相矛盾的問題，提供了一種微波天線尺寸小且分辨率高的汽車防撞系統(tǒng)。
本實(shí)用新型所述微波汽車防撞駕駛雷達(dá)裝置的工作過程如下微波振蕩單元在波形發(fā)生器單元的控制下產(chǎn)生微波信號輸出到微波功率放大單元后送至發(fā)射天線發(fā)射；接收天線接受到目標(biāo)反射的微波信號后，經(jīng)接收混頻單元進(jìn)行頻率變換后送至中頻放大單元壓縮，然后再輸出至信號處理單元，信號處理單元對該輸入信號和從波形發(fā)生器單元輸入的信號進(jìn)行分析處理；電源單元產(chǎn)生各種電壓供各單元使用。
作為改進(jìn)，本實(shí)用新型還包括顯示單元，顯示從信號處理單元輸入的信號。
以上所述微波汽車防撞駕駛雷達(dá)裝置，發(fā)射天線、接收天線采用微波貼片天線；微波振蕩單元產(chǎn)生不同頻率的信號，經(jīng)放大單元后送至發(fā)射天線發(fā)射，通過控制頻率實(shí)現(xiàn)波束掃描；微波振蕩單元由上變頻器、開關(guān)器件、兩個振蕩器組成，其中至少有一個是電壓控制振蕩器；接收混頻單元由下變頻器、中頻放大器、零中頻混頻器組成；微波振蕩單元的一個電壓控制振蕩器接收波形發(fā)生器單元的輸入信號并向上、下變頻器輸出信號；微波振蕩單元的另一個振蕩器向零中頻混頻器輸出信號；開關(guān)器件連接在上變頻器與另一個電壓控制振蕩器之間，它的開關(guān)由波形發(fā)生器單元控制；波形發(fā)生器單元是由單片機(jī)、晶體振蕩器、可編程器件等組成的數(shù)字式波形發(fā)生器。
本實(shí)用新型的主要性能參數(shù)工作頻率24±1GHz作用距離1-120米測距精度＜±0.25米方位復(fù)蓋范圍10° 波辦寬度3° 速度分辨率＜5km/h波束個數(shù)防撞報警左中右三個波束，互相重疊0.5°輔助駕駛100個波束，按0.1°步進(jìn)，按規(guī)定方式掃描自動跟蹤駕駛和差波束可顯示目標(biāo)數(shù)同時顯示8個(輔助駕駛、自動跟蹤駕駛)顯示防撞報警數(shù)字顯示距離和速度，聲、光報警；輔助駕駛，自動跟蹤駕駛黑白(或彩色)顯示工作環(huán)境-40°-+85°輸出I/O口1緊急制動信號(防撞報警狀態(tài))I/O口2距離誤差；速度誤差；方位誤差及距離、速度信息。
本實(shí)用新型的有益效果1、可對前方目標(biāo)定位、有準(zhǔn)確的方位信息；2、微波天線尺寸小，分辨率高；3、波束掃描范圍較寬。


圖1是本實(shí)用新型一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖圖2是圖1中的微波振蕩單元和接收混頻單元的原理框圖圖3是圖1中的中頻放大單元的原理框圖圖4是圖1中的波形發(fā)生器單元的原理框圖圖5是圖1中的信號處理單元的原理框圖
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
圖1中，微波振蕩單元3在波形發(fā)生器單元6的控制下產(chǎn)生微波信號輸出到微波功率放大單元2后送至發(fā)射天線發(fā)射；接收天線接受到目標(biāo)反射的微波信號后，經(jīng)接收混頻單元4進(jìn)行頻率變換后送至中頻放大單元7壓縮，然后再輸出至信號處理單元8，信號處理單元8對該輸入信號和從波形發(fā)生器單元6輸入的信號進(jìn)行分析處理；顯示單元9顯示從信號處理單元8輸入的信號。電源單元10產(chǎn)生各種電壓供各單元使用。
汽車防撞駕駛雷達(dá)，為了幫助駕駛員在視力看不清的惡劣天氣(雨、雪、霧)及能見度差的黑夜，增加行車的安全性，紅外、超聲波、激光因受到傳播條件的限制而未廣泛采用。微波曾經(jīng)采用過，因其體積大，分辨率低，地雜波嚴(yán)重，而促使防撞雷達(dá)向毫米波發(fā)展。當(dāng)頻率超過30GHz進(jìn)入毫米波以后，大雪大雨會對雷達(dá)顯示屏造成干擾，而且頻率愈高，干擾愈嚴(yán)重。為此本實(shí)施例采用微波頻段的高端(18-30GHz)及毫米波低端40GHz以下、受天氣影響較小的頻率范圍。
為了解決天線尺寸及分辨率之間的矛盾，采用了微波貼片天線，借助介電常數(shù)來協(xié)調(diào)天線尺寸。例如，選用有效介電常數(shù)εe＝4，對于f＝20GHz，空氣波長λ＝1.5cm，介質(zhì)波長λg=λϵe=7.5mm,]]>相當(dāng)于f＝40GHz的空氣波長。
對于汽車?yán)走_(dá)而言，地雜波并不全是有害的。汽車?yán)走_(dá)必須全面顯示道路地面情況，這對無道標(biāo)的普通公路就十分重要，如道路邊界，特別是拐彎處的邊界，會因邊界雜波比道路中間強(qiáng)而區(qū)分邊界。
本實(shí)用新型充分發(fā)揮微波在惡劣天氣下的傳播優(yōu)勢，利用微波貼片天線來克服微波天線大的缺點(diǎn)，減少了天線尺寸，降低了成本。
本實(shí)用新型還采用頻率相控陣實(shí)現(xiàn)波束掃描，代替了國外常用的開關(guān)轉(zhuǎn)換波束，或者利用開關(guān)移相器的相控陣天線，而且更具靈活性。因此，可以采用任意步長，實(shí)現(xiàn)天線掃描，以獲得輔助駕駛雷達(dá)所需要的比較清晰的目標(biāo)輪廓，供駕駛員安全駕駛。頻率相控陣的原理根據(jù)2πλdsinθ=2πλgL(1-λgλg0),]]>其中λ為空氣中波長；λg為傳輸線波長；λg0是θ＝0°時相應(yīng)頻率的傳輸線波長；d為二天線間的空間間距；L為二天線之間的傳輸線長度?？梢钥闯?amp;lambda;gλg0<1]]>時，對應(yīng)θ＞0 ，在天線軸的右方；λgλg0>1]]>時，對應(yīng)θ＜0，在天線軸的左方，從而控制頻率，就可以實(shí)現(xiàn)波束掃描。
圖2中，微波振蕩單元3由上變頻器32、開關(guān)器件33、電壓控制振蕩器31、34組成；接收混頻單元4由下變頻器41、中頻放大器42、零中頻混頻器43組成；電壓控制振蕩器31接收波形發(fā)生器單元6的輸入信號并向上變頻器32、下變頻器41輸出信號；另一個振蕩器34向零中頻混頻器43輸出信號；開關(guān)器件33連接在上變頻器32與另一個振蕩器34之間，它的開關(guān)由波形發(fā)生器單元6控制。電壓控制振蕩器31作為第一本振源，一方面滿足上變頻器32對本振需要，同時又給下變頻器41提供了本振。這樣，一方面使得下變頻器維持相干接收，另一方面又使得中頻放大器42的中頻帶寬得以壓縮，再一方面由于中頻放大器42遠(yuǎn)離混頻器的 噪聲范圍，降低了噪聲(一般混頻器的 噪聲在500KC以下，正是線性調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)的差頻范圍)，改善了靈敏度。
另外，在上變頻器32與電壓控制振蕩器34之間插入了一個開關(guān)器件33，這使得本實(shí)用新型既可以連續(xù)波體制又可以在脈沖體制下工作?，F(xiàn)有技術(shù)的通常作法都是在發(fā)射天線前加入一個開關(guān)。本實(shí)用新型這種組成，用相對容易實(shí)現(xiàn)的微波高端放大器，代替了微波高端采用開關(guān)器件。雖然微波高端甚至毫米波內(nèi)也有PIN開關(guān)，但此種開關(guān)難以滿足技術(shù)要求。這也是為什么采用頻率掃描天線，而沒有采用開關(guān)轉(zhuǎn)換波束理由之一。
微波振蕩單元3在波形發(fā)生器單元6的控制下產(chǎn)生微波2后送至發(fā)射天線發(fā)射；接收天線接受到目標(biāo)反射的微波信號后，經(jīng)接收混頻單元4進(jìn)行頻率變換后送至中頻放大單元7壓縮，然后再輸出至信號處理單元8，信號處理單元8對該輸入信號和從波形發(fā)生器單元6輸入的信號進(jìn)行分析處理；顯示單元9顯示從信號處理單元8輸入的信號。
圖3中，中頻放大單元7由低通濾波器71、中頻放大器72、低通濾波器73組成。本實(shí)用新型的作用距離1-120米，其動態(tài)范圍達(dá)83dB以上。對這么大的動態(tài)范圍壓縮方法很多?？紤]到本裝置對多體制的適應(yīng)性，采用了對數(shù)放大器來壓縮動態(tài)范圍。對于調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)(FMCW)，差頻與距離仍是成正比，因此，輸出與輸入成對數(shù)關(guān)系的對數(shù)放大器，也適用于利用差頻獲取距離信息的FMCW雷達(dá)。
圖4是可編程的數(shù)字波形發(fā)生器的原理框圖，它是本實(shí)用新型的控制中心，產(chǎn)生本實(shí)用新型所需要的一切波形及時序。三角波是在單片機(jī)62程序控制下，輸出上邊界二進(jìn)制碼和下邊界二進(jìn)制碼，加到復(fù)雜可編程器件(CPLD)63，控制三角波掃描區(qū)間，輸出碼作為地址碼去讀取存貯器64中的數(shù)據(jù)碼。該碼加到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)66，變換成對應(yīng)的模擬電壓。該電壓在規(guī)定時鐘作用下，按照嚴(yán)格補(bǔ)償波形周期出現(xiàn)，然后，送到微波振波單元3的電壓控制振蕩器31，經(jīng)濾波，使電壓控制振蕩器輸出頻率按規(guī)定三角波參數(shù)掃描，使線性控制在0.5％以內(nèi)。若上邊界二進(jìn)制碼和下邊界二進(jìn)制碼相同，則數(shù)模變換器66輸出固定電壓，使電壓控制振蕩器輸出相應(yīng)的固定頻率。
圖中，61為晶體振蕩器，65存貯器。
可以通過預(yù)先對單片機(jī)62和復(fù)雜可編程器件63編程，實(shí)現(xiàn)滿足本實(shí)用新型要求的任意波形，如供顯示器單元9用的行同步信號及幀同步信號等。
圖5是能處理多種雷達(dá)體制信息的信號處理單元8的原理框圖，它可產(chǎn)生供顯示器用的象素地址碼，供信息存貯和數(shù)據(jù)刷新之用。并能輸出防撞用的緊急制動信號及自動跟蹤駕駛用的距離誤差信息，角度誤差信息及方位誤差信息。它由模數(shù)變換器81、數(shù)字信號處理DSP模塊82、存貯器83、數(shù)模變換器84、I/O端口85和88、CPLD及硬件電路86、單片機(jī)87組成。它的工作過程如下。
當(dāng)選擇FMCW方式工作時，信號處理單元將輸入的信號經(jīng)模數(shù)變換器81采樣后變成數(shù)字信息，送到數(shù)字信號處理DSP模塊82，進(jìn)行快速傅立葉(FFT)變換，求出差頻，根據(jù)預(yù)先輸入的計算機(jī)程序求出相對距離、相對速度，并送到單片機(jī)87。單片機(jī)根據(jù)制動方程，自動求出安全門限距離及緊急制動距離。當(dāng)兩車距離小于門限距離時，使想相應(yīng)區(qū)段的聲光系統(tǒng)啟動，提醒駕駛員注意。隨著危險程度降低，聲光相應(yīng)變化直至消失；若危險程度進(jìn)一步增加，聲光也相應(yīng)變強(qiáng)。當(dāng)兩車達(dá)到緊急制動距離時，從I/O端口88輸出緊急制動信號，供剎車制動之用。
當(dāng)惡劣天氣時，選擇輔助駕駛方式，此時本實(shí)用新型主要采用脈沖工作方式。天線按一定規(guī)律掃描。信號處理單元根據(jù)行同步、幀同步信號產(chǎn)生顯示器全部像素對應(yīng)的地址碼，去順序刷新存貯器中的數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓對CRT進(jìn)行灰度控制。同時，對輸入信號進(jìn)行采樣，將采樣的數(shù)據(jù)存貯在相應(yīng)的位置上，供CRT刷新之用。因此，CRT可以比較清晰地看到車輛前方的實(shí)際情況。
汽車在高速公路上長時間單向行駛時，駕駛員極易疲勞，可選擇自動駕駛。此時，本實(shí)用新型處于跟蹤方式。信號處理單元將超過門限的回波信號經(jīng)數(shù)字式自動距離編碼器獲得目標(biāo)距離信息，連同波形發(fā)生器單元送來的方位信息，一同加到單片機(jī)上，按需要的顯示方式計算出坐標(biāo)，并以汽車圖標(biāo)方式顯示。如要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動跟蹤駕駛，駕駛員先要用光筆點(diǎn)一下需要跟蹤的目標(biāo)，立即有一個長方形套住目標(biāo)，此時，天線由掃描方式轉(zhuǎn)入跟蹤方式，提供被跟蹤目標(biāo)相對于本車軸線方向的角誤差信息。此時A/D變換器僅對被跟蹤目標(biāo)進(jìn)行采樣，經(jīng)DSP獲得速度信息，并根據(jù)相對車速確定與跟蹤目標(biāo)的安全距離。經(jīng)I/O端口輸出距離、角度以及保持安全車距的距離誤差信息、速度誤差信息及角度誤差信息，供自動駕駛之用。
本實(shí)用新型采用了除聲、光、數(shù)字報警以外，還用圖象顯示器來顯示輔助駕駛信息和自動跟蹤信息。圖象顯示器的是平面信息，因此，能夠更真實(shí)地接近駕駛員觀察到的情況，供駕駛員安全駕駛。
輔助駕駛時，以盡可能接近駕駛員正常駕駛時觀察的范圍和距離(1-120米)進(jìn)行顯示。為了比較真實(shí)地反應(yīng)道路交通情況，主要采用脈沖調(diào)制。以盡可能真實(shí)的信息對顯示器進(jìn)行灰度調(diào)制，同時以盡可能接近連續(xù)波方式(如按0.1°步進(jìn))進(jìn)行掃描，才能獲得較清晰的輪廓。
自動跟蹤駕駛時，以汽車圖標(biāo)顯示道路上的車輛，以光筆對目標(biāo)進(jìn)行選擇，以長方型框代表被選定的跟蹤目標(biāo)，道路上可以同時顯示8個目標(biāo)。
總之，本實(shí)用新型屬于汽車防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域和主動式自動(輔助)駕駛技術(shù)領(lǐng)域的通用裝置。單獨(dú)使用時，主要用于汽車防撞報警并提供防撞緊急制動信息。根據(jù)用戶要求，還可以提供在惡劣天氣條件下全天候(白天、黑夜)的輔助駕駛功能，從顯示器上觀察道路交通情況，輔助駕駛員安全行駛。另外，還可提供主動式自動駕駛所需要的誤差信號。各種車型只要完善相應(yīng)的與本實(shí)用新型通用信號的接口，還可以實(shí)現(xiàn)汽車防撞緊急制動。還以實(shí)現(xiàn)主動式自動跟蹤(ACC)跟蹤選定的目標(biāo)，始終保持安全車距。
本實(shí)用新型在24GHz微波頻段上，實(shí)現(xiàn)了綜合體制，發(fā)揮了各種體制的優(yōu)熱，實(shí)現(xiàn)了多功能。采用了靈敏度高，距離分辨力好的線性調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)體制，實(shí)現(xiàn)了防撞告警，也利用了線性調(diào)頻射頻帶寬大這一特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了頻率相控陣，滿足了各種雷達(dá)體制對天線掃描的不同需求。又兼用了抗干擾能力強(qiáng)的脈沖體制實(shí)現(xiàn)了輔助駕駛。
權(quán)利要求1.微波汽車防撞駕駛雷達(dá)裝置，其特征在于微波振蕩單元在波形發(fā)生器單元的控制下產(chǎn)生微波信號輸出到微波功率放大單元后送至發(fā)射天線發(fā)射；接收天線接受到目標(biāo)反射的微波信號后，經(jīng)接收混頻單元進(jìn)行頻率變換后送至中頻放大單元壓縮，然后再輸出至信號處理單元，信號處理單元對該輸入信號和從波形發(fā)生器單元輸入的信號進(jìn)行分析處理；電源單元產(chǎn)生各種電壓供各單元使用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波汽車防撞駕駛雷達(dá)裝置，其特征在于它還包括顯示單元，顯示從信號處理單元輸入的信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微波汽車防撞駕駛雷達(dá)裝置，其特征在于發(fā)射天線、接收天線采用微波貼片天線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微波汽車防撞駕駛雷達(dá)裝置，其特征在于微波振蕩單元產(chǎn)生不同頻率的信號，經(jīng)放大單元后送至發(fā)射天線發(fā)射，通過控制頻率實(shí)現(xiàn)波束掃描。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微波汽車防撞駕駛雷達(dá)裝置，其特征在于微波振蕩單元由上變頻器、開關(guān)器件、兩個振蕩器組成，其中至少有一個是電壓控制振蕩器；接收混頻單元由下變頻器、中頻放大器、零中頻混頻器組成；一個電壓控制振蕩器接收波形發(fā)生器單元的輸入信號并向上、下變頻器輸出信號；另一個振蕩器向零中頻混頻器輸出信號；開關(guān)器件連接在上變頻器與另一個振蕩器之間，它的開關(guān)由波形發(fā)生器單元控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微波汽車防撞駕駛雷達(dá)裝置，其特征在于波形發(fā)生器單元是由單片機(jī)、晶體振蕩器、可編程器件等組成的數(shù)字式波形發(fā)生器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微波汽車防撞駕駛雷達(dá)裝置，其特征在于信號處理單元對于壓縮后輸入信號先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再進(jìn)一步處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微波汽車防撞駕駛雷達(dá)裝置，其特征在于顯示單元根據(jù)從信號處理單元輸入的數(shù)據(jù)，顯示實(shí)現(xiàn)輔助駕駛所需的有關(guān)信息，同時給出緊急制動信號，或者顯示實(shí)現(xiàn)自動跟蹤駕駛所需的誤差信息。
專利摘要微波汽車防撞駕駛雷達(dá)裝置，是汽車防護(hù)和主動和自動式自動(輔助)駕駛領(lǐng)域的通用裝置。它主要由微波振蕩單元、波形發(fā)生器單元、微波功率放大單元、發(fā)射天線、接收天線、接收混頻單元、中頻放大單元、信號處理單元、顯示單元、電源單元等組成。收發(fā)天線采用了微波貼片天線，實(shí)現(xiàn)了波束掃描。波形發(fā)生器產(chǎn)生所需的各種波形。產(chǎn)生的三角波可將電壓控制振蕩器的線性控制在0.5％以內(nèi)。用于1－120米汽車防撞聲光報警，并提供防撞緊急制動信息。根據(jù)用戶要求，可提供輔助駕駛功能，顯示道路情況，全天候輔助駕駛。還可提供主動式自動跟蹤駕駛所需的通用誤差信息。完善與本裝置接口，可實(shí)現(xiàn)防撞緊急制動和自動跟蹤駕駛。
文檔編號B60T17/18GK2694291SQ20032012039
公開日2005年4月20日 申請日期2003年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月11日
發(fā)明者黃凱, 黃賦, 黃斌 申請人:黃凱, 黃賦, 黃斌