[發明專利]雙接收天線的汽車防撞雷達系統及運行方法

有效

• 申請號: 201410171083.0
• 申請日: 2014-04-25
• 公開（公告）號: CN103913742A
• 公開（公告）日: 2014-07-09
• 發明（設計）人: 蔣留兵;白云浩;吉雅雯;馮濤;楊濤
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G01S13/93
• 分類號: G01S13/93
• 代理公司: 桂林市持衡專利商標事務所有限公司 45107
• 代理人: 歐陽波

1.雙接收天線的汽車防撞雷達系統，包括微波收發部分、中頻信號處理部分、數據轉換部分、中央控制處理部分和電源部分；電源部分與系統其它各個部分連接、提供需要的電壓；微波收發部分包括發射天線、接收天線和射頻信號處理模塊，發射天線、接收天線與射頻信號處理模塊連接，射頻信號處理模塊處理后的信號經中頻信號處理部分和數據轉換部分，接入中央控制處理部分；所述數據轉換部分包括數模轉換模塊和模數轉換模塊；中央控制處理部分連接輸入設備和輸出設備；中央控制處理部分控制待發送信號經數據轉換部分接入射頻信號處理模塊，由發射天線發出；其特征在于：

所述微波收發部分包括2根獨立的接收天線和1根獨立的發射天線，2根接收天線和1根發射天線分別接入射頻信號處理模塊。

2.根據權利要求1所述的雙接收天線的汽車防撞雷達系統，其特征在于：

所述2根接收天線的距離，即基線長度L＝0.08m～0.15m。

3.根據權利要求1所述的雙接收天線的汽車防撞雷達系統，其特征在于：

所述接收天線和發射天線是一種窄波束雷達天線，為平面微帶天線。

4.根據權利要求1所述的雙接收天線的汽車防撞雷達系統，其特征在于：

所述射頻信號處理模塊為射頻信號單輸出雙輸入的K-波段帶壓控振蕩器的雷達收發芯片。

5.根據權利要求1所述的雙接收天線的汽車防撞雷達系統，其特征在于：

所述中央控制處理部分包括處理系統模塊和可編程邏輯模塊,以下稱為PS模塊和PL模塊；

PS模塊包括數據處理子模塊、系統子模塊和時鐘子模塊；系統子模塊配有串口、USB接口和VGA接口中的至少一種；

PL模塊包括調制信號產生子模塊、算法子模塊、鎖相環子模塊以及控制子模塊；控制子模塊連接控制微波發射接收部分、中頻信號處理部分和數據轉換部分，還連接調制信號產生子模塊和算法處理子模塊。

6.根據權利要求1所述的雙接收天線的汽車防撞雷達系統，其特征在于：

所述輸出設備為供司機參考的顯示裝置，輸出設備還有車載報警裝置和/或緊急制動裝置。

7.根據權利要求1至6中任一項所述的雙接收天線的汽車防撞雷達系統的運行方法，其特征在于：

接通電源后，PS模塊的軟件初始化，并對PL模塊進行配置；等待操作人員從輸入設備輸入開始運行的指令，若無指令輸入，繼續等待；開始指令輸入后，控制子模塊發送控制字到PL模塊的調制信號產生子模塊；具體步驟如下:

Ⅰ、發射調制三角波并采集回波信號

調制三角波參數編程輸入并存儲于控制子模塊，PL模塊的調制信號產生子模塊按照系統子模塊的指令產生三角波調制數字信號；調制數字信號輸出至數據轉換部分，數字信號轉換為模擬信號送入微波收發部分的射頻信號處理模塊，由發射天線發出；

所發射的調制三角波為線性調頻連續波LFMCW，其調制周期為T，調頻帶寬為B_a；其中前為三角波上升段，其斜率為其后周期為三角波下降段，斜率為發射信號的載波中心頻率為f_R；由于LFMCW信號的特性，回波信號依然為周期為T，調頻帶寬為B_a的三角波，其中心頻率偏移至f_R+f_d，f_d為目標運動導致的多普勒頻移；

目標回波經過接收天線進入微波收發部分的射頻信號處理模塊，進行下混頻操作；下混頻后得到差拍信號，同一個目標在三角波上升段產生一個譜峰對應下掃頻段產生一個對應的譜峰△f由目標距離決定；射頻信號處理模塊的輸出信號進入中頻信號處理部分的輸入端；

雙接收天線的汽車防撞雷達系統有兩個相距L的天線A、B，每個天線所接收的回波信號分為兩路：回波信號的實數部分I信號和虛數部分Q信號，即A天線的回波信號I_A、Q_A和B天線的回波信號I_B、Q_B；中頻信號處理部分分別對四路信號進行采集處理；

Ⅱ、基于MUSIC算法的目標檢測

M個周期的A天線回波信號I_A、Q_A和B天線的回波信號I_B、Q_B完成步驟Ⅰ的處理后,對每一個周期的回波信號數據進行MUSIC算法處理，得到對應目標的頻譜，兩個頻譜峰值對應一個目標；

MUSIC算法的具體操作如下：

對A天線第一個回波周期的實部數據x(n)，n為回波的采樣點數；對x(n)建立虛擬矩陣X(n)，

X(n)=x(n)x(n-1)...x(n-m+1)]]>

m為虛擬陣元個數，X(n)的協方差矩陣為R_xx＝E{X(n)X(n)^H}，式中E表示期望運算，H表示對矩陣求共軛；

對R_xx進行奇異值分解

Rxx=[S,G]ΣOOσ2In-rSHGH,]]>

式中∑表示信號特征值矩陣，O表示0矩陣，σ²I_n-r表示噪聲特征值矩陣，其中σ為噪聲的方差，S為信號矩陣，G為噪聲矩陣；最后求得SAI=1XH(n)GGHX(n);]]>

n取離散值，其范圍是接收天線探測的最大距離和最小距離所對應的頻率值；

S_AI的輸出為行向量，長度由接收天線探測探測距離決定，目標距離在S_AI對應位置出現一組峰值；

對A天線回波信號Q_A的數據進行上述相同的MUSIC算法得到S_AQ，對B天線回波信號I_B、Q_B的數據進行與A天線相同的MUSIC算法得到S_BI、S_BQ；

MUSIC算法所得數據暫存于PL模塊的算法子模塊；

Ⅲ、目標配對

在步驟Ⅱ中得到一組含有目標距離速度信息的行向量，對A天線回波信號進行取模處理，得到A天線回波的頻譜S_A；

S_A矩陣的三個重要的參數為譜線幅值﹑模糊速度值和距離值；

在步驟Ⅰ的發射調制三角波前為三角波上升段，后周期為三角波下降段，三角波調制信號的上升段、下降段分別稱為上掃頻、下掃頻，將S_A按上下掃頻分為兩部分，假設有N個目標，對應調制信號上升段、下降段的峰值大小分別為D_u1D_u2D_u3...D_uN，D_d1D_d2D_d3...D_dN；

根據調制信號上下掃頻段得到的譜線上下峰值差的絕對值判斷目標的距離值，根據譜線上下峰值的和判斷速度值；

得到的S_A在上下掃頻段對應N個目標分別各有N個譜線，當A天線回波的S_A的模糊多普勒頻率的譜線滿足上下峰值絕對值相同，則判斷它們的譜線幅度值相等，判斷為同一個目標的譜線,即目標配對；

B天線回波的頻譜S_B的目標配對與上述A天線回波的S_A的處理過程相同；

Ⅳ、計算目標的距離和速度信息

對周期T的調制三角波所采集到的A天線回波和B天線回波信號經步驟Ⅲ目標配對后分別將同一目標的上下掃頻數據配對分組，將各個目標的上下掃頻數值轉換為對應頻率值f，

f＝k*0.5+l

其中k為目標譜峰行向量位置，l為搜索頻率起始值；

根據A天線回波的數據計算N個目標中某個目標i的目標距離R_AI和目標速度v_Ai的公式如下：

RAi=CT4Ba(fAi++fAi-);vAi=C4fo(fAi--fAi+)]]>

式中C為光速，為T周期A天線回波的S_A上掃頻段的某個目標i頻譜峰值處頻率，為T周期A天線回波的S_A下掃頻段的某個目標i頻譜峰值處頻率，f_o為發射信號的載頻中心頻率，B_a為調頻帶寬；

根據回波B的數據計算某個目標i的R_Bi和v_Bi的計算方式與上述R_Ai和v_Ai的計算方式相同；

Ⅴ、目標方位信息提取

將步驟Ⅲ得到的A、B回波各目標的距離速度信息反映在一個距離-速度維矩陣Y內，

某個目標i偏離A天線主軸的角度為其中R_Ai和R_Bi分別為步驟Ⅳ中根據A、B回波得到的該目標i距離，L為兩天線的距離，即基線長度，θ_i為該目標偏離主跟蹤軸，即A天線主軸的方位角，其中左偏為負值，右偏為正值。