CN112764036A - 一种自适应多模式车载雷达系统及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及汽车技术领域，特别涉及一种自适应多模式车载雷达系统及设计方法，可根据雷达辐射波形配置和系统性能参数之间的关系，动态灵活调整基带及射频波形配置，可以兼顾多场景下的运用，包括雷达模组，车载通讯模块，雷达模组包括射频前端模块以及MCU处理器，所述雷达模组与车载通讯模块；还包括步骤1：雷达系统通过车载通信总线与车载网络进行通信，获取车速，航向角速度等车辆动力学参数或者基于环境静态反射点信息获取车速，航向角速度等车辆动力学参数；步骤2：根据车辆动力学参数信息动态调整雷达射频前端信号波形参数，从而改变雷达速度分辨率，距离分辨率等系统关键参数。
Description
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，特别涉及一种自适应多模式车载雷达系统及设计方法。
背景技术
毫米波雷达传感器如今广泛应用于车载及民用领域。雷达探测距离范围，距离分辨率，最大速度要求，传感器视野，数据存储器等都是基于最终实际应用场景方面所决定。对于车载应用，高速及低速行驶场景对雷达的功能需求不同，在高速行驶时，需要雷达能探测很远的距离，对分辨率要求没那么高；在城市街道路况或者泊车应用，低速行驶时，此时行人和车辆较多，需要雷达有较高的分辨率，探测距离可以相应的近一些，采用高带宽信号对于同一角度不同距离的物体的辨识就更准确；由于应用场景不同，使得所需的雷达波形配置不同，而目前往往采用多个不同功能定义的雷达解决问题，如负责高速ADAS的角雷达及负责自动泊车的角雷达，配置多雷达成本较高，调试维护困难。
所以如何实现探测波形配置的灵活性及自适应，从而在实现单一雷达适应多场景应用是一个有待解决的且极有意义的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题克服现有的缺陷提供一种自适应多模式车载雷达系统及设计方法，可根据雷达辐射波形配置和系统性能参数之间的关系，采用灵活的线性调频配置，可以兼顾多场景下的运用。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种自适应多模式车载雷达系统，包括MIMO系统和中央处理器和通讯模块；中央处理器包括射频前端模块、信号处理系统和MCU处理器；MIMO系统与中央处理器连接，所述中央处理器与车身通讯模块连接。
作为优选，所述射频前端模块为M个发射天线和N个接收天线构成的收发阵列。
作为优选，所述射频前端模块与中央处理器可为分离式SOC方式或一体式SOC。
作为优选，所述信号处理系统包括混频器、ADC采样器、带通滤波器和信号处理器；混频器、ADC采样器、带通滤波器和信号处理器依次连接。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种自适应多模式车载雷达系统的设计方法，包括如下步骤：步骤1：雷达系统通过车载通信总线与车载网络进行通信，获取车辆动力学参数；
步骤2：根据车辆动力学参数动态调整雷达射频前端信号波形参数，从而改变雷达系统参数。
作为优选，所述步骤1中所述的车辆动力学参数还包括基于环境静态反射点经算法处理获得车辆动力学参数，所述算法可以为直方图统计或傅里叶变换。
作为优选，还包括步骤3：雷达系统配置m个发射通道n个接收通道，配置完毕的信号由射频前端模块发射天线发射，接收天线接收包含环境目标信息的回波信号，经混频，低通滤波，数模采样等处理流程后由基带信号处理器处理并提取环境目标信息。
作为优选，所述基带信号处理器可以为MCU、DSP、ARM、或FPGA处理模块。
作为优选，所述环境目标信息包括目标距离、目标速度、目标方位角和目标反射能量。
本发明有益效果：本发明的自适应多模式车载雷达系统设计方法针对复杂的应用场景，可根据车辆动力学参数，雷达辐射波形配置和系统性能参数之间的关系，采用灵活的雷达辐射波形配置，不同的波形配置适应不同的车载雷达使用场景，从而提高雷达场景普适性。
附图说明
图1为本发明的FMCW雷达系统参数和波形示意图；
图2为本发明的动态调节方法流程图；
图3为本发明的动态调节方法步骤S20具体流程图；
图4为本发明的子帧示意图；
图5为本发明的自适应多模式车载雷达系统的框示图。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图5所示，本发明的自适应多模式车载雷达系统，包括MIMO系统100和中央处理器200和通讯模块300；电源模块600为中央处理器200供电；中央处理器200包括射频前端模块210、信号处理系统220和MCU处理器230；MIMO系统100与中央处理器200连接，所述中央处理器200与车身通讯模块300-CAN总线上获取车速V，车速V来速度传感器500测得；根据车速V对距离分辨率和速度分辨率以及测距范围进行调节的方法对雷达的MIMO系统100进行动态参数调节，以达到定义在不同车速下长距离和短距离探测目标的效果。
MCU处理器230用于配置射频前端模块210的动态波形参数，以使射频前端模块210向MIMO系统100发送毫米波信号；MIMO系统100用于根据FMCW方法发射所述毫米波信号去探测车前方目标物，并接收目标物多路回波信号发送给信号处理系统220。
本实施例的中央处理器200采用先进的MMIC技术，采用先进的脉冲多普勒和连续波雷达技术，与其他雷达处理器相比，降低了雷达系统得峰值辐射功率和收发天线增益。信号处理系统220和微处理器230双核平台可以采用异构方案和集成式两种方案，M发N收天线收发阵列与中央处理器200分离式SOC方式和单芯片M发N收天线收发阵列射频前端、中央处理器200集成的一体式SOC方式。另外，中央处理器200可以通过CAN(Controller AreaNetwork，控制器局域网络)总线与车载中控系统连接，在检测到车前方有人时，且目标距离小于设定阈值时，信号处理系统220向车载中控系统发送目标信息，并报警进行警示。
MIMO系统100包含多个接收通道和发送通道，可以实现M发N收，TX发射功率为12-16dBm,RX噪声系数76至77GHz为14dB,77至81GHz为15dB。在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量。MIMO系统100还可以产生虚拟阵，即利用少数天线阵元形成具有多个虚阵元的虚拟阵列，从而扩展了天线阵列的孔径，提高了目标物的角分辨力。本实施例的MIMO系统100还采用FMCW技术发射毫米波，可以有效地剔除栏杆、建筑物等静态物体的干扰，很大程度上降低了虚警率，提高目标速度分辨率，提高探测灵敏度高。
信号处理系统220包括：混频器、ADC采样器、带通滤波器和信号处理器等。其中，混频器可以将接收到的多路回波信号由高频信号转换到中频信号，便于ADC进行采样处理；带通滤波器可以去掉脉冲杂波和某些特定频率的干扰信号，对所述中频信号进行模拟域数据的滤波处理；ADC采样器根据预设采样频率和采样点数对滤波后的所述中频信号进行离散采样得到16bit位的多路I/Q信号。
MCU处理器230主要用于控制各外围驱动模块和雷达系统的启动，以及对FMCW线性调频连续波信号的动态控制和校准，并针对频率和温度进行自校准。本实施例的微处理器230可以为ARM或者DSP，集成度高，体积小，功能性强，支持动态更新波形参数，丰富的外围接口，降低了雷达系统的体积和成本。
在具体实施时，可以采用实施例1
本发明的自适应多模式车载雷达系统设计方法，如图1所示：包括步骤：
S10.雷达系统通过CAN总线与车身其他ecu进行通信，从而获取车速V。根据车速V，判断所需扫描带宽B的大小，其中最远距离Rangemax由接收信号的SNR和雷达设备支持的中频带宽Bif所限制。Bif取决于选择的ADC采样频率，在复数采样模式下带宽限制为0.9*(ADC采样)，在实数采样模式下带宽限制为0.9*(ADC采样)/2。
Pr＝10·lg(K·Bif·T)+NF+SNR
其中：Rr表示雷达系统计算的最大威力距离；Pt表示雷达系统的发射功率；Gt表示发射天线增益；Gr表示接收天线增益；σ表示系统雷达散射截面积；λ表示发射信号中心频率波长；Pr表示雷达系统的接收灵敏度；K表示玻尔曼兹常数；Bif表示中频滤波器带宽；NF表示噪声系数；SNR表示噪声比。
雷达的实测目标距离除了和中频带宽有关以外，还和扫描带宽有关。在确定中频带宽Bif的情况下，扫描带宽越大，雷达实测距离越小。
其中：Rangec表示目标的实际距离；C表示真空中光速；Tc表示一个chirp的周期；B表示射频扫描带宽，单位为MHz；Bif为中频滤波器带宽。
在雷达目标探测识别中，重要的是能够将两个间隔很近的对象解析为两个单独的对象，而不是将它们检测为一个，允许将两个物体检测为独立物体的最小距离称为距离分辨率Range_resolution。这主要取决于雷达传感器可以提供的线性调频扫描带宽，扫描带宽越大，范围分辨率越好。雷达系统支持4GHz的扫描带宽，其范围分辨率可低至约4cm。更好的距离分辨率还有助于检测到非常近的物体，从而改善了最小检测范围。
其中：C:光速299792458m/s；B：FMCW扫描带宽
FMCW调制雷达中的最大可测量速度Velocity_unambiguous取决于线性调频周期时间，即两个连续线性调频声开始之间的时间差。这取决于可以执行多快的频率扫描和允许的最小线性调频时间。
其中：λ表示发射信号中心频率波长；Tc表示一个chirp的周期；Nc一帧中的线性调频数。
S20.雷达系统采用m发n收，射频前端发射线性调频脉冲信号，并捕捉其发射路径中的物体反射的信号，其频率随时间线性变化。如图2，线性调频斜坡的各种参数(频率斜率，扫描带宽等)都会改变系统性能，选择合适的雷达系统参数，最大化利用雷达性能，针对不同车速行驶情况，选择不同的探测距离、距离分辨率和速度分辨率。该线性调频脉冲由发射天线(TX天线)发射x1(t)，物体对该线性调频脉冲的反射生成一个由接收天线(RX天线)捕捉的反射线性调频脉冲x2(t)。混频器输出信号xout(t)有一个瞬时频率，等于两个输入正弦函数的瞬时频率之差。输出xout(t)的相位等于两个输入信号的相位之差。
x1(t)＝sin(w1t+φ1)(1)
x2(t)＝sin(w2t+φ2)(2)
xout(t)＝sin[(ω1-ω2)t+(φ1-φ2)](3)
S201.当车速V<30Km/h时，扫描带宽B采用宽带宽B>3GHz方式，此时车低速行驶，需要高精度的距离分辨率Range_resolution，能够将两个间隔很近的目标解析为两个单独的对象，而不是将它们检测为一个。这主要取决于雷达传感器可以提供的线性调频扫描带宽B。扫描带宽B越大，范围分辨率越好。雷达系统支持最大4GHz的扫描带宽，其范围分辨率可低至约4cm。更好的距离分辨率Range_resolution有助于检测到非常近的物体，从而改善了最小检测范围。FMCW调制雷达中的最大可测量速度Velocity_unambiguous取决于线性调频周期时间，即两个连续线性调频声开始之间的时间差。这取决于可以执行多快的频率扫描和允许的最小线性调频时间。MMIC允许100MHz/μs-200MHz/μs的快速斜坡，此外，闭环PLL设计为支持频率斜坡的非常快速的建立。雷达系统发射毫米波一帧有N1个chirp，每间隔时间Tc1进行一帧的发射。
S202.汽车雷达系统在行驶速度30Km/h<V<80Km/h时，扫描带宽B采用带宽B<3GHz方式进行发射电磁波信号，此时的探测距离相对短距较远，相对与低速行驶情况速度和距离分辨率较低。雷达发射毫米波一帧有N2个chirp，每间隔时间Tc2进行一帧的发射。
S203.汽车雷达系统在行驶速度80Km/h<V时，扫描带宽B采用B<1GHz的频率进行发射电磁波信。雷达发射毫米波一帧有N3个chirp，每间隔时间Tc3进行一帧的发射。
S204.针对多场景应用，雷达系统以每一帧数据发送一种调频制式信号的方式分时发送扫描带宽的窄带模式和宽带模式下的调频制式信号，并通过调节雷达系统的中频滤波器的带宽确认目标的实际距离。雷达系统的一帧由M个子帧形成，并且每个子帧可以具有不同的chirp集合。不同的chirp也可以使用不同的发射机(可能具有不同的天线配置)。图4显示了不同线性调频曲线和可以形成一个帧的2个子帧。多子帧的时序要求如下：突发间时间应≥50μsec，子帧间时间应≥100μsec，帧间时间应≥200μsec。
S30.在不同车速下，根据目标的实际距离Rangec，对中频滤波器带宽Bif进行调整，从而获得当前距离下雷达系统最优的射频扫描带宽B，并根据当前射频调频带宽B计算雷达系统当前最优的距离分辨率。
本发明根据车速，动态调整扫描带宽以实现不同距离目标参数的动态调节，从而获得雷达系统的最优距离分辨率和测距范围，以实现测量近距离目标时可以得到较好的距离分辨率，测量远距离目标时可以得到较远的测量距离，且本发明的动态调节可以根据目标的实际距离使雷达系统性能效果更佳。
在具体实施时，也可以采用实施例2
一种FMCW雷达系统，包括了射频模块，与射频模块通信连接的处理器模块以及信号处理模块，所述的处理器模块从车身CAN总线上获取车速V，根据车速V对距离分辨率和速度分辨率以及测距范围进行调节的方法对雷达的射频参数进行动态调节。
以上为本发明较佳的实施方式，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改，因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种自适应多模式车载雷达系统，其特征在于：包括MIMO系统(100)和中央处理器(200)和通讯模块(300)；中央处理器(200)包括射频前端模块(210)、信号处理系统(220)和MCU处理器(230)；MIMO系统(100)与中央处理器(200)连接，所述中央处理器(200)与车身通讯模块(300)连接。
2.根据权利要求1所述的自适应多模式车载雷达系统，其特征在于：所述射频前端模块(210)为M个发射天线和N个接收天线构成的收发阵列。
3.根据权利要求1所述的自适应多模式车载雷达系统，其特征在于：所述射频前端模块(210)与中央处理器(200)可为分离式SOC方式或一体式SOC。
4.根据权利要求1所述的自适应多模式车载雷达系统，其特征在于：所述信号处理系统(220)包括混频器、ADC采样器、带通滤波器和信号处理器；混频器、ADC采样器、带通滤波器和信号处理器依次连接。
5.一种自适应多模式车载雷达系统的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：雷达系统通过车载通信总线与车载网络进行通信，获取车辆动力学参数；
步骤2：根据车辆动力学参数动态调整雷达射频前端信号波形参数，从而改变雷达系统参数。
6.根据权利要求5所述的自适应多模式车载雷达系统的设计方法，其特征在于：所述步骤1中所述的车辆动力学参数还包括基于环境静态反射点经算法处理获得车辆动力学参数，所述算法可以为直方图统计或傅里叶变换。
7.根据权利要求5所述的自适应多模式车载雷达系统的设计方法，其特征在于：还包括步骤3：雷达系统配置m个发射通道n个接收通道，配置完毕的信号由射频前端模块发射天线发射，接收天线接收包含环境目标信息的回波信号，经混频，低通滤波，数模采样等处理流程后由基带信号处理器处理并提取环境目标信息。
8.根据权利要求7所述的自适应多模式车载雷达系统的设计方法，其特征在于：所述基带信号处理器可以为MCU、DSP、ARM、或FPGA处理模块。
9.根据权利要求7所述的自适应多模式车载雷达系统的设计方法，其特征在于：所述环境目标信息包括目标距离、目标速度、目标方位角和目标反射能量。
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