[发明专利]双接收天线的汽车防撞雷达系统及运行方法

权利要求书

1.双接收天线的汽车防撞雷达系统，包括微波收发部分、中频信号处理部分、数据转换部分、中央控制处理部分和电源部分；电源部分与系统其它各个部分连接、提供需要的电压；微波收发部分包括发射天线、接收天线和射频信号处理模块，发射天线、接收天线与射频信号处理模块连接，射频信号处理模块处理后的信号经中频信号处理部分和数据转换部分，接入中央控制处理部分；所述数据转换部分包括数模转换模块和模数转换模块；中央控制处理部分连接输入设备和输出设备；中央控制处理部分控制待发送信号经数据转换部分接入射频信号处理模块，由发射天线发出；其特征在于：

所述微波收发部分包括2根独立的接收天线和1根独立的发射天线，2根接收天线和1根发射天线分别接入射频信号处理模块。

2.根据权利要求1所述的双接收天线的汽车防撞雷达系统，其特征在于：

所述2根接收天线的距离，即基线长度L＝0.08m～0.15m。

3.根据权利要求1所述的双接收天线的汽车防撞雷达系统，其特征在于：

所述接收天线和发射天线是一种窄波束雷达天线，为平面微带天线。

4.根据权利要求1所述的双接收天线的汽车防撞雷达系统，其特征在于：

所述射频信号处理模块为射频信号单输出双输入的K-波段带压控振荡器的雷达收发芯片。

5.根据权利要求1所述的双接收天线的汽车防撞雷达系统，其特征在于：

所述中央控制处理部分包括处理系统模块和可编程逻辑模块,以下称为PS模块和PL模块；

PS模块包括数据处理子模块、系统子模块和时钟子模块；系统子模块配有串口、USB接口和VGA接口中的至少一种；

PL模块包括调制信号产生子模块、算法子模块、锁相环子模块以及控制子模块；控制子模块连接控制微波发射接收部分、中频信号处理部分和数据转换部分，还连接调制信号产生子模块和算法处理子模块。

6.根据权利要求1所述的双接收天线的汽车防撞雷达系统，其特征在于：

所述输出设备为供司机参考的显示装置，输出设备还有车载报警装置和/或紧急制动装置。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的双接收天线的汽车防撞雷达系统的运行方法，其特征在于：

接通电源后，PS模块的软件初始化，并对PL模块进行配置；等待操作人员从输入设备输入开始运行的指令，若无指令输入，继续等待；开始指令输入后，控制子模块发送控制字到PL模块的调制信号产生子模块；具体步骤如下:

Ⅰ、发射调制三角波并采集回波信号

调制三角波参数编程输入并存储于控制子模块，PL模块的调制信号产生子模块按照系统子模块的指令产生三角波调制数字信号；调制数字信号输出至数据转换部分，数字信号转换为模拟信号送入微波收发部分的射频信号处理模块，由发射天线发出；

所发射的调制三角波为线性调频连续波LFMCW，其调制周期为T，调频带宽为B_a；其中前为三角波上升段，其斜率为其后周期为三角波下降段，斜率为发射信号的载波中心频率为f_R；由于LFMCW信号的特性，回波信号依然为周期为T，调频带宽为B_a的三角波，其中心频率偏移至f_R+f_d，f_d为目标运动导致的多普勒频移；

目标回波经过接收天线进入微波收发部分的射频信号处理模块，进行下混频操作；下混频后得到差拍信号，同一个目标在三角波上升段产生一个谱峰对应下扫频段产生一个对应的谱峰△f由目标距离决定；射频信号处理模块的输出信号进入中频信号处理部分的输入端；

双接收天线的汽车防撞雷达系统有两个相距L的天线A、B，每个天线所接收的回波信号分为两路：回波信号的实数部分I信号和虚数部分Q信号，即A天线的回波信号I_A、Q_A和B天线的回波信号I_B、Q_B；中频信号处理部分分别对四路信号进行采集处理；

Ⅱ、基于MUSIC算法的目标检测

M个周期的A天线回波信号I_A、Q_A和B天线的回波信号I_B、Q_B完成步骤Ⅰ的处理后,对每一个周期的回波信号数据进行MUSIC算法处理，得到对应目标的频谱，两个频谱峰值对应一个目标；

MUSIC算法的具体操作如下：

对A天线第一个回波周期的实部数据x(n)，n为回波的采样点数；对x(n)建立虚拟矩阵X(n)，

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

m为虚拟阵元个数，X(n)的协方差矩阵为R_xx＝E{X(n)X(n)^H}，式中E表示期望运算，H表示对矩阵求共轭；

对R_xx进行奇异值分解

Rxx=[S,G]ΣOOσ2In-rSHGH,]]>

式中∑表示信号特征值矩阵，O表示0矩阵，σ²I_n-r表示噪声特征值矩阵，其中σ为噪声的方差，S为信号矩阵，G为噪声矩阵；最后求得SAI=1XH(n)GGHX(n);]]>

n取离散值，其范围是接收天线探测的最大距离和最小距离所对应的频率值；

S_AI的输出为行向量，长度由接收天线探测探测距离决定，目标距离在S_AI对应位置出现一组峰值；

对A天线回波信号Q_A的数据进行上述相同的MUSIC算法得到S_AQ，对B天线回波信号I_B、Q_B的数据进行与A天线相同的MUSIC算法得到S_BI、S_BQ；

MUSIC算法所得数据暂存于PL模块的算法子模块；

Ⅲ、目标配对

在步骤Ⅱ中得到一组含有目标距离速度信息的行向量，对A天线回波信号进行取模处理，得到A天线回波的频谱S_A；

S_A矩阵的三个重要的参数为谱线幅值﹑模糊速度值和距离值；

在步骤Ⅰ的发射调制三角波前为三角波上升段，后周期为三角波下降段，三角波调制信号的上升段、下降段分别称为上扫频、下扫频，将S_A按上下扫频分为两部分，假设有N个目标，对应调制信号上升段、下降段的峰值大小分别为D_u1D_u2D_u3...D_uN，D_d1D_d2D_d3...D_dN；

根据调制信号上下扫频段得到的谱线上下峰值差的绝对值判断目标的距离值，根据谱线上下峰值的和判断速度值；

得到的S_A在上下扫频段对应N个目标分别各有N个谱线，当A天线回波的S_A的模糊多普勒频率的谱线满足上下峰值绝对值相同，则判断它们的谱线幅度值相等，判断为同一个目标的谱线,即目标配对；

B天线回波的频谱S_B的目标配对与上述A天线回波的S_A的处理过程相同；

Ⅳ、计算目标的距离和速度信息

对周期T的调制三角波所采集到的A天线回波和B天线回波信号经步骤Ⅲ目标配对后分别将同一目标的上下扫频数据配对分组，将各个目标的上下扫频数值转换为对应频率值f，

f＝k*0.5+l

其中k为目标谱峰行向量位置，l为搜索频率起始值；

根据A天线回波的数据计算N个目标中某个目标i的目标距离R_AI和目标速度v_Ai的公式如下：

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

式中C为光速，为T周期A天线回波的S_A上扫频段的某个目标i频谱峰值处频率，为T周期A天线回波的S_A下扫频段的某个目标i频谱峰值处频率，f_o为发射信号的载频中心频率，B_a为调频带宽；

根据回波B的数据计算某个目标i的R_Bi和v_Bi的计算方式与上述R_Ai和v_Ai的计算方式相同；

Ⅴ、目标方位信息提取

将步骤Ⅲ得到的A、B回波各目标的距离速度信息反映在一个距离-速度维矩阵Y内，

某个目标i偏离A天线主轴的角度为其中R_Ai和R_Bi分别为步骤Ⅳ中根据A、B回波得到的该目标i距离，L为两天线的距离，即基线长度，θ_i为该目标偏离主跟踪轴，即A天线主轴的方位角，其中左偏为负值，右偏为正值。