CN101661106B - 毫米波随机二相码调相调幅汽车防撞雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线电定位技术领域，具体是毫米波随机二相码调相调幅汽车防撞雷达。设准光集成介质透镜天线及阵列，DSP按车道扫描波束警戒路面可能发生碰撞的目标，由一个宽带噪声源产生两个随机码发生器，随机码发生器A码元调相测距/测速、随机码发生器B码元调幅、收/发转换及控制后沿检测，双随机码射频经上变频、R/T₃、倍频与功放、R/T₂、隔离器、天线发射；回波经天线阵列、波束开关、隔离器、R/T₁、高放、下变频、中放、随机序列异步选通门、数字中频正交检波器I/Q、数字脉压相关器传入DSP与MCU处理控制，本雷达相邻车道车流密集行驶互不干扰共存运行，具有很高的环境电磁兼容性EMC，DSP抑制虚警确定目标方位、距离和相对速度，CRT显示三维图像，识别与本车最近距离的目标，小于安全距离声光报警，接近危险距离智能避障或减速、刹车，其控制参考路况结合本车速和GPS当前位置信息作出抉择，显著提高汽车行驶安全。

Description

毫米波随机二相码调相调幅汽车防撞雷达

技术领域

本发明涉及无线电波发射和接收探测目标方位、距离和速度的技术领域，具体是一种毫米波随机二相码调相调幅汽车防撞雷达。

背景技术

目前，汽车及其它机动车大量增多，道路拥挤超负荷，车祸频繁发生，造成大量的生命伤亡和重大的财产损失，成为全世界严重的社会问题。美、欧、日本等国投入大量人力和物力研制先进防撞雷达，并纳入国家发展规划。由于汽车防撞雷达工作环境和条件是十分苛刻的，快速行驶中的车辆避撞时间极短，不足一秒钟，技术要求很高，有不少难题需解决。分析现有技术FM-CW调频连续波雷达窄天线波束可以减少干扰和虚警，而实际路况车道不全是直道，车辆在车道内行驶偏左偏右是常见的，过窄的天线波束雷达信号照射不能完全覆盖可能发生碰撞的潜在目标，针状天线波束很难全面检测防撞，存在着危险。所以，汽车防撞雷达应给司机提供前方足够的视域，天线水平方位角适当取较大是必要的。然而，同一区域相邻车道汽车周期信号调制的连续波FM-CW防撞雷达，车辆相对方向行驶，雷达接收机会受到对方雷达发射信号的照射，信号进入对方汽车雷达防撞预警系统会产生干扰，雷达失去正确检测目标处理回波能力，即使只是轻微的干扰，也会不同程度产生目标距离或相对速度信息的丢失，并且直射波能量要比回波信号强得多，严重时产生阻塞接收信号，引发防撞功能丧失，降低防撞雷达可靠性。由于汽车行驶流动距离范围很大，产生干扰概率极高，同一区域相邻车道各车辆雷达的环境电磁兼容EMC问题十分突出。因此，为实现普遍采用雷达防撞保障行驶安全的目标，首先解决抗干扰能力的问题。此外，连续波汽车防撞雷达天线发射能量泄漏阻塞，影响接收弱小目标回波信号，脉冲体制雷达发射脉宽遮挡接收回波，存在盲距等问题均需解决。总体来说现有防撞雷达缺少用传感器信号构成闭环控制的功能，缺少道路环境天线自适应控制、车辆自动避障、减速、刹车的智能控制，能见度差或行驶遇险情不能及时帮助司机解危避免事故。

发明内容

本发明的目的是提供在同一区域相邻车道车流密集行驶的环境中互不干扰、共存运行的毫米波随机二相码调相调幅汽车防撞雷达。

本发明的技术方案设有：发隔离器、收隔离器、中放、回波数据存储器RAM、数字信号处理器DSP、双口存储器RAM、微控制器MCU、接口I/O、路况摄像传感器、本车速传感器、卫星定位传感器GPS、测速引导传感器、声光报警器、图像显示器、避障器、减速器、刹车器、键盘，还设有宽波束发射天线、窄波束接收天线阵列、波束转换开关、频率合成器、收/发转换开关T/R₁、T/R₂、T/R₃、宽带噪声发生器、随机码发生器A、调相器、倍频与功放、随机码发生器B、调幅器、低噪声高放、分谐波混频器、随机序列异步选通门、数字中频正交检波器、数字脉压相关器，频率合成器可编程分频器预置端、数控振荡器数控端、数字脉压相关器可变延迟线数控端分别经接口I/O与MCU相接，频率合成器输出f_C3接入DSP为时钟信号，DSP按车道量编码脉冲分配序列接入波束转换开关、图像显示器CRT，宽带噪声发生器噪声谱接入随机码发生器A、随机码发生器B，频率合成器输出f_C1接入随机码发生器A为采样时钟信号，f_C2接入随机码发生器B为采样时钟信号，生成相互独立的双随机码，随机码发生器A输出接入调相器、数字脉压相关器，随机码发生器B输出随机序列接入调幅器，随机序列高电平逻辑“1”接入T/R₂、T/R₃，低电平逻辑“0”接入T/R₁、随机序列异步选通门，收/发转换开关T/R₂、T/R₃分别接在倍频与功放的输入/输出端，调幅器串接在倍频与功放直流电源端，T/R₁接在收隔离器输出至低噪声高放输入之间，随机序列异步选通门接在中放输出至数字中频正交检波器输入之间，频率合成器输出f_N接入调相器为载频一半或四分之一频率，调相射频经倍频与功放二或四倍频、功率放大为雷达载频f₀接至T/R₂、发隔离器馈入宽波束发射天线照射路面探测前方路障目标，频率合成器输出f_N接入分谐波混频器为二或四内在倍频本振信号f_L、频率合成器输出f_i接入数字中频正交检波器为相干基准信号，f_C7为数字中频正交检波器模数转换器A/D采样时钟信号，f_C8为数字中频正交检波器数字低通滤波器LPF时钟信号，f_C9为数字中频正交检波器抽取器时钟信号，目标回波经窄波束接收天线阵列、波束转换开关、收隔离器、T/R₁、低噪声高放、分谐波混频器、中放，在随机序列异步选通门选取再经数字中频正交检波器解调信号接入数字脉压相关器，相关输出数据暂存回波数据存储器RAM后接入DSP数据总线，DSP与MCU数据总线、地址总线、控制线经双口存储器RAM汇接，并提供仲裁信号，MCU输入/输出经接口I/O连接路况摄像传感器、本车速传感器、卫星定位传感器GPS、测速引导传感器、声光报警器、CRT、避障器、减速器、刹车器、键盘，DSP软件设计片内分组时分复用数据重排、动目标显示MTI、快速傅里叶变换FFT、距离旁瓣抑制、恒虚警处理CFAR，MCU系统软件编程包括主程序和数据采集、数据处理、对象控制子程序，中放检出自动增益控制电压经滤波、放大接入低噪声高放、中放的自动增益AGC控制端，频率合成器、宽带噪声发生器、随机码发生器A、随机码发生器B，波束转换开关、收隔离器、发隔离器、T/R₁、T/R₂、T/R₃、调相器、调幅器、倍频与功放、低噪声高放、分谐波混频器、中放集成一体、屏蔽；

其中，频率合成器由恒温晶振、晶振分频器、高次倍频放大链、混频器、带通滤波器、放大器、压控振荡器VCO、鉴相器、环路滤波器、环路分频器、注入谐波分频器、数控振荡器NCO组成，VCO由砷化镓高电子迁移率晶体管GaAsHEMT器件、介质谐振器反馈振荡、变容管压控调谐，环路分频器由前置分频器和可编程分频器组合，恒温晶振输出第一路信号经高次倍频放大链与VCO输出接入混频器，混频后经带通滤波器、放大器，再经环路分频器接入鉴相器，第二路信号经晶振分频器接入鉴相器，鉴相输出经环路滤波器压控VCO锁相频率合成，VCO输出f_N为雷达调相器载频一半或四分之一频率，f_N经定向耦合器得到分谐波混频器二或四内在倍频本振f_L，可编程分频器输出f_C1为随机码发生器A采样时钟信号、f_C2为随机码发生器B采样时钟信号、f_C3为DSP时钟信号、f_C4为MCU时钟信号、f_C5为数字脉压相关器时钟信号、f_C6为回波数据存储器RAM时钟信号，f_C7为数字中频正交检波器模数转换器A/D采样时钟信号、f_C8为数字低通滤波器LPF时钟信号，f_C9为抽取器时钟信号，第三路接注入谐波分频器至DDS相位步进寄存器、N位相位累加器、ROM正弦查找表存储器形成的数控振荡器NCO，输出f_icosωot_n、f_i-sinωot_n为数字中频正交检波器相干基准信号，可编程分频器预置端、数控振荡器NCO数控端分别经接口I/O接入MCU；

宽波束发射天线、窄波束接收天线阵列均为准光集成介质透镜天线，由介质基片双偶极子集成天线、介质透镜、物镜、阵列基座、防护罩构成，介质基片双偶极子集成天线放置在介质透镜的背面为馈源，介质透镜由半球和半径与半球相同的圆柱体相接而成扩展的超半球，扩展部分的长度可改变，发射天线设置为单个介质透镜，宽波束照射整个路面，接收天线设成按路面车道数量窄波束介质透镜天线阵列，数字信号处理器DSP按车道数量编码脉冲分配序列接入波束转换开关、图像显示器CRT坐标变换器，介质透镜固定在阵列基座上，物镜焦点对准介质透镜中心轴线，外置防护罩；

波束转换开关是在接收天馈集成PIN二极管或砷化镓场效应管GaAsFET串、并、串连接的单刀单掷开关SPST，控制天线阵列由多个SPST组合成单刀多掷开关，控制偏压由数字信号处理器DSP编码脉冲分配序列经低通网络接入，收/发转换开关T/R₁、T/R₂、T/R₃由PIN二极管或砷化镓场效应管GaAsFET组成串、并，串阵列式单刀单掷SPST开关，T/R₁接在收隔离器输出至低噪声高放输入之间，T/R₂、T/R₃分别接在倍频与功放的输入/输出端，控制偏压由随机码发生器B输出脉冲高电平逻辑“1”经低通网络接入T/R₂、T/R₃，低电平逻辑“0”经低通网络接入T/R₁；

随机码发生器A、随机码发生器B由同一个宽带噪声源、微波宽带放大器输出，随机码发生器A由SAW声表带通滤波器、高速或超高速电压比较器、高速或超高速采样保持器、有源积分器、高速双稳态触发器组成，随机码发生器B由SAW声表带通滤波器、电压比较器、采样保持器、有源积分器、双稳态触发器组成，宽带噪声源由PN结二极管芯片上设一P或N扩散限流环，串联温补二极管，恒流反向偏置为雪崩状态，置于同轴腔或波导腔经微波宽带放大器及宽带匹配过渡网络输出接入随机码发生器A、随机码发生器B，频率合成器输出f_C1接入随机码发生器A为采样时钟信号，f_C2接入随机码发生器B为采样时钟信号，随机码发生器A由SAW声表带通滤波器、高速或超高速电压比较器至高速或超高速采样保持器，经有源积分器反馈接回高速电压比较器为比较门限，再经高速双稳态触发器、低通网络接入调相器、数字脉压相关器可变延迟线，随机码发生器B由SAW声表带通滤波器、电压比较器至采样保持器，经有源积分器反馈接回电压比较器为比较门限，再经双稳态触发器、低通网络接入调幅器，其高电平逻辑“1”接入收/发转换开关T/R₂、T/R₃，低电平逻辑“0”接入收/发转换开关T/R₁、随机序列异步选通门；

调相器由衬底未掺杂砷化镓GaAs与未掺杂铝基砷化镓AlGaAs形成交界面的基片上，集成两组高电子迁移率晶体管HEMT器件对管、四个3dBLange定向耦合器及六个电阻构成两路反射式电桥调制器，两组HEMT对管栅极分别串一电阻接入调制信号，源极接地，两个3dBLange定向耦合器分别接在两组HEMT器件对管漏极，交叉耦合到其余两个3dBLange定向耦合器，匹配负载电阻，调相器输入/输出端口可互易，频率合成器VCO输出f_N为雷达载频一半或四分之一频率接调相器，随机码发生器A输出经低通网络接入两路调制器HEMT对管栅极互补控制，生成0、π二进制BPSK调相信号；

倍频与功放倍频级由磷化铟为衬底砷化镓高电子迁移率InPGaAsHEMT晶体管栅极接λ/4阻抗变换微带线及偏置电路，源极并联在接地阻容，漏极微带线抑制基波和三次谐波，调谐在二次或四次谐频为雷达载频f₀，功放级由InPGaAsHEMT器件栅极接入微带阻抗变换和C类偏置，源极接地，漏极微带线调谐在f₀，并与天线阻抗匹配，倍频与功放直流电源端经低通网络串接调幅器；

低噪声高放由一个双栅磷化铟为衬底砷化镓高电子迁移率晶体管InPGaAsHEMT、微带网络构成，第一栅极接天线回波载频匹配网络，第二栅极为AGC自动增益控制端，接中放AGC检出电压，源极阻容接地，漏极输出匹配网络接入分谐波混频器SHP，两个肖特基二极管反向并接在本振信号f_L匹配网络与回波载频信号f₀匹配网络之间，本振信号f_L由频率合成器输出f_N经定向耦合器连接，中频IF经带通网络在本振信号f_L匹配网络的一侧取出；

数字中频正交检波器由模数转换器A/D、同相I、正交Q两路数字乘法器、数字低通滤波器LPF、抽取器组成，频率合成器输出f_C7为A/D采样时钟信号，f_C8为LPF时钟信号，f_C9为抽取器时钟信号，中放带通滤波器经随机序列异步选通门选取接入A/D，其输出分别接I、Q支路两路数字乘法器输入的一端，频率合成器数控振荡器NCO输出信号f_icosωot_n、f_i-sinωot_n相应连接I、Q支路两路乘法器另一输入端，I、Q两路数字乘法器输出串联数字低通滤波器LPF、抽取器接入数字脉压相关器，数字脉压相关器由I、Q支路移位寄存器、延迟线、相关运算阵列、求和相加器组成，延迟线是由抽头移位寄存器及开关电路组成可变延迟线，开关电路数控端经接口I/O接入微控制器MCU，频率合成器输出f_C5接入延迟线移位寄存器、I、Q支路移位寄存器为时钟信号，随机码发生器A输出接入数字脉压相关器可变延迟线产生延时码，数字中频正交检波器由抽取器输出信号在I、Q支路移位寄存器循环移位，与可变延迟线延时码对应接入相关运算阵列至求和相加器，相关器输出数据暂存回波数据存储器RAM后接入数字信号处理器DSP数据总线。

本发明技术方案由一个宽带噪声源产生两个相互独立码元的随机码发生器，随机码发生器A调相测距/测速，随机码发生器B幅度键控调相载频二次调制，随机序列异步控制收/发转换开关，高电平逻辑“1”前沿时T/R₂、T/R₃接通倍频与功放发射，T/R₁关断接收，后沿时进入低电平逻辑“0”T/R₂、T/R₃关断倍频与功放，T/R₁接通接收，随机序列异步选通门选取目标；调相/调幅双重随机编码异步检测，大大增强不断变化的随机性，同一区域相邻车道环境相对方向行驶，使用宽波束天线，发射信号相互照射扫掠，尽管干扰信号必然进入对方接收通道，其随机信号是随机变量的时间过程，双随机码不重复性极快的交叉变化，起不了对目标回波相关处理干扰作用，因此互不干扰、共存运行，不影响对方雷达正常防撞功能，不仅有很强的抗干扰环境电磁兼容性EMC，后沿检测避免发射脉宽遮挡的盲区，抑制发射能量泄漏提高接收灵敏度；准光集成介质透镜天线阵列传输毫米波损耗小增益高，口径小，成本低，不影响汽车外观和气动性；反射式电桥调相器相互抵消寄生参量引起的相幅误差，精度高；数字中频正交检波器用一个A/D完成中频相干采样，数控振荡器NCO输出f_i相干基准信号保证相位差90°；频率合成多个高稳频基准频率和时钟信号，保障雷达载频收/发、脉位同步，载频取二分之一或四分之一频率，其谐频与分谐波混频本振内在倍频组合，少量器件获得毫米波高端载频测距测速高分辨力；DSP抑制虚警识别与本车最近距离的目标，当前方无车由司机设定速度行驶，出现车辆时雷达测其信号，跟踪至最近车辆，控制本车速保持安全距离，偏离安全距离时声光报警，逼近危险距离MCU指令避障器自动避障或启动减速器、刹车器智能控制，并可识别静止车辆绕道而过，MCU智能控制是根据雷达测得的相关数据，参考路况和本车速及GPS传感信息数据作出抉择，如遇迎面相撞的险情，其时间是两车速度之和，安全距离急剧缩短，要求驾驶素质、经验更高，相应地智能防撞雷达自适应控制系统反映速度为ms级甚至μs级，比人类反映快得多，在无机械故障条件下人控是不能替代的，起到能见度差行驶司机不易看清楚的避障功能，极大提高防撞性能。

附图说明

图1本发明汽车防撞雷达技术方案原理图

图2雷达收/发信号时序图

图3频率合成器

图4双随机二相码发生器

图5调相/调幅电路

图6回波信号提取电路

具体实施方法

参照图1，本发明具体实施方法和实施例设有：发隔离器11、收隔离器4、中放7、回波数据存储器RAM19、数字信号处理器DSP20、双口存储器RAM21、微控制器MCU22、接口I/O33、路况摄像传感器23、本车速传感器24、卫星定位传感器GPS25、测速引导传感器32、声光报警器26、图像显示器CRT30、避障器27、减速器28、刹车器29、键盘31，还设有宽波束发射天线1、窄波束接收天线阵列2、波束转换开关3、频率合成器9、收/发转换开关T/R₁、T/R₂、T/R₃、宽带噪声发生器16、随机码发生器A14、调相器17、倍频与功放12、随机码发生器B15、调幅器13、低噪声高放5、分谐波混频器6、随机序列异步选通门8、数字中频正交检波器10、数字脉压相关器18，频率合成器9可编程分频器预置端、数控振荡器数控端、数字脉压相关器18可变延迟线数控端分别经接口I/O33与MCU22相接，频率合成器9输出f_C3接入DSP20为时钟信号，DSP20按车道量编码脉冲分配序列接入波束转换开关3、CRT30，宽带噪声发生器16噪声谱接入随机码发生器A14、随机码发生器B15，频率合成器9输出f_C1接入随机码发生器A14为采样时钟信号；f_C2接入随机码发生器B15为采样时钟信号，生成相互独立的双随机码，随机码发生器A14输出接入调相器17、数字脉压相关器18，随机码发生器B15输出随机序列接入调幅器13，随机序列高电平逻辑“1”接入T/R₂、T/R₃，低电平逻辑“0”接入T/R₁、随机序列异步选通门8，收/发转换开关T/R₂、T/R₃分别接在倍频与功放12的输入/输出端，调幅器13串接在倍频与功放12直流电源端，T/R₁接在收隔离器4输出至低噪声高放5输入之间，随机序列异步选通门8接在中放7输出至数字中频正交检波器10输入之间，频率合成器9输出f_N接入调相器17为载频一半或四分之一频率，调相射频经倍频与功放12二或四倍频、功放为雷达载频f₀接至T/R₂、发隔离器11馈入宽波束发射天线1照射整个路面探测前方路障目标，频率合成器9输出f_N接入分谐波混频器6为二或四内在倍频本振信号f_L、频率合成器9输出f_i接入数字中频正交检波器10为相干基准信号，f_C7为数字中频正交检波器10模数转换器A/D采样时钟信号，f_C8为数字中频正交检波器10数字低通滤波器LPF时钟信号，f_C9为数字中频正交检波器10抽取器时钟信号，目标回波经窄波束接收天线阵列2、波束转换开关3、收隔离器4、T/R₁、低噪声高放5、分谐波混频器6、中放7，在随机序列异步选通门8选取再经数字中频正交检波器10解调接入数字脉压相关器18，相关输出数据存回波数据存储器RAM19后接入DSP20数据总线，DSP20与MCU22数据总线、地址总线、控制线经双口存储器RAM21汇接并提供仲裁信号，MCU22输入/输出经接口I/O33连接路况摄像传感器23、本车速传感器24、卫星定位传感器GPS25、测速引导传感器32、声光报警器26、CRT30、避障器27、减速器28、刹车器29、键盘31，DSP20软件设计片内分组时分复用数据重排、动目标显示MTI、快速傅里叶变换FFT、距离旁瓣抑制、恒虚警处理CFAR，MCU22系统软件编程包括主程序和数据采集、数据处理、对象控制子程序，中放7检出自动增益控制电压经滤波、放大接入低噪声高放5、中放7自动增益控端，频率合成器9、宽带噪声发生器16、随机码发生器A14、随机码发生器B15、波束转换开关3、收隔离器4、发隔离器11、T/R₁、T/R₂、T/R₃、调相器17、调幅器13、倍频与功放12、低噪声高放5、分谐波混频器6、中放7集成一体、屏蔽。

准光集成介质透镜宽波束发射天线、窄波束接收天线阵列，均由介质基片集成为双偶极子天线元粘置在介质透镜的背面为馈源，介质透镜为扩展的半球透镜，用它合成超半球或椭球透镜，超半球透镜用来模拟集成天线的无穷厚介质基片，以消除表面波，改变扩展长度可获得准光辐射，物镜焦点对准超半球介质透镜的高斯束辐射进一步得到高辨力的方向性。发射天线设置成宽波束单个透镜天线照射前方整个路面，接收天线设成窄波束透镜天线阵列，按路面车道所对应的波束DSP电扫描转换，在道路直线行驶有良好的角度分辨力，道路弯曲或斜坡较大行驶天线波束旁辨低，水平方向视野广阔，方位角分辨力高，减轻辐射干扰，抗振动和防尘能力强，基于准光透镜天线传输毫米波损耗小增益高，机械特性坚固，成本低，不影响汽车外观和气动性。

收/发转换开关T/R₁、T/R₂、T/R₃为单刀单掷开关SPST，其中T/R₂、T/R₃为双连同步开关，开关器件采用PIN二极管或砷化镓场效应管GaAsFET，随机码发生器B输出随机序列逻辑“1”前沿时正偏为导通状态，接通倍频与功放输入/输出，调幅器键控调相载频，经发隔离器、宽波束天线射向整个路面前方探测路障目标，同时T/R₁其PIN管或GaAsFET管处于反偏截止，切断回波输入信号，关断接收，当T/R₁其PIN管或GaAsFET管在随机序列后沿时进入逻辑“0”正偏为导通状态，接收回波信号，T/R₂、T/R₃的PIN管或GaAsFET管处于反偏截止切断倍频与功放输入/输出信号。单管开关隔离度和频带较小，多管串、并、串结构并与收、发隔离器组合得到所需性能。T/R₂、T/R₃控制倍频与功放输入/输出，并在倍频与功放直流电源端串接调幅器，得到深度的调幅键控和隔离度。

倍频与功放采用磷化铟为衬底砷化镓高电子迁移率晶体管InPGaAsHEMT，有较宽的工作频带和较高的功率增益，器件功耗热耗小，倍频级源极阻容接地自给偏压，漏极微带网络抑制基波和奇次谐波，功放级按C类偏置有较高的效率。取雷达载频一半或四分之一频率接入调相器，二或四倍频与功放为雷达载频f₀，与分谐波混频本振内在倍频组合，降低频率合成器输出高端毫米波频率的要求，少量器件达到雷达载频收/发。

为了克服噪声影响提高雷达接收弱小目标信号，设双栅磷化铟为衬底砷化镓高电子迁移率晶体管InPGaAsHEMT为低噪声高放器件，具有毫米波高端频率优良的低噪声和自动增益控制AGC特性，能明显改善强噪声背景下检测目标。鉴于汽车防撞雷达为近距离检测，高放增益15dB左右达到实用要求。针对目标回波信号强弱起伏很大，大信号输入混频易产生阻塞，因而低噪声高放自动增益控制是必要的。

分谐波混频器是在微带或鳍线反向并接两个肖特基二极管，“背靠背”正向击穿特性相互保护在过高反向电压时不被烧毁，回波载频信号与本振信号频率相差甚远，隔离大于30dB，电路简单无须耦合电桥和直流电源，本振内在倍频只须取载频一半或四分之一频率，与调相载频倍频组合，减少毫米波高端器件。

中放自动增益控制有较大的动态范围，与低噪声高放AGC组合避免大卡车、大巴强目标回波信号过载，并可防止强干扰引起的过载，兼顾小目标如摩托车、电动车、自行车及行人的增益，保持不同目标截面反射起伏和强干扰出现仍有较高检测概率。

图2雷达收/发信号时序图，(a)是数字信号处理器DSP按车道编码脉冲分配序列控制波束转换开关的一个波形Ts，(b)是随机码发生器B输出随机序列的波形，高电平逻辑“1”前沿时T/R₂、T/R₃接通发射，T/R₁关断接收，后沿时进入低电平逻辑“0”T/R₂、T/R₃关断发射，T/R₁接通接收。(c)是雷达发射调相/调幅随机序列波形，图中(d)、(e)、(f)、(g)浅色波形是发射随机码调相/调幅信号，深色波形为随机序列异步接收到的目标回波，(d)为收/发脉冲重叠吻合，回波延时△t＝0，零距离目标无回波视为“盲区”。(e)、(f)收/发脉冲延时△t>0，△t<max，不同目标距离不同的延时△t，距离越近回波脉冲越窄，信号功率越小，但近区场辐射较强，信噪比仍高，在衰减量不致于过大时近距目标可以检测。(g)回波延时为最大，随机序列切换收/发信号没有固定周期脉宽遮挡的盲区，回波延时超值不影响更远距离目标的检测。雷达收/发异步工作，从时间上完全隔离发射信号能量泄漏，极大提高雷达检测弱信号目标的能力。本发明采用同一个宽带噪声源产生相互独立的两个随机码，雷达载频双重随机编码调相/调幅汽车防撞雷达，在同一区域相邻车道环境极低的码元相关概率，车流密集行驶互不干扰高性能电磁兼容性EMC，达到FM-CW雷达、DP雷达不具备的优点。

图3频率合成器，由恒温晶振9a为基准源，输出第一路信号由阶跃管倍频、放大器组成高次倍频链9b、9c、9d、9e，与压控振荡器VCO9i接入混频器9n，混频后经带通滤波器、放大器9m，再经由前置分频器91、可编程分频器9k组合的环路分频器接入鉴相器9g；第二路信号经晶振分频器9f接入鉴相器9g，输出经环路滤波器9h压控VCO9i锁相频率合成，VCO9i输出f_N毫米波雷达载频f₀的一半或四分之一频率调相，经定向耦合器9j为分谐波混频器6本振f_L激励内在倍频混频，可编程分频器9k输出f_C1为随机码发生器A采样时钟信号、f_C2为随机码发生器B采样时钟信号，f_C3为DSP时钟信号，f_C4为MCU时钟信号、f_C5为数字脉压相关器时钟信号、f_C6为回波数据RAM时钟信号，f_C7为数字中频正交检波器的A/D采样时钟信号，f_C8为数字中频正交检波器数字低通滤波器LPF时钟信号，f_C9为数字中频正交检波器抽取器时钟信号；第三路由注入谐波分频器9o接至DDS数控振荡器NCO9p为时钟信号，相位步进寄存器暂存频率控制字的数据，N位相位累加器在时钟作用下不断地进行频率控制字累加，对频率2π周期内相位采样，正弦查表存储器ROM存有一个周期的正弦波数据，查表地址对应形成输出f_i余弦_cosωot_n、正弦-_sinωot_n为数字中频正交检波器同相I支路、正交Q支路基准信号，数控查表输出f_i相干基准信号相位差精确为90°。VCO9i锁相输出与晶振倍频放大链混频进行频率反馈下移，减小环路前置分频器91分频比，改善相噪特性。采用恒温晶振9a信号锁相频率合成，频稳度优于10^-9/ms，能适于汽车强振动和温差大的恶劣环境下工作，提供智能防撞精确的各基准信号，确保收/发载频起始相位同步，数字中频正交检波、A/D采样等相干关系。预置键盘设定可编程分频器9k、数控振荡器NCO9p输出信号。

图4双随机二相码发生器，宽带噪声源16在极宽的频率范围内生成均匀、平坦的噪声，带宽达数个至数十个倍频程，抑制闪烁不可控噪声的产生至关重要，故在噪声器件PN结二极管其管芯设置P或N扩散限流环，使击穿电压比其高，限制击穿范围直接位于P区或N区，消除结区边缘不可控微等离子区击穿，得到PN结均匀击穿抑制不可控闪烁噪声的产生。管芯衬底基片置热沉，降低结温产生稳定的噪声谱。恒流源反偏在雪崩击穿区域，稳定的载流子雪崩倍增电流起伏产生随机散弹噪声，幅频呈正态分布。由于噪声产生受温度影响码元正负极性概率，串联温补二极管减少其影响。噪声管和温补管及偏置、微波宽带放大器置于同轴腔或波导腔隔离外界电磁场的干扰带限放大噪声频谱，匹配宽带网络过渡传输线分别接入随机码产生器A14、随机码产生器B15。现以随机码产生器B15为例，SAW声表带通滤波器a选取合适的码频与带宽，SAW声表带通滤波器a可供选用的中心频率范围广，带通滤波特性在频域上十分陡峭，插入损耗小，经电压比较器b选择噪声正负极性，频率合成器输出采样时钟信号f_C1、f_C2控制采样保持器c进行周期采样、保持，有源积分器d反馈回电压比较器b为均值门限比较，输出保持正负电平概率、随机序列占空比基本相等的随机二相码元，双稳态触发器e输出接外电路。随机码产生器A14用于调相器17雷达载频发射和回波数字脉压相关器18处理目标距离/速度信息，达到测距高分辨力码频与带宽取值相对较大，采样时间取值快，因此器件工作速度相应选高速或超高速。随机码产生器B15用于调幅器13幅度键控调相载频，随机序列高电平逻辑“1”前沿时收/发转换开关T/R₂、T/R₃接通倍频与功放输入/输出发射信号，T/R₁关断接收；后沿时进入低电平逻辑“0”T/R₂、T/R₃关断倍频与功放输入/输出，T/R₁接通接收，随机序列异步选通门8选取目标信号。

两组随机码发生器码频与带宽、采样时钟信号取值不同，产生相互独立的双随机码。基于随机信号是随机变量的时间过程，无周期性重复，调相/调幅双重随机编码异步检测，大大增强不断变化的随机性，同一区域环境相邻车道相对方向行驶，可以使用宽波束天线，发射信号相互照射扫掠，尽管干扰信号必然进入对方接收通道，由于双随机码收/发信号不重复性极快的交叉变化，起不了对目标回波相关处理干扰作用，因此互不干扰、共存运行。

图5调相/调幅电路，随机码调相器17是在砷化镓基片上集成两组高电子迁移率晶体管HEMT对管、四个3dBLange定向耦合器及六个电阻构成两路反射式调制器，它是一种冷HEMT平衡推挽模式调制器，其调制电压互补控制，两路调制器输出为复数相加，矢量合成0、π二进制BPSK调相信号，输入/输出端口可互易。当一组对管栅极调制信号为正偏电压时，管子导通呈短路，使其3dBLange定向耦合器射频RF电压反射系数为负，当栅极调制信号为夹断电压时，管子沟道夹断呈开路，射频电压反射系数为正，反射波经3dBLange定向耦合器叠加输出对应管子通、断其相位差为0至π变化，两路反射式调制器相互抵消寄生参量引起振幅和相位的误差，得到优良的BPSK调相，确保雷达高精度检测。频率合成器9输出f_N为调相器17载频，随机码发生器A14选取宽带噪声发生器16输出的合适码频与带宽，相应采样时钟信号触发生成随机码脉冲，控制调相器两组HEMT对管栅极。栅路串联电阻限流，偏压经低通网络阻止载频。随机码发生器A14输出同时接入数字脉压相关器18相关处理目标回波信号。选取宽带噪声发生器16输出的合适码频与带宽，相应采样时钟信号触发，随机码发生器B15产生随机序列脉冲驱动调幅器13键控倍频与功放12的调相信号，并控制收/发转换开关T/R₂、T/R₃、随机序列异步选通门。

图6回波信号提取电路，数字中频正交检波器10是在回波信号数字化处理之前，将其中频去掉，使回波信号进行零中频的数字同相/正交相干检波(或称零中频相参混频)输出零中频基带信号，图中只用一个模数变换器A/D101对中频回波信号采样，其采样时钟信号f_C7由频率合成器提供，采样率应满足奈奎斯特定理。I、Q两路乘法器102进行复数字下变频，频率合成器NCO输出f_icosωot_n、f_i-sinωot_n分别接入I、Q两路乘法器，相干基准信号相位差精确为90°，数字低通滤波器LPF103时钟信号f_C8、抽取器104时钟信号f_C9均由频率合成器输出。回波信号经数字低通滤波器LPF103滤波传入抽取器104采样率减少的转换，数字脉压相关器18将数字中频正交检波器10的抽取器104输出信号，与随机码发生器A14、延迟线182为参考信号，在I、Q支路移位寄存器181、相关运算阵列183、求和相加器184相关处理，相关输出码元出现最大值，即为数字脉压相关器18主峰匹配获取高信噪比尖锐图钉函数信息的检测。频率合成器输出时钟信号f_C5触发I、Q支路移位寄存器181、可变延迟线182，MCU接口I/O33与可变延迟线182数控端相接，可变延迟线在雷达探测目标最大作用距离范围内MCU控制开关步进，改变脉压系数冲击响应可获取不同距离、速度目标的相关数据。

目标回波I/Q正交相干检波和脉压相关处理复调制信号被分解成实部和虚部，信号幅度和相位两个信息都保存下来，此信号送到回波数据存储器RAM19暂存，数字信号处理器DSP20片内分组时分复用进行数据重排、动目标显示MTI、快速傅里叶变换FFT谱分析，距离旁瓣抑制、恒虚警处理CFAR。FFT等效于大量的距离门和多普勒滤波器组，对目标相对运动差拍的距离和速度频谱分析及距离旁瓣的抑制。完成FFT运算，恒虚警电路CFAR加以处理，根据剩余杂波的强度自动调节检测门限，使虚警概率保持在允许值内，超过门限的信号作出相关信息处理，以确定是否目标，如果是，则对目标的距离、速度及方位角度等数据送到图像显示器。当前方无车是由司机设定速度行驶，出现车辆时雷达测其距离和相对速度，跟踪至最近车辆，控制本车速保持安全距离，偏离安全距离时声光报警，至逼近危险距离有一段可以避撞时间的距离，此时司机作出正确操作60％以上可以避撞，启用自适应控制系统智能防撞雷达，避撞不受司机心理和生理能力所限，正确率大大提高。

逼近危险距离时MCU指令自动避障或减速甚至刹车智能控制，MCU智能控制是根据雷达测得的相关数据，参考路况车流稀密度结合本车速度和GPS提供本车当前所处位置信息作出抉择数据处理，控制执行机构。利用动目标显示MTI脉冲对消滤波识别静止车辆或建筑物，控制本车绕道而过。如遇迎面相撞的险情，其时间是两车速度之和，安全距离急剧缩短，要求驾驶素质、经验更高，相应地智能防撞雷达自适应控制系统反映速度为ms级甚至μs级，比人类反映快得多，且不受心理和生理能力所限，在无机械故障条件下人控是不能替代的，极大提高防撞性能。

本发明汽车防撞雷达嵌入卫星定位传感器GPS，接收卫星星座发射到地面的相关无线电信号，数据送入MCU实时提供本车所处位置。另外，本雷达还嵌入测速引导传感器(专利号：ZL2005100494549)接收交管限速路段测速雷达信号，警示司机适时调整车速避免和减少因超速引发的交通事故，加强交通安全。

数据放入数字信号处理器DSP片外回波存储器RAM，DSP执行运算速度太为提高，双口存储器RAM使DSP与MCU交换数据双方握手操作，每个数据在双口RAM中按字节由低到高占用，双口RAM提供仲裁信号避免DSP与MCU发生数据处理竞争。

本实施例频率合成器输出f_N为19.250GHz调相、分谐波混频器本振，经倍频与功放四倍频为雷达载频77GHz，分谐波混频内在四倍频接收回波信号，发射输出峰值功率21.9dBm，接收灵敏度-125dBm，雷达最大作用距离为150m，最小作用距离1m，宽波束发射天线水平方位角8.5°，垂直方位角3°，增益32.5dB，旁瓣-22dB照射前方整个路面探测目标，窄波束接收天线水平方位角2°，垂直方位角3°增益33.5dB，按高速公路单向道路设成左、中、右三个波束由DSP脉冲信号控制波束转换开关扫描，调相码元带宽为1.5GHz，调幅脉宽6ns，角度分辨力≤1°目标距离分辨力≤1m，速度分辨力<0.41m/s，自动刹车机电延时<10ms，本车时速145km/h能紧急制动。

Claims (7)

1.一种毫米波随机二相码调相调幅汽车防撞雷达，设有发隔离器、收隔离器、中放、回波数据存储器RAM、数字信号处理器DSP、双口存储器RAM、微控制器MCU、接口I/O、路况摄像传感器、本车速传感器、卫星定位传感器GPS、测速引导传感器、声光报警器、图像显示器CRT、避障器、减速器、刹车器、键盘，其特征在于：还设有宽波束发射天线、窄波束接收天线阵列、波束转换开关、频率合成器、收/发转换开关T/R₁、T/R₂、T/R₃、宽带噪声发生器、随机码发生器A、调相器、倍频与功放、随机码发生器B、调幅器、低噪声高放、分谐波混频器、随机序列异步选通门、数字中频正交检波器、数字脉压相关器，频率合成器可编程分频器预置端、数控振荡器数控端、数字脉压相关器可变延迟线数控端分别经接口I/O与MCU相接，频率合成器输出f_c3，f_c3作为时钟信号接入DSP，DSP按车道量编码脉冲分配序列接入波束转换开关、图像显示器CRT，宽带噪声发生器噪声谱接入随机码发生器A、随机码发生器B，频率合成器输出f_c1，f_c1作为采样时钟信号接入随机码发生器A，频率合成器输出f_c2，f_c2作为采样时钟信号接入随机码发生器B，生成相互独立的双随机码，随机码发生器A输出接入调相器、数字脉压相关器，随机码发生器B输出随机序列接入调幅器，随机序列高电平逻辑“1”接入T/R₂、T/R₃、低电平逻辑“0”接入T/R₁、随机序列异步选通门，收/发转换开关T/R₂、T/R₃、分别接在倍频与功放的输入/输出端，调幅器串接在倍频与功放直流电源端，T/R₁接在收隔离器输出至低噪声高放输入之间，随机序列异步选通门接在中放输出至数字中频正交检波器输入之间，频率合成器输出f_N，f_N作为载频一半或四分之一频率接入调相器，调相射频经倍频与功放级二或四倍频后，功率放大为雷达载频f₀接至T/R₂发隔离器馈入宽波束发射天线照射整个路面探测前方路障目标，频率合成器输出f_N，f_N接入分谐波混频器作为二或四内在倍频本振信号f_L、频率合成器输出f_i，f_i作为相干基准信号接入数字中频正交检波器，频率合成器输出f_c7，f_c7作为采样时钟信号接入数字中频正交检波器模数转换器A/D，频率合成器输出f_c8，f_c8作为时钟信号接入数字中频正交检波器数字低通滤波器LPF，频率合成器输出f_c9，f_c9作为时钟信号接入数字中频正交检波器抽取器，目标回波经窄波束接收天线阵列、波束转换开关、收隔离器、T/R₁、低噪声高放、分谐波混频器、中放，在随机序列异步选通门选取再经数字中频正交检波器解调接入数字脉压相关器，相关输出数据暂存回波数据存储器RAM后接入DSP数据总线，DSP与MCU数据总线、地址总线、控制线经双口存储器RAM汇接并提供仲裁信号，MCU输入/输出经接口I/O连接路况摄像传感器、本车速传感器、卫星定位传感器GPS、测速引导传感器、声光报警器、图像显示器CRT、避障器、减速器、刹车器、键盘，DSP软件设计片内分组时分复用数据重排、动目标显示MTI、快速傅里叶变换FFT、距离旁瓣抑制、恒虚警处理CFAR，MCU系统软件编程包括主程序和数据采集、数据处理、对象控制子程序，中放检出自动增益控制电压经滤波、放大接入低噪声高放、中放自动增益AGC控制端，频率合成器、宽带噪声发生器、随机码发生器A、随机码发生器B、波束转换开关、收隔离器、发隔离器、T/R₁、T/R₂、T/R₃、调相器、调幅器、倍频与功放、低噪声高放、分谐波混频器、中放集成一体，屏蔽；

宽波束发射天线、窄波束接收天线阵列均为准光集成介质透镜天线，由介质基片双偶极子集成天线、介质透镜、物镜、阵列基座、防护罩构成，介质基片双偶极子集成天线放置在介质透镜的背面为馈源，介质透镜由半球和半径与半球相同的圆柱体相接而成扩展的超半球，扩展部分的长度可改变，发射天线设置为单个介质透镜宽波束照射整个路面，接收天线设成按路面车道数量窄波束介质透镜天线阵列，数字信号处理器DSP按车道数量编码脉冲分配序列接入波束转换开关、图像显示器CRT坐标变换器，介质透镜固定在阵列基座上，物镜焦点对准介质透镜中心轴线，外置防护罩；

随机码发生器A、随机码发生器B由同一个宽带噪声源、微波宽带放大器输出，随机码发生器A由SAW声表带通滤波器、高速或超高速电压比较器、高速或超高速采样保持器、有源积分器、高速双稳态触发器组成，随机码发生器B由SAW声表带通滤波器、电压比较器、采样保持器、有源积分器、双稳态触发器组成，宽带噪声源由PN结二极管芯片上设一P或N扩散限流环，串联温补二极管，恒流反向偏置为雪崩状态，置于同轴腔或波导腔经微波宽带放大器及宽带匹配过渡网络输出接入随机码发生器A、随机码发生器B，频率合成器输出f_c1，f_c1作为采样时钟信号接入随机码发生器A，频率合成器输出f_c2，f_c2作为采样时钟信号接入随机码发生器B，随机码发生器A由SAW声表带通滤波器、高速或超高速电压比较器至高速或超高速采样保持器，经有源积分器反馈接回高速电压比较器为比较门限，再经高速双稳态触发器、低通网络接入调相器、数字脉压相关器可变延迟线，随机码发生器B由SAW声表带通滤波器、电压比较器至采样保持器，经有源积分器反馈接回电压比较器为比较门限，再经双稳态触发器、低通网络接入调幅器，其高电平逻辑“1”接入收/发转换开关T/R₂、T/R₃，低电平逻辑“0”接入收/发转换开关T/R₁、随机序列异步选通门。

2.根据权利要求1所述的毫米波随机二相码调相调幅汽车防撞雷达，其特征在于：频率合成器由恒温晶振、晶振分频器、高次倍频放大链、混频器、带通滤波器、放大器、压控振荡器VCO、鉴相器、环路滤波器、环路分频器、注入谐波分频器、数控振荡器NCO组成，VCO由砷化镓高电子迁移率晶体管GaAsHEMT器件、介质谐振器反馈振荡、变容管压控调谐，环路分频器由前置分频器和可编程分频器组合，恒温晶振输出第一路信号经高次倍频放大链与VCO输出信号接入混频器，混频后经带通滤波器、放大器，再经环路分频器接入鉴相器，第二路信号经晶振分频器接入鉴相器，鉴相输出经环路滤波器压控VCO锁相频率合成，VCO输出f_N，f_N为雷达调相器载频一半或四分之一频率，VCO输出f_N，f_N经定向耦合器得到分谐波混频器二或四内在倍频本振f_L，可编程分频器输出f_c1，f_c1作为采样时钟信号接入随机码发生器A、可编程分频器输出f_c2，f_c2作为采样时钟信号接入随机码发生器B、可编程分频器输出f_c3，f_c3作为时钟信号接入DSP、可编程分频器输出f_c4，f_c4作为时钟信号接入MCU、可编程分频器输出f_c5，f_c5作为时钟信号接入数字脉压相关器、可编程分频器输出f_c6，f_c6作为时钟信号接入回波数据存储器RAM，可编程分频器输出f_c7，f_c7作为采样时钟信号接入数字中频正交检波器模数转换器A/D、可编程分频器输出f_c8，f_c8作为时钟信号接入数字低通滤波器LPF，可编程分频器输出f_c9，f_c9作为时钟信号接入抽取器，第三路接注入谐波分频器至DDS相位步进寄存器、N位相位累加器、ROM正弦查找表存储器形成的数控振荡器NCO，输出f_icosω_ot_n、f_i-sinω_ot_n为数字中频正交检波器相干基准信号，可编程分频器预置端、数控振荡器NCO数控端分别经接口I/O接入MCU。

3.根据权利要求1所述的毫米波随机二相码调相调幅汽车防撞雷达，其特征在于：波束转换开关是在接收天馈集成PIN二极管或砷化镓场效应管GaAsFET串、并、串连接的单刀单掷开关SPST，控制天线阵列由多个SPST组合成单刀多掷开关，控制偏压由数字信号处理器DSP编码脉冲分配序列经低通网络接入，收/发转换开关T/R₁、T/R₂、T/R₃由PIN二极管或砷化镓场效应管GaAsFET组成串、并、串阵列式单刀单掷SPST开关，T/R₁接在收隔离器输出至低噪声高放输入之间，T/R₂、T/R₃分别接在倍频与功放的输入/输出端，控制偏压由随机码发生器B输出随机序列高电平逻辑“1”经低通网络接入T/R₂、T/R₃，低电平逻辑“0”经低通网络接入T/R₁、随机序列异步选通门。

4.根据权利要求1所述的毫米波随机二相码调相调幅汽车防撞雷达，其特征在于：调相器由衬底未掺杂砷化镓GaAs与未掺杂铝基砷化镓AlGaAs形成交界面的基片上，集成两组高电子迁移率晶体管HEMT器件对管、四个3dBLange定向耦合器及六个电阻构成两路反射式电桥调制器，两组HEMT对管栅极分别串一电阻接入调制信号，源极接地，两个3dBLange定向耦合器分别接在两组HEMT器件对管漏极，交叉耦合到其余两个3dBLange定向耦合器，匹配负载电阻，调相器输入/输出端口可互易，频率合成器VCO输出f_N，f_N作为雷达载频一半或四分之一频率接入调相器，随机码发生器A输出经低通网络接入两路调制器HEMT对管栅极互补控制，生成0、π二进制BPSK调相信号。

5.根据权利要求1所述的毫米波随机二相码调相调幅汽车防撞雷达，其特征在于：倍频与功放倍频级由磷化铟为衬底砷化镓高电子迁移率InPGaAsHEMT晶体管栅极接λ/4阻抗变换微带线及偏置电路，源极并联在接地阻容，漏极微带线抑制基波和三次谐波，调谐在二次或四次谐频为雷达载频f₀，功放级由InPGaAsHEMT器件栅极接入微带阻抗变换和C类偏置，源极接地，漏极微带线调谐在f₀，并与天线阻抗匹配，倍频与功放直流电源端经低通网络串接调幅器。

6.根据权利要求1所述的毫米波随机二相码调相调幅汽车防撞雷达，其特征在于：低噪声高放由一个双栅磷化铟为衬底砷化镓高电子迁移率晶体管InPGaAsHEMT、微带网络构成，第一栅极接天线回波载频匹配网络，第二栅极为AGC自动增益控制端，接中放AGC检出电压，源极阻容接地，漏极输出匹配网络接入分谐波混频器SHP，两个肖特基二极管反向并接在本振信号f_L匹配网络与回波载频信号f₀匹配网络之间，本振信号f_L由频率合成器输出f_N经定向耦合器连接，中频IF经带通网络在本振信号f_L匹配网络的一侧取出。

7.根据权利要求1所述的毫米波随机二相码调相调幅汽车防撞雷达，其特征在于：数字中频正交检波器由模数转换器A/D、同相I、正交Q两路数字乘法器、数字低通滤波器LPF、抽取器组成，频率合成器输出f_c7，f_c7作为采样时钟信号接入A/D，频率合成器输出f_c8，f_c8作为时钟信号接入LPF，频率合成器输出f_c9，f_c9作为时钟信号接入抽取器，中放带通滤波器经随机序列异步选通门选取接入A/D，其输出分别接I、Q支路两路数字乘法器输入的一端，频率合成器数控振荡器NCO输出信号f_icosω_ot_n、f_i-sinω_ot_n相应连接I、Q支路两路乘法器另一输入端，I、Q两路数字乘法器输出串联数字低通滤波器LPF、抽取器接入数字脉压相关器，数字脉压相关器由I、Q支路移位寄存器、延迟线、相关运算阵列、求和相加器组成，延迟线是由抽头移位寄存器及开关电路组成可变延迟线，开关电路数控端经接口I/O接入微控制器MCU，频率合成器输出f_c5，f_c5作为时钟信号接入延迟线移位寄存器及I、Q支路移位寄存器，随机码发生器A输出接入数字脉压相关器可变延迟线产生延时码，数字中频正交检波器经抽取器输出信号在I、Q支路移位寄存器循环移位，与可变延迟线延时码对应接入相关运算阵列至求和相加器，相关器输出数据暂存回波数据存储器RAM后接入数字信号处理器DSP数据总线。

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