專利名稱：用于機動車周圍障礙物的探測方法
技術領域：
本發明涉及一種微波探測方法，尤其是可以用于動態或靜態的探測方法。
背景技術：
目前機動車、船防撞探測裝置使用的探測方法主要有超聲波、紅外線、激光、多普勒雷達、調頻連續波(FMCW)雷達、脈沖雷達、圖象識別等方式，但由于現有的各種方式均有弱點，因此都無法普及使用。例如，超聲波存在作用距離近、反應速度慢、互相之間存在嚴重干擾等缺點，目前只在近距、慢速倒車雷達中使用，在機動車中高速運行狀態下，超聲波固有缺點導致無法使用。紅外線、激光方式受環境、天氣影響大，探測頭容易受灰塵覆蓋而無法工作，在霧、雨、雪等惡劣天氣條件下性能將急劇下降，而這些惡劣天氣往往最需要探測裝置發揮作用。多普勒雷達主要用于測速，在需要準確測量機動車與障礙物距離的情況下無法使用，且其成本高昂，另外一個致命的缺點是很難解決不同機動車之間相互干擾問題，要么不同機動車發射不同頻率的微波，占用大量頻率資源，要么無法區分不同機動車發射的微波信號，互相之間產生嚴重干擾。調頻連續波雷達在國外高檔汽車中有實際采用，但其高昂的成本限制了其使用范圍，而且這種方法也很難解決不同機動車之間相互干擾的問題，因此很難大范圍使用。現有的脈沖雷達也存在成本高，沒有解決相互干擾等問題。圖象識別方法運算量巨大，設備成本更高，受環境、天氣影響大，在霧、雨、雪等惡劣天氣條件下性能嚴重下降。
發明內容
本發明的目的旨在克服現有技術的不足，提供一種探測距離遠、測量精度高、不受環境、天氣影響、無相互干擾的用于機動車周圍障礙物的探測方法。
本發明所述的用于機動車周圍障礙物的探測方法由以下步驟組成一、通過天線將微波脈沖信號發射至需要探測的方向，微波脈沖遇到障礙物產生反射，天線接收反射微波脈沖信號；二、由兩個振蕩器產生兩個基準振蕩信號，即一個發射基準振蕩信號，用于產生發射微波脈沖，振蕩頻率為fs，一個參考基準振蕩信號，用于產生參考微波脈沖，振蕩頻率為fr，兩個頻率之間有一個頻率差Δf；
三、由一個隨機信號發生器產生一個隨機信號，通過兩個求和電路和兩個基準振蕩信號疊加，使兩個基準振蕩信號產生相同的微小的隨機抖動，進而產生兩個基準控制信號，即一個發射基準控制信號，用于產生發射微波脈沖，振蕩頻率為fs，一個參考基準控制信號，用于產生參考微波脈沖，振蕩頻率為fr；四、在兩個基準控制信號的控制下，由兩個脈沖發生器生成兩個窄脈沖信號，一個發射窄脈沖信號，用于產生發射微波脈沖，脈沖重復頻率為fs，一個參考窄脈沖信號，用于產生參考微波脈沖，脈沖重復頻率為fr，在兩個基準控制信號的作用下，兩個窄脈沖信號也具有完全相同的微小隨機抖動；五、在兩個窄脈沖信號控制下，由兩個振蕩頻率相同的微波源生成兩個微波脈沖信號，一個發射微波脈沖信號，用于發射，脈沖重復頻率為fs，一個參考微波脈沖信號，用于對接收的反射微波脈沖信號做處理，脈沖重復頻率為fr，兩個微波脈沖信號的載波中心頻率相同，在兩個窄脈沖信號作用下，兩個微波脈沖信號也具有完全相同的微小隨機抖動；六、設置一個第一混頻器，其第一輸入端輸入的是接收到的反射微波脈沖信號，第二輸入端輸入的是參考微波脈沖信號，兩個信號在混頻器混頻，輸出端輸出本申請所述的中頻回波信號；七、設置一個第二混頻器，其第一輸入端輸入的是重復頻率為fs的信號，第二輸入端輸入的是重復頻率為fr的信號，輸出端輸出重復頻率為Δf的差頻信號；八、測量差頻Δf，計算時間放大系數β；九、結合時間放大系數β，從所述的中頻回波信號中提取各種信息。
在本方法中，用兩個振蕩器201、202產生兩個基準振蕩信號，振蕩器201用于產生發射基準振蕩信號，振蕩頻率用fs表示，振蕩器202用于產生參考基準振蕩信號，振蕩頻率用fr表示，兩個振蕩頻率之間存在頻率差，用Δf表示，即Δf＝fs-fr。要求振蕩器201的振蕩頻率fs要大于振蕩器202的振蕩頻率fr，即fs＞fr，而且兩個振蕩器之間的頻率差Δf要遠遠小于fs，而且兩個振蕩器中至少有一個振蕩器的振蕩頻率是固定且已知的。有三種情況都可以實現以上要求(1)、振蕩器201和振蕩器202都是固定振蕩頻率，即都不受控制信號240控制，此時不需要配置頻率控制單元218；(2)、振蕩器201是固定振蕩頻率，振蕩器202受控制信號240控制，振蕩頻率可變；(3)、振蕩器201受控制信號240控制，振蕩頻率可變，振蕩器202是固定振蕩頻率。
使兩個基準振蕩信號產生相同的隨機抖動，進而產生兩個基準控制信號，這可通過兩個求和電路203、204和一個隨機信號發生器219來實現。隨機信號發生器219產生一個隨機信號，將這個隨機信號分別通過兩個求和電路疊加到兩個基準振蕩信號上，從而使兩個基準振蕩信號產生相同的隨機抖動。求和電路203輸出發射基準控制信號，求和電路204輸出參考基準控制信號。對于同一個裝置中兩個基準控制信號抖動是相同的，所以對處理接收的反射微波脈沖信號沒有影響，但對于不同裝置相對來說，這種抖動又是隨機的，出現完全相同的抖動的可能性很小，所以不同裝置之間又可以區分出哪些反射微波脈沖信號是自己發射的信號反射回來的，哪些是其它裝置發射的信號反射回來的，從而克服不同裝置之間的相互干擾。
在兩個基準控制信號的控制下，由兩個脈沖發生器205、206生成兩個窄脈沖信號，脈沖發生器205生成發射窄脈沖信號，用于產生發射微波脈沖，脈沖重復頻率為fs，脈沖發生器206生成參考窄脈沖信號，用于產生參考微波脈沖，脈沖重復頻率為fr，在兩個基準控制信號的作用下，兩個窄脈沖信號也具有完全相同的微小隨機抖動；在兩個窄脈沖信號的控制下，生成兩個微波脈沖信號，一個發射微波脈沖信號，用于發射，脈沖重復頻率為fs，一個參考微波脈沖信號，用于對接收的反射微波脈沖信號做處理，脈沖重復頻率為fr，兩個微波脈沖中心載波頻率相同。這通過兩個振蕩頻率相同的微波源207、208來實現，微波源207受發射窄脈沖信號控制，產生發射微波脈沖信號，微波源208受參考窄脈沖信號控制，產生參考微波脈沖信號，在窄脈沖信號作用下，兩個微波脈沖信號也具有完全相同的微小隨機抖動。
發射天線將發射微波脈沖信號發射出去，同時接收天線接收反射的微波脈沖信號。當發射、接收共用一個天線的情況下，同一個天線既要發射信號，又要接收反射信號，所以必須有辦法區分哪些是發射的信號，哪些是接收的信號，這通過配置一個定向耦合器210來實現，定向耦合器210的作用就是用于區分發射信號和反射信號。當發射、接收天線分開時，不存在區分發射、接收信號的問題，所以這種情況下，定向耦合器是可以沒有的。
接收到的反射信號經過處理，產生本申請所要提供的中頻回波信號。這用一個混頻器212來實現，它的第一輸入端輸入的是接收的反射微波脈沖信號，第二輸入端輸入的是參考微波脈沖信號，兩個信號在混頻器混頻，產生所述的中頻回波信號。中頻回波信號相當于把真實的反射信號在時間上放大了若干倍(即β倍)，這樣就可以比較容易地提取各種信息，但是就需要知道到底時間上放大了多少倍，這通過一個計算單元218來實現，計算公式為β=fsΔf]]>(fs是發射基準振蕩信號頻率，Δf是兩個基準振蕩信號頻率的差頻)。其中fs我們是知道的，不知道的是Δf，所以必須要通過某種方法測量Δf。
產生頻率為Δf的差頻信號，以用于測量Δf。這通過一個混頻器214來實現，混頻器第一輸入端輸入重復頻率為fs的信號，第二輸入端輸入重復頻率為fr的信號，輸出端輸出頻率為Δf的差頻信號，由頻率測量單元216測量Δf的具體數值。以下幾種混頻器214的連接方式都可以產生頻率為Δf的差頻信號(1)、混頻器214的第一輸入端與振蕩器201的輸出端連接，同時第二輸入端與振蕩器202的輸出端連接；(2)、混頻器214的第一輸入端與求和電路203的輸出端連接，同時第二輸入端與求和電路204的輸出端連接；(3)、混頻器214的第一輸入端與脈沖發生器205的輸出端連接，同時第二輸入端與脈沖發生器206的輸出端連接；(4)、混頻器214的第一輸入端與微波源207的輸出端連接，同時第二輸入端與微波源208的輸出端連接。產生的差頻信號送入一個頻率測量單元216，得到Δf的具體數值，將該數值送入計算單元217，進而計算出時間放大系數β。
由于實際生產過程中必然存在工藝誤差，實際上每一個裝置的Δf都不一樣，總會出現一些微小的差別，如果要保證每個裝置的Δf基本保持一致，就需要通過某種方法來調整某個基準振蕩信號的頻率。這通過一個頻率控制單元218來實現，以下兩種方法都可以達到調整Δf的目的(1)、振蕩器201為固定頻率振蕩，振蕩器202的振蕩頻率受頻率控制單元218輸出的控制信號240的控制。當測量的Δf值偏大時，控制信號240加大，控制振蕩器202的振蕩頻率增大，從而使Δf減小，當測量的Δf值偏小時，控制信號240減小，控制振蕩器202的振蕩頻率減小，從而使Δf增大；(2)、振蕩器202為固定頻率振蕩，振蕩器201的振蕩頻率受頻率控制單元218輸出的控制信號240的控制，當測量的Δf值偏大時，控制信號240減小，控制振蕩器201的振蕩頻率減小，從而使Δf減小，當測量的Δf值偏小時，控制信號240加大，控制振蕩器201的振蕩頻率減小，從而使Δf增大。這個步驟只是為了提高產品的一致性，如果對產品一致性要求不嚴的話(在某些場合也的確并不需要有很好的一致性)，這個步驟完全可以省略，所以頻率控制單元218并不是必須的。
本發明的主要任務在于生成一種中頻回波信號，通過這種中頻回波信號可以廉價而可靠地估計障礙物的信息，如中頻回波信號的每一個值在時間軸上的位置對應機動車與障礙物的距離，每一個值的幅度對應于障礙物有無以及障礙物的大小，每一個值隨時間在分布、幅度、相位上的變化情況對應于機動車與障礙物的相對速度、方向等信息。通過提取這些信息，進而準確評估出障礙物對機動車運行安全構成的威脅。本發明的任務只在于生成這種中頻回波信號，而從中頻回波信號中提取、評估哪幾個信息，以及如何提取、評估信息并非本專利的任務。眾所周知的原因，提取、評估信息的方法多種多樣，并為相關專業人士所熟知，因此這些方法的改變并不影響本專利的效用。為了表述簡潔，除非特別指明，本文敘述中，機動車、船均使用機動車一詞來表述，障礙物以及靠近物體均使用障礙物一詞來表述。
本發明的獨到之處在于生成了一種中頻回波信號，利用這種中頻回波信號，機動車防撞裝置能通過非常廉價且可靠的方式提取障礙物的信息，并能保證很高的測量精度，從而準確評估障礙物對汽車運行安全造成的威脅，及時報警和/或采取規避措施，同時克服了不同裝置之間的相互干擾。
圖1為安裝于機動車上的探測裝置。
圖2為本發明電路連接方框圖。
圖3為本發明求和電路的一種具體實施例。
圖4為本發明脈沖發生器的一種具體實施例。
圖5為本發明濾波器的一種具體實施例。
圖6為本發明隨機信號發生器的一種具體實施例。
圖7為當振蕩器201、202為正弦波振蕩器、脈沖發生器205、206為方形脈沖發生器時，輸出信號223、224、225、226、227、228、233之間的相互關系。
圖8為本發明生成的中頻回波信號的波形示意圖。
具體實施例方式
附圖均為本發明的具體實施方式
，并給出了一種具體的裝置。
圖1示出了一個安裝于機動車101上的、用于機動車防撞的探測裝置。這種裝置具有一個電路單元102和一個天線單元103，電路單元102首先產生一種微波脈沖信號，通過天線單元103向需要測量的方向105發射這種微波脈沖信號，發射的微波脈沖信號遇到障礙物104時產生信號反射，反射方向106與發射方向105相反，天線單元103接收反射的微波脈沖信號，電路單元102對接收的反射微波脈沖進行處理，生成前面論述提到的具有障礙物各種信息的中頻回波信號，在此基礎上電路單元102可以擁有但并非必須擁有提取評估信息、以及報警和控制汽車操作的功能。圖1中箭頭示出了微波脈沖信號的傳播路徑。圖1中天線單元103并非表示只有一個天線，該天線單元可以是發射和接收共用的一個天線，也可以是發射和接收分開的兩個或者多個天線組成的天線陣，天線的形式可以為振子天線、桿狀導波天線、喇叭天線、拋物面天線、微帶平面天線等業界公知的任何一種天線，本發明可以采用其中任何一種或者多種天線單獨或者組合實現天線單元103，并無特殊的要求，例如可以采用喇叭天線。這些天線的實現技術已為業界所熟知，具體實現技術成熟，也無實現難度，因此采用何種天線形式并非本發明的主要任務，也不影響本發明的效用。
圖2示出了根據本發明構成的用于機動車的探測裝置的一種實施形式。該電路至少應該包含兩個振蕩器201、202，兩個求和電路203、204，兩個脈沖發生器205、206，兩個微波源207、208，兩個混頻器212、214，一個頻率測量單元216，一個計算單元217，一個隨機信號發生器219，一個天線單元211，天線單元211可以由發射、接收共用的一個天線組成，也可以由發射、接收分開的若干個天線組成。
當天線單元211由發射、接收分開的多個天線組成時，各部件之間最基本連接方式為，振蕩器201的輸出端與求和電路203的第一輸入端連接，求和電路203的輸出端與脈沖發生器205的輸入端連接，脈沖發生器205的輸出端與微波源207的輸入端連接，同時與混頻器214的第一輸入端連接，微波源207的輸出端與發射天線的輸入端連接，發射天線發射微波脈沖信號，接收天線接收反射微波脈沖信號，接收天線的輸出端與混頻器212的第一輸入端連接，振蕩器202的輸出端與求和電路204的第一輸入端連接，求和電路204的輸出端與脈沖發生器206的輸入端連接，脈沖發生器206的輸出端與微波源208的輸入端連接，同時與混頻器214的第二輸入端連接，微波源208的輸出端與混頻器212的第二輸入端連接，混頻器212的輸出端輸出中頻回波信號，混頻器214的輸出端與頻率測量單元216的輸入端連接，頻率測量單元216的輸出端與計算單元217的輸入端連接，計算單元217輸出時間放大系數的計算結果，隨機信號發生器219的輸出端與求和電路203的第二輸入端連接，同時與求和電路204的第二輸入端連接。
當天線單元211由發射、接收共用的一個天線組成時，必須配置定向耦合器210。在這種情況下，微波源207的輸出端與定向耦合器210的輸入端連接，定向耦合器的耦合端與天線單元211的輸入輸出端連接，定向耦合器的輸出端與混頻器212的第一輸入端連接。
該裝置配置有一個振蕩頻率為fs的振蕩器201，振蕩器201的輸出端與求和電路203的第一輸入端連接，fs的范圍可為幾百KHz到幾百MHz，一般來說最好為幾MHz。該振蕩器可以是正弦波振蕩器、三角波振蕩器、鋸齒波振蕩器、方波振蕩器等任何一種形式的振蕩器，舉例來說可以是一個具有高穩定度的石英晶體振蕩器。振蕩器201的一種具體實現是使用VX20系列電壓控制晶體振蕩器來實現，VX20系列電壓控制晶體振蕩器覆蓋了0.5MHz到100MHz頻率范圍，電源電壓為5V，頻率穩定度±5ppm，該振蕩器還配置有一個壓控電壓輸入端，壓控電壓范圍為2.5±2V，壓控頻率范圍為±30ppm～±150ppm。振蕩器201的壓控電壓輸入端可以與頻率控制單元218的輸出端連接(當配置了頻率控制單元218的情況下)，進而振蕩器頻率可以在一定范圍內受頻率控制單元218的輸出控制信號240控制而變化，也可以接一個固定電壓，進而產生頻率穩定的振蕩。振蕩器的實現方法已為業界所熟知，振蕩器的各種不同的具體實現方法并不影響本發明的效用。
該裝置還配置有一個求和電路203，求和電路203的第一輸入端與振蕩器201的輸出端連接，第二輸入端與隨機信號發生器219的輸出端連接，求和電路203的輸出端與脈沖發生器205的輸入端連接。求和電路203的輸出為振蕩器201輸出的振蕩信號與隨機信號發生器219輸出的隨機電壓信號的疊加，求和電路203的輸出信號頻率與振蕩器頻率相同，只不過受隨機信號發生器219輸出的隨機電壓信號的影響，求和電路203的輸出信號與振蕩器201的輸出振蕩信號相比，其過零點產生微小的隨機抖動。求和電路可以由多種方式實現。圖3示出了求和電路203的一種具體實施例，該求和電路包含一個集成運放301和5個電阻R1、R2、R3、R4、R5，圖中302為求和電路第一輸入端，303為求和電路第二輸入端，304為求和電路輸出端。求和電路的實現方法已為業界所熟知，求和電路的各種不同的具體實現方法并不影響本發明的效用。
該裝置還配置有一個脈沖發生器205，脈沖發生器205的輸入端與求和電路203的輸出端連接，脈沖發生器205的輸出端與微波源207的輸入端連接，同時與混頻器214的第一輸入端連接。該脈沖發生器在求和電路203的輸出信號223的控制下，產生頻率同為fs的窄脈沖，脈沖寬度可以為零點幾納秒到幾微秒之間，一般來說最好為幾納秒。脈沖發生器可以由多種方式實現，舉例來說可以由高速D觸發器來構成，進而在振蕩器201產生的振蕩信號223的過零點處產生窄脈沖。圖4示出了脈沖發生器205的一種具體實施例，該脈沖發生器包含一個施密特觸發器401和一個D觸發器402，圖中403為脈沖發生器的輸入端，405為脈沖發生器的輸出端。施密特觸發器401在輸入信號的過零點處產生方波，方波頻率與輸入信號頻率相同，施密特觸發器401輸出的方波404接D觸發器402的CLK端，在每個方波上升延處，D觸發器產生翻轉，此時D觸發器的Q輸出端輸出為高電平，D觸發器的Q端輸出為低電平，由于Q端直接接D觸發器的CLR清零端，因此Q輸出端立刻又變為低電平，從而在Q輸出端產生非常窄的脈沖輸出，脈沖寬度取決于D觸發器的器件延遲，對于高速D觸發器而言，器件延遲一般只有幾個納秒，因此可以產生寬度僅為幾個納秒的極窄脈沖。脈沖發生器的實現方法已為業界所熟知，脈沖發生器的各種不同的具體實現方法并不影響本發明的效用。
該裝置還配置有一個微波源207，微波源207的輸入端與脈沖發生器205的輸出端連接，微波源207的輸出端直接連接到發射天線(當使用發射、接收分開的多個天線時)，或者與定向耦合器210的輸入端連接(當發射、接收共用一個天線時)。脈沖發生器205的輸出脈沖信號225控制微波源207產生微波脈沖，舉例來說可以通過激發諸如雪崩二極管，進而產生微波脈沖。脈沖信號225還可以呈電源供電的形式，通過給由三極管或者CMOS管等構成的微波振蕩電路供電，進而產生微波脈沖。脈沖信號225還可以呈觸發信號的形式，控制微波源207的導通或斷開，舉例來說，微波源207始終處于振蕩狀態，并配置有一個門控電路，而且該門控電路在脈沖信號225的控制下導通或者斷開。微波源207的振蕩頻率fh可以為幾百MHz到幾十GHz之間，一般來說最好在幾GHz到幾十GHz之間。一個具體的微波源實現例為，采用X波段UDS系列超低相噪直接合成微波源，利用脈沖發生器205的輸出脈沖信號225控制一個微波開關的通斷，進而產生微波脈沖輸出227，微波脈沖載波頻率為10.525GHz。微波源的實現方法已為業界所熟知，微波源的各種不同的具體實現方法并不影響本發明的效用。
微波源207產生的微波脈沖可以直接輸出，也可以通過一個濾波器濾波后輸出，該濾波器的作用是減少高次協波干擾，該濾波器并非必需，可以有也可以沒有。濾波器的一個具體實施例為采用JEB-X-*系列平行耦合線帶通濾波器模塊來實現，該系列濾波器工作頻率范圍覆蓋8GHz～12GHz，3dB相對帶寬為5％～20％，完全可以滿足10.525GHz的微波脈沖信號的濾波要求。濾波器的實現方法已為業界所熟知，濾波器的各種不同的具體實現方法并不影響本發明的效用。
該裝置還配置有一個天線單元211，天線單元可以由發射、接收分開的若干個天線構成，也可以由發射、接收共用的一個天線構成，天線的形式可以為振子天線、桿狀導波天線、喇叭天線、拋物面天線、微帶平面天線等業界公知的任何一種天線，本發明可以采用其中任何一種或者多種天線單獨或者組合實現天線單元103，并無特殊的要求，例如可以采用喇叭天線。一種天線單元的具體實施例為，由一個HD-100SHA22.1標準場喇叭天線作為發射、接收共用的一個天線來實現，該喇叭天線工作頻率為8.2～12.4GHz，完全滿足10.525GHz微波脈沖的工作需要。另外一種天線單元的具體實施例為，由兩個HD-100SHA22.1標準場喇叭天線來實現，一個作為發射天線，一個作為接收天線。天線的實現方法已為業界所熟知，天線的各種不同的具體實現方法并不影響本發明的效用。
當天線單元211是由發射、接收分開的若干個天線構成時，微波源207產生的微波脈沖輸出227直接接發射天線，發射天線將微波脈沖發射到需要探測的方向231，發射的微波脈沖遇到障礙物后形成反射，反射方向232與發射方向相反，由接收天線接收反射的微波脈沖信號，再輸出到混頻器212的第一輸入端。
當天線單元211是由發射、接收共用的一個天線構成時，該裝置還配置有一個定向耦合器210，定向耦合器210的輸入端與微波源207的輸出端連接，定向耦合器的耦合端與天線的輸入輸出端連接，即定向耦合器的耦合端即可以輸出發射微波脈沖信號到天線，同時也可以從天線輸入接收的反射微波脈沖信號，定向耦合器的輸出端與混頻器212的第一輸入端連接。發射微波脈沖信號從定向耦合器的輸入端輸入，并從定向耦合器的耦合端輸出，再由天線發射出去。同時天線接收反射微波脈沖信號，由天線輸出，再由定向耦合器的耦合端輸入，再由定向耦合器的輸出端輸出到混頻器212的第一輸入端。定向耦合器的實現方法很多，可以是微帶定向耦合器、腔體定向耦合器、同軸定向耦合器等任何一種方式。一種具體的定向耦合器實施例為，采用AV70701同軸定向耦合器來實施，該定向耦合器工作頻率范圍為2～40GHz，完全可以滿足10.525GHz微波脈沖的工作需要。定向耦合器的實現方法已為業界所熟知，定向耦合器的各種不同的具體實現方法并不影響本發明的效用。
該裝置可以配置一個功率放大器209，以增加發射功率和探測距離，該功率放大器并非必需，可以有也可以沒有。當配置了功率放大器209時，功率放大器209的輸入端與微波源207的輸出端連接，功率放大器的輸出端直接連接到發射天線(當使用發射、接收分開的多個天線時)，或者與耦合器210的輸入端連接(當發射、接收共用一個天線時)。功率放大器的一個具體實施例為采用X波段MAAPGM0034-DIE功率放大模塊來實現，該功率放大模塊工作頻率范圍為8～12.5GHz，完全滿足載波頻率為10.525GHz的微波脈沖信號的功率放大要求。功率放大器的實現方法已為業界所熟知，功率放大的各種不同的具體實現方法并不影響本發明的效用。
該裝置還配置有一個振蕩頻率為fr的振蕩器202，振蕩器202的輸出端與求和電路204的輸入端連接。振蕩器202的振蕩頻率范圍與振蕩器201的振蕩頻率范圍相同，但與振蕩器201的振蕩頻率fs有一個頻率差Δf，其中Δf＝fs-fr，舉例來說Δf可以為幾十Hz。與振蕩器201相同，振蕩器202也可以有多種具體實現形式。振蕩器202的一種具體實施例同振蕩器201。振蕩器202的振蕩頻率可以但并非必須受控制信號240控制。
該裝置還配置有一個求和電路204，求和電路204的第一輸入端與振蕩器202的輸出端連接，第二輸入端與隨機信號發生器219的輸出端連接，求和電路204的輸出端與脈沖發生器206的輸入端連接。與求和電路203相同，求和電路204也可以有多種具體實現形式。求和電路204的一種具體實施例同求和電路203。
該裝置還配置有一個脈沖發生器206，脈沖發生器206的輸入端與求和電路204的輸出端連接，輸出端與微波源208的輸入端連接，同時與混頻器214的第二輸入端連接。脈沖發生器206在求和電路204的輸出信號224的控制下，形成頻率同為fr的窄脈沖。與脈沖發生器205相同，脈沖發生器206也可以有多種實現形式。脈沖發生器206的一種具體實施例同脈沖發生器205。
該裝置還配置有一個微波源208，微波源208的輸入端與脈沖發生器206的輸出端連接，輸出端與混頻器212的第二輸入端連接。微波源208在脈沖發生器206的脈沖輸出226的控制下，產生微波脈沖228。與微波源207相同，微波源208也可以有多種實現形式。微波源208的一種具體實施例同微波源207。
該裝置還配置有一個混頻器212，混頻器212的第一輸入端與接收天線連接(當使用發射、接收分開的多個天線時)，或者與定向耦合器210的輸出端連接(當發射、接收共用一個天線時)，混頻器212的第二輸入端與微波源208的輸出端連接，混頻器212的輸出端輸出中頻回波信號。天線接收的反射微波脈沖信號與微波源208輸出的微波脈沖信號228在混頻器212混頻，產生中頻信號輸出234，中頻信號234的中心頻率fz與振蕩器201的振蕩頻率fs、振蕩器202的振蕩頻率fr以及微波源207的載波頻率fh有關，計算公式為fz=fhfs(fs-fr),]]>通過合理設計fr、fs、fh，可以產生合適的中頻信號的中心頻率fz，舉例來說通常為幾十到幾百KHz。混頻器有多種實現形式，可以是雙平衡混頻器、三平衡混頻器、模擬乘法器等任何一種形式。混頻器212的一種具體實施例為采用JDM-0711雙平衡混頻器來實現，該混頻器工作頻率范圍為6GHz～11GHz，混頻輸出為DC～2GHz，完全滿足10.525GHz微波脈沖的工作需要。混頻器的實現方法已為業界所熟知，混頻器的各種不同的具體實現方法并不影響本發明的效用。
該設備可以配置一個濾波器213，以減少混頻器212輸出的中頻信號234中的高次協波干擾，該濾波器并非必需，可以有也可以沒有。當配置了濾波器213時，濾波器213的輸入端與混頻器212的輸出端連接，濾波器213的輸出端輸出中頻信號235。濾波器213可以為帶通濾波器，也可以為低通濾波器，當為帶通濾波器時，濾波器中心頻率應為fz，當為低通濾波器時，濾波器截至頻率應大于fz，這里fz為混頻器212輸出的中頻信號234的中心頻率，濾波器213輸出的中頻信號235的中心頻率仍然為fz。濾波器213可以有多種形式的實現方法，可以是LC濾波器、有源RC濾波器、石英晶體濾波器、聲表面波濾波器等任何一種形式。圖5示出了濾波器213的一種具體實施例，該濾波器是由集成運放501和R、C網絡組成的有源RC低通濾波器，圖中502為濾波器的輸入端，503為濾波器的輸出端，其截至頻率為f0＝1/2πR7C1，放大倍數為A＝1+R8/R6，根據中頻信號的中心頻率適當設計R6、R7、R8和C1，使濾波器滿足上面論述的濾波頻率的要求，并根據需要設置合適的放大倍數A即可。濾波器的實現方法已為業界所熟知，濾波器的各種不同的實現方法并不影響本發明的效用。
中頻信號235和/或中頻信號234即為本發明所要生成的帶有障礙物各種信息如距離、速度、方位、大小等的中頻回波信號。
該裝置還配置有一個混頻器214，混頻器214的第一輸入端與脈沖發生器205的輸出端連接，混頻器214的第二輸入端與脈沖發生器206的輸出端連接，混頻器214的輸出端與頻率測量單元237的輸入端連接。脈沖發生器205的輸出信號225與脈沖發生器206的輸出信號226在混頻器214混頻，產生一個頻率為Δf的差分信號236，Δf是振蕩器201的振蕩頻率與振蕩器202的振蕩頻率的差頻，即Δf＝fs-fr。混頻器214的連接方式還可以是以下三種方式，混頻器214的第一輸入端與振蕩器201的輸出端連接，同時第二輸入端與振蕩器202的輸出端連接，或者混頻器214的第一輸入端與求和電路203的輸出端連接，同時第二輸入端與求和電路204的輸出端連接，或者混頻器214的第一輸入端與微波源207的輸出端連接，同時第二輸入端與微波源208的輸出端連接，這些連接方式也可以產生頻率為Δf的差分信號236。混頻器214可以有多種形式的實現方式，可以是模擬混頻器，也可以是數字混頻器，舉例來說，可以是一個數字與門電路，或者是由D觸發器等觸發電路構成的數字電路。混頻器214的一個具體實施例是用一個兩輸入單輸出數字與門來實現，數字與門的第一輸入端與脈沖發生器205的輸出端連接，第二輸入端與脈沖發生器206的輸出端連接，只有在混頻器214的兩個輸入信號同時為高電平時，混頻器輸出才為高電平，進而實現數字混頻功能。模擬混頻器和數字混頻器的實現方法已為業界所熟知，混頻器的不同具體實現方法并不影響本發明的效用。
該裝置可以配置一個濾波器215，以減少差分信號236中的高次協波干擾，該濾波器并非必需，可以有也可以沒有。當配置了濾波器215時，濾波器215的輸入端與混頻器214的輸出端連接，輸出端與頻率測量單元216的輸入端連接。濾波器215可以有多種形式的實現方法，可以是LC濾波器、有源RC濾波器、石英晶體濾波器、聲表面波濾波器等任何一種形式。濾波器215的一種具體實施例同濾波器213。
該裝置還配置有一個頻率測量單元216，頻率測量單元216的輸入端與混頻器214的輸出端連接(當不配置濾波器215時)，或者與濾波器215的輸出端連接(當配置濾波器215時)，頻率測量單元216的輸出端與運算單元217的輸入端連接。頻率測量單元216用于測量差分信號的頻率Δf。頻率測量單元216可以由鑒頻器、或者FFT運算、或者計數電路等多種形式實現。一個具體實施例為使用單片機243普遍擁有的定時器來實現，通過對差分信號連續兩個上升延之間的時間計時，進而計算出差分信號的頻率。頻率測量的實現方法已為業界所熟知，頻率測量單元的不同具體實現方法并不影響本發明的效用。
該裝置還配置有一個運算單元217，運算單元217的輸入端與頻率測量單元216的輸出端連接，輸出端輸出計算的時間放大系數。運算單元217根據已知的振蕩器201的振蕩頻率fs以及頻率測量單元216測出的差分信號頻率Δf，計算出一個稱為時間放大系數的參數β，計算公式為β＝fs/Δf，時間放大系數β將用于中頻回波信號的信息提取與評估。運算單元可以用一個運算電路實現，也可以用軟件來實現。運算單元的一個具體實施例為使用單片機243編程進而通過軟件來實現。運算單元的實現方法已為業界所熟知，運算單元的不同具體實現方法并不影響本發明的效用。
該裝置可以配置一個頻率控制單元218，以控制振蕩器202的振蕩頻率，頻率控制單元并非必需，可以有也可以沒有。頻率控制單元218的輸入端與運算單元217的輸出端連接，或者與頻率測量單元216的輸出端連接，輸出端與振蕩器202的壓控電壓輸入端連接。頻率控制單元218根據運算單元217運算得到的時間放大系數β或者根據頻率測量單元216測量得到的差分頻率Δf，產生與時間放大系數β或者與差分頻率Δf呈比例關系的控制信號輸出240。控制信號240控制振蕩器202的振蕩頻率，使得振蕩器202的振蕩頻率保持在一定范圍之內和/或根據需要變化，進而使差分頻率Δf保持在一定范圍之內和/或根據需要變化。舉例來說，振蕩器202是一個壓控振蕩器，此時頻率控制單元218的輸出的是一個電壓信號，電壓隨時間放大系數β或者差分頻率Δf線性變化，振蕩器202的振蕩頻率受該電壓控制而變化。控制信號240也可以不控制振蕩器202，而用于控制振蕩器201，方式與控制振蕩器202相同。頻率控制單元218可以由多種方式實現，舉例來說可以利用單片機243普遍擁有的D/A轉換器或者PWM功能來實現，也可以通過由單片機243輸出充放電控制信號，進而控制外部充放電電路來實現。一個具體實施例為利用單片機普遍擁有的D/A轉換器來實現，單片機程序根據計算得到的時間放大倍數β，通過D/A轉換器輸出一定的控制電壓，D/A轉換器輸出端與前面描述的VX20系列電壓控制晶體振蕩器的壓控電壓輸入端連接，進而達到控制振蕩器頻率的目的。頻率控制方法已為業界所熟知，不同頻率控制方法的具體實現并不影響本發明的效用。
該裝置還配置有一個隨機信號發生器219，隨機信號發生器219的輸出端與求和電路203的第二輸入端連接，同時與求和電路204的第二輸入端連接。隨機信號發生器219的輸出的控制信號241可以使得振蕩器201、202的輸出振蕩信號221、222的相位或者是過零點產生相同的微小的隨機抖動，進而使脈沖發生器205、206產生的脈沖信號在時間軸上的位置產生相同的微小的隨機抖動。舉例來說，控制信號241是一個微小的隨機電壓，將該隨機電壓同時疊加到振蕩器201、202的振蕩信號上，進而使振蕩信號的過零點產生微小的隨機抖動。隨機信號發生器219可以由多種方式實現，舉例來說可以通過單片機243編程或者通過外部移位寄存器電路產生偽隨機M序列，該偽隨機M序列通過外部積分電路產生隨M序列變化的微小的隨機電壓。由于不同裝置產生時間上完全重合的隨機序列的概率非常低，因此這種機制可以廉價而可靠地消除安裝于不同機動車上的防撞裝置之間的相互干擾。圖6示出了隨機信號發生器219的一種具體實施例，圖中602為隨機信號發生器219的輸出端。單片機243的一個I/O口根據程序預存的一個M隨機序列，定時循環順序地輸出一個串行0、1隨機序列，0對應地電平，1對應高電平，該輸出序列經過由R9和C2構成的積分電路，產生在地電平和高電平之間隨機波動的隨機電壓信號，該隨機電壓信號經過集成運放601構成的射隨器輸出。隨機信號的產生方法已為業界所熟知，不同方法的具體實現并不影響本發明的效用。
最終產生的中頻回波信號235或234送入一個信息提取評估單元220，信息提取評估單元220結合時間放大系數β和/或差分頻率Δf，提取和評估障礙物的信息，并輸出報警和/或控制信號242。信息提取評估單元220可以利用單片機243編程實現，也可以通過一定的電路實現，這并非是本發明所需要完成的任務。
圖7示出了當振蕩器201、202為正弦波振蕩器、脈沖發生器205、206為方形脈沖發生器時，輸出信號223、224、225、226、227、228、233之間的相互關系。其中x軸表示時間，y軸表示信號幅度。701為求和電路203的輸出223的波形示意，702為求和電路204的輸出224的波形示意，703為脈沖發生器205的輸出225的波形示意，704為脈沖發生器206的輸出226的波形示意，705為微波源207的輸出227的波形示意，706為微波源208的輸出228的波形示意，707為定向耦合器210的輸出233的波形示意。708、709為發射微波脈沖通過定向耦合器210的輸入端泄漏到輸出端的微波脈沖信號，這是由于實際的定向耦合器不可能做到輸入輸出完全隔離所造成的，微波脈沖708、709比發射的微波脈沖要小，但又顯著大于反射微波脈沖710、711。710、711為接收到的障礙物反射的微波脈沖信號，反射信號一般均較弱。Ts為振蕩器201的振蕩周期，是振蕩器201的振蕩頻率fs的倒數，Tr為振蕩器202的振蕩周期，是振蕩器202的振蕩頻率fr的倒數，ΔT為兩個振蕩器的振蕩周期的差值ΔT＝Tr-Ts，ΔT一般非常小。Δt為微波脈沖從障礙物反射回來的時間。眾所周知，電磁波在自由空間的傳播速度恒等于光速C，如果能準確測量Δt，就可以計算出障礙物104與機動車之間的距離為l＝Δt×C/2，其中C為光速。通過連續兩次探測計算出的障礙物與機動車距離的變化，就可以計算出障礙物與機動車的相對速度。但是在實際情況中，由于光速非常快，因此Δt非常小，所以直接測量Δt并要保持一定的測量精度是非常困難的。舉例來說，假設障礙物與機動車的距離為10米，此時Δt僅為66.667納秒，如果要求測量精度達到1毫米的話，那么需要裝置能測量Δt的0.006納秒的微小差別，這種測量是非常困難的，即使能做到，設備成本也會非常高。
圖8示出了本發明生成的中頻回波信號的示意。其中x軸表示時間，y軸表示信號幅度。圖中801對應定向耦合器泄漏到輸出端的發射微波脈沖信號708或709，802對應障礙物反射的微波脈沖信號710或711，Δtz對應微波脈沖從障礙物反射回來的時間Δt，Δtz與Δt的對應關系為Δtz＝β×Δt，其中β為時間放大系數，相當于Δt在本發明生成的中頻回波信號中被放大了β倍，由于等效時間放大作用，Δtz很容易被測量，進而計算得到Δt，進而計算出機動車與障礙物之間的距離。利用本發明，可以將對Δt的直接測量轉換為對Δtz的間接測量，這種間接測量可以非常廉價而可靠地實現。舉例來說，如果時間放大系數β＝105，假設障礙物與機動車的距離為10米，此時Δtz為6.667毫秒，如果要求測量精度達到1毫米的話，只需要測量裝置能測量Δtz的0.6微秒的差別，這種測量就可以非常容易地用很低速而廉價的器件來實現，并能保證很高的測量精度。同時802的幅度、相位與實際反射微波脈沖信號710或711的幅度、相位也具有線性對應關系，由于等效時間放大作用，對反射信號幅度、相位的測量也變得容易。
權利要求
1.一種用于機動車周圍障礙物的探測方法，其特征在于由以下步驟組成一、通過天線將微波脈沖信號發射至需要探測的方向，微波脈沖遇到障礙物產生反射，天線接收反射微波脈沖信號；二、由兩個振蕩器產生兩個基準振蕩信號，即一個發射基準振蕩信號，用于產生發射微波脈沖，振蕩頻率為fs，一個參考基準振蕩信號，用于產生參考微波脈沖，振蕩頻率為fr，兩個頻率之間有一個頻率差Δf；三、由一個隨機信號發生器產生一個隨機信號，通過兩個求和電路和兩個基準振蕩信號疊加，使兩個基準振蕩信號產生相同的微小的隨機抖動，進而產生兩個基準控制信號，即一個發射基準控制信號，用于產生發射微波脈沖，振蕩頻率為fs，一個參考基準控制信號，用于產生參考微波脈沖，振蕩頻率為fr；四、在兩個基準控制信號的控制下，由兩個脈沖發生器生成兩個窄脈沖信號，一個發射窄脈沖信號，用于產生發射微波脈沖，脈沖重復頻率為fs，一個參考窄脈沖信號，用于產生參考微波脈沖，脈沖重復頻率為fr，在兩個基準控制信號的作用下，兩個窄脈沖信號也具有完全相同的微小隨機抖動；五、在兩個窄脈沖信號控制下，由兩個振蕩頻率相同的微波源生成兩個微波脈沖信號，一個發射微波脈沖信號，用于發射，脈沖重復頻率為fs，一個參考微波脈沖信號，用于對接收的反射微波脈沖信號做處理，脈沖重復頻率為fr，兩個微波脈沖信號的載波中心頻率相同，在兩個窄脈沖信號作用下，兩個微波脈沖信號也具有完全相同的微小隨機抖動；六、設置一個第一混頻器，其第一輸入端輸入的是接收到的反射微波脈沖信號，第二輸入端輸入的是參考微波脈沖信號，兩個信號在混頻器混頻，輸出端輸出本申請所述的中頻回波信號；七、設置一個第二混頻器，其第一輸入端輸入的是重復頻率為fs的信號，第二輸入端輸入的是重復頻率為fr的信號，輸出端輸出重復頻率為Δf的差頻信號；八、測量差頻Δf，計算時間放大系數β；九、結合時間放大系數β，從所述的中頻回波信號中提取各種信息。
2.如權利要求1所述的用于機動車周圍障礙物的探測方法，其特征在于所述的振蕩頻率fs要大于振蕩頻率fr，即fs＞fr，而且兩個振蕩器之間的頻率差Δf要遠遠小于fs。
3.如權利要求1和2所述的用于機動車周圍障礙物的探測方法，其特征在于所述的兩個振蕩器中至少有一個振蕩器的振蕩頻率是固定且已知的。
4.如權利要求1所述的用于機動車周圍障礙物的探測方法，其特征在于所述的時間放大系數β用以下公式計算β=fsΔf.]]>
全文摘要
本發明涉及一種微波探測方法，尤其是可以用于動態或靜態的探測方法。本方法由以下步驟組成本發明使用特殊生成的微波脈沖進行探測，首先通過天線將微波脈沖發射至需要探測的方向，微波脈沖遇到障礙物產生反射，天線接收反射信號，經過本發明的方法處理后形成一個中頻回波信號，通過這種中頻回波信號可以廉價而可靠地估計障礙物的信息，如機動車與障礙物的距離、障礙物的大小、機動車與障礙物的相對速度、方向等信息。本方法能保證很高的測量精度，從而準確評估障礙物對汽車運行安全造成的威脅，及時報警和/或采取規避措施，同時克服了不同裝置之間的相互干擾。
文檔編號G01S13/93GK1815261SQ200610010709
公開日2006年8月9日 申請日期2006年2月28日 優先權日2006年2月28日
發明者胡勇 申請人:胡勇
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
