高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器论文和设计-陈浩文

全文摘要

本实用新型提供一种高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，包括：MIMO天线阵列模块、电源管理模块、通信接口模块、射频前端、信号处理模块；所述MIMO天线阵列模块采用2发4收MIMO阵列，天线采用PCB板载微带天线，4个接收天线间间隔λ\/2，通过计算在4个接收天线上回波的相位差可测量目标的方位角度；所述电源模块与外部电源正负极连接，采用高度集成的DC\/DC芯片，可同时转换出4路稳定电压输出；所述通信接口模块用于输出雷达传感器探测到的目标距离、角度、速度、置信度等信息；所述射频前端包含发射的调频连续波生成和回波信号的接收；所述信号处理模块包括对回波信号采样，并进行数字信号处理。

主设计要求

1.一种高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，包括：MIMO天线阵列模块、电源管理模块、射频前端、信号处理模块、通信接口模块；其特征在于：所述MIMO天线阵列模块采用PCB板载微带天线，包括发射天线（Tx）和接收天线（Rx），发射天线（Tx）与射频前端输出端连接，接收天线（Rx）与射频前端输入端连接；所述电源管理模块与外部电源正负极连接，采用高度集成的DC\/DC芯片，可同时转换出4路稳定电压输出，通过模块内部的电压转换器为射频前端、信号处理模块、通信接口模块提供稳定的电源电压供给；所述射频前端用于包括发射的调频连续波生成和回波信号的接收；所述信号处理模块用于包括对回波信号采样，并进行数字信号处理；所述通信接口模块用于输出所述雷达传感器探测到的目标信息。

设计方案

1.一种高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，包括：MIMO天线阵列模块、电源管理模块、射频前端、信号处理模块、通信接口模块；其特征在于：

所述MIMO天线阵列模块采用PCB板载微带天线，包括发射天线（Tx）和接收天线（Rx），发射天线（Tx）与射频前端输出端连接，接收天线（Rx）与射频前端输入端连接；

所述电源管理模块与外部电源正负极连接，采用高度集成的DC\/DC芯片，可同时转换出4路稳定电压输出，通过模块内部的电压转换器为射频前端、信号处理模块、通信接口模块提供稳定的电源电压供给；

所述射频前端用于包括发射的调频连续波生成和回波信号的接收；所述信号处理模块用于包括对回波信号采样，并进行数字信号处理；所述通信接口模块用于输出所述雷达传感器探测到的目标信息。

2.根据权利要求1所述高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，其特征在于，所述MIMO天线阵列模块采用2发4收MIMO阵列， 4个接收天线（Rx）间间隔λ\/ 2，λ为射频前端发射的电磁波波长。

3.根据权利要求2所述高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，其特征在于，所述射频前端接收到的中频IF信号连接到信号处理模块的输入端，信号处理模块对中频IF信号进行处理，做目标检测、角度计算、目标跟踪和目标信息的输出。

4.根据权利要求3所述高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，其特征在于，所述射频前端工作在77-81G频段，带宽4G，电磁波波长λ等于3.8mm。

5.根据权利要求4所述高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，其特征在于，所述MIMO天线阵列模块形成8个观测通道，角度分辨率15°，测距精度达到或优于0.02m。

6.根据权利要求5所述高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，其特征在于，所述射频前端最大发射功率为12dBm，等效全向辐射功率EIRP等于22dBW，探测水平角度±60°，垂直角度±10°，探测距离120m。

7.根据权利要求1所述高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，其特征在于，所述通信接口模块包括CAN通信电路和UART串口通信电路，用于输出雷达传感器探测到的目标距离、角度、速度、置信度信息。

8.根据权利要求1~7任一所述高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，其特征在于，所述雷达传感器包括：底座（1），设置在底座（1）上的电路PCB板（2），盖住所述电路PCB板（2）的天线罩（3），以及固定天线罩（3）的上盖框（4），所述底座（1）上伸出有连接器（5）；

所述MIMO天线阵列模块、电源管理模块、射频前端、信号处理模块、通信接口模块设置在所述电路PCB板（2）上，所述天线罩（3）采用透波材料制成，用于保护所述MIMO天线阵列模块；所述连接器（5）与电路PCB板（2）上的通信接口模块电连接，通过连接器（5）对外输出信号。

9.根据权利要求8所述高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，其特征在于，所述雷达传感器尺寸为5cm*5cm*2cm。

设计说明书

技术领域

本发明属于雷达传感器技术领域，尤其涉及一种高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器。

背景技术

传统的测距传感器有超声波测距传感器、激光测距传感器、红外测距传感器；其中超声波测距传感器探测距离短小于15m，无法定位障碍物方位，且容易受到温度、烟雾、灰尘、雨滴等的影响；红外测距传感器发射角度极小探测范围窄，且容易受到日光、相近波长光源、烟雾、灰尘等的影响，激光测距传感器与红外测距类似发射角度极小探测范围窄，也容易受烟雾、灰尘、雨滴等环境的影响；研制可同时测距、测速、测角的新型传感器可有效弥补传统测距传感器的不足，市面上已有的雷达传感器存在或体积大、或精度低、或探测范围窄等问题，本发明具有传感器体积小，探测距离远，探测角度宽，探测精度高等特点，便于在汽车或其他工业设备上的安装。

发明内容

针对背景技术提出的问题，本发明的目的是，提供一种高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，实现产品小型化设计，同时其探测角度大、探测距离远、角度分辨率高，通过信号处理可同时输出测量目标的距离、速度、角度、置信度等信息。

为实现上述目的，提供一种高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，采用如下技术方案：

一种高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，包括：MIMO天线阵列模块、电源管理模块、射频前端、信号处理模块、通信接口模块；

所述MIMO天线阵列模块（天线）采用PCB板载微带天线，包括发射天线（Tx）和接收天线（Rx），发射天线（Tx）与射频前端输出端连接，接收天线（Rx）与射频前端输入端连接；

所述射频前端用于包括发射的调频连续波生成和回波信号的接收；所述信号处理模块用于包括对回波信号采样，并进行数字信号处理；所述通信接口模块用于输出所述雷达传感器探测到的目标信息；

天线采用PCB板载微带天线，可缩减天线尺寸，电源模块采用高度集成的DC\/DC芯片进一步减小雷达模块的体积，产品体积较市场同类产品缩小40%，所述雷达传感器体积可做到5cm*5cm*2cm。

进一步地，所述高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，所述MIMO天线阵列模块采用2发4收MIMO阵列， 4个接收天线（Rx）间间隔λ\/ 2，λ为射频前端发射的电磁波波长，通过计算在4个接收天线上回波的相位差可测量目标的方位角度θ；

因接收天线间隔距离极小，当某方向有目标回波，到达接收天线的电磁波近似为平面波，因4个接收天线间有λ\/ 2的路程差，因此不同接收天线间的回波信号存在相位差，通过计算在4个接收天线上回波的相位差可测量目标的方位角度θ，可同时测量多个目标的距离、速度、角度信息。

进一步地，所述高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，所述射频前端接收到的中频IF信号连接到信号处理模块的输入端，信号处理模块对中频IF信号进行ADC采样，利用chirp间隔时间对数据做距离维FFT变换，通过多个chirp的数据积累再对数据做多普勒维的FFT，利用帧间隔时间做目标检测、角度计算、目标跟踪和目标信息的输出，输出信息包括目标的距离、角度、速度、置信度。

进一步地，所述高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，所述射频前端工作在77-81G频段，带宽4G，电磁波波长λ等于3.8mm。

进一步地，所述高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，所述MIMO天线阵列模块形成8个观测通道，角度分辨率15°，测距精度达到或优于0.02m；

角度分辨率 = 波束宽度120°除以8等于15°，距离分辨率R _{resolution<\/sub> = C\/2*B，式中：C为光速等于3x10 ^{8<\/sup>m\/s，B为线性调频77-81G带宽4G，因此距离分辨率R_{resolution<\/sub> =0.04m，测距精度 = 距离分辨率R _{resolution<\/sub> \/ 2。}}}}

进一步地，所述高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，所述射频前端最大发射功率为12dBm，等效全向辐射功率EIRP等于22dBW，探测水平角度±60°，垂直角度±10°，探测距离120m；

射频前端最大发射功率为12dBm，通过实验仿真与实际测试，收发天线波束在水平角度±60°、垂直角度±10°时，收发天线增益最大可达10dBi，其等效全向辐射功率EIRP等于22dBW，最大作用距离与信噪比公式如下：

式中：Pt是射频前端最大发射功率 = 12dBm；

G_{RX<\/sub>是接收天线增益 = 10dBi；}

G_{TX<\/sub>是发射天线增益 = 10dBi；}

C 表示光速 = 3x10 ^{8<\/sup>m\/s；}

σ 表示目标的RCS值，汽车的RCS = 10m ^2<\/sup>；

N 表示每帧的chirp数 = 128；

T_{r<\/sub>表示单个chirp的周期，设为 56us；}

f_{C<\/sub>表示信号采样速率 = 10MHz；}

kT 表示玻尔兹曼常数 = 1.38x10 ^{-23<\/sup>J\/deg；}

NF 表示系统噪声系数 = 15dB；

SNR_{det<\/sub>表示检测门限值设为 13dB；}

最大探测距离与波形设计的关系：

其中：IFmax表示射频前端的中频带宽最大为5MHz；

C表示光速 = 3x10 ^{8<\/sup>m\/s；}

S表示调制信号的斜率 = 6.25MHz\/us。

进一步地，所述高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，所述通信接口模块包括CAN通信电路和UART串口通信电路，用于输出雷达传感器探测到的目标距离、角度、速度、置信度信息。

进一步地，所述高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，所述雷达传感器包括：底座（1），设置在底座（1）上的电路PCB板（2），盖住所述电路PCB板（2）的天线罩（3），以及固定天线罩（3）的上盖框（4），所述底座（1）上伸出有连接器（5）；

所述MIMO天线阵列模块、电源管理模块、射频前端、信号处理模块、通信接口模块设置在所述电路PCB板（2）上，所述MIMO天线阵列模块位于电路PCB板（2）天线极化方向朝向天线罩（3），所述天线罩（3）采用透波材料制成，其具有良好的电磁波穿透特性和机械性能，用于保护所述MIMO天线阵列模块；所述连接器（5）与电路PCB板（2）上的通信接口模块电连接，通过连接器（5）对外输出信号；

所述雷达传感器尺寸为5cm*5cm*2cm。

进一步地，所述高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器应用于工业自动控制、车辆盲区检测。

本发明的有益效果包括：高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，因接收天线间隔距离极小，当某方向有目标回波，到达接收天线的电磁波近似为平面波，因4个接收天线间有λ\/ 2的路程差，因此不同接收天线间的回波信号存在相位差，通过计算在4个接收天线上回波的相位差可测量目标的方位角度，可同时测量多个目标的距离、速度、角度信息；采用多发多收MIMO天线阵列角度分辨率高，测距精度优于2cm；天线采用PCB板载微带天线，可缩减天线尺寸，高度集成的DC\/DC芯片进一步减小雷达模块的体积，在满足探测精度的条件下，体积较市场同类产品缩小40%，传感器体积5cm*5cm*2cm；所述传感器可应用于工业自动控制，车辆盲区检测等领域。

附图说明

图1高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器三维模型结构图；

图2高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器电路结构示意图；

图3本发明的MIMO天线阵列设计示意图；

图4本发明的MIMO天线阵列测量原理图；

图5通过HFSS软件微带天线仿真测试结果。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的说明，以便于本领域技术人员理解本发明。

如附图1所示，一种高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，它包括底座（1），设置在底座（1）上的电路PCB板（2），盖住所述电路PCB板（2）的天线罩（3），以及固定天线罩（3）的上盖框（4），所述底座（1）上伸出有连接器（5），所述连接器（5）与电路PCB板（2）电连接，以上所述各部位通过螺钉合理连接固定，底座（1）通过螺钉连接到车辆或工业设备上，实现所述雷达传感器的安装。

如附图2所示，所述雷达传感器的电路PCB板（2），包括：MIMO天线阵列模块、电源管理模块、射频前端、信号处理模块、通信接口模块；

所述MIMO天线阵列模块采用PCB板载微带天线设计，可缩减天线尺寸，包括发射天线（Tx）和接收天线（Rx），发射天线（Tx）与射频前端输出端连接，接收天线（Rx）与射频前端输入端连接；在PCB板天线面外壳采用透波材料制成的天线罩（3），所述透波材料在电气性能上具有良好的电磁波穿透特性，机械性能上能经受外部恶劣环境；

所述电源管理模块与外部电源正负极连接，采用高度集成的DC\/DC芯片，可同时转换出4路稳定电压输出，通过模块内部的电压转换器为射频前端、信号处理模块、通信接口模块提供稳定的电源电压供给；高度集成的DC\/DC芯片管理控制电源，可减少电源电路占用PCB板空间，其高集成度进一步减小雷达模块的体积；

所述射频前端用于包括发射的调频连续波生成和回波信号的接收，射频前端工作在77-81G频段，电磁波波长λ短，等于3.8mm；

所述信号处理模块用于包括对回波信号采样，并进行数字信号处理；数字信号处理方法为：射频前端接收到的中频IF信号连接到信号处理模块的输入端，信号处理模块对中频IF信号进行ADC采样，利用chirp间隔时间对数据做距离维FFT变换，通过多个chirp的数据积累再对数据做多普勒维的FFT，利用帧间隔时间做目标检测、角度计算、目标跟踪和目标信息的输出。

所述通信接口模块包括CAN通信电路和UART串口通信电路，用于输出雷达传感器探测到的目标距离、角度、速度、置信度等信息（置信度等信息的获取方法参见中国专利申请号为2018115075422的专利文献）；连接器（5）连接所述通信接口模块，通过连接连接器（5），对外输出信号；

所述高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，天线采用PCB板载微带天线，可缩减天线尺寸，电源管理模块采用高度集成的DC\/DC芯片进一步减小雷达模块的体积，从而传感器体积小，传感器尺寸为5cm*5cm*2cm，体积较市场同类产品缩小40%。

如附图3所示，为上文所述MIMO天线阵列模块的设计：所述MIMO天线阵列模块采用2发4收MIMO阵列，即包括2个发射天线（Tx）和4个接收天线（Rx），天线采用PCB板载微带天线，可缩减天线尺寸，2个发射天线（Tx）间间隔2λ（这个距离也可以是其他值），4个接收天线（Rx）间间隔λ\/ 2，λ为射频前端发射的电磁波波长；

如附图4所示，所述MIMO天线阵列模块测量角度的原理是：因接收天线间隔距离极小，当某方向有目标回波时，到达接收天线的电磁波近似为平面波，因4个接收天线间有λ\/2的路程差，因此不同接收天线间的回波信号存在相位差，通过计算在4个接收天线上回波的相位差可测量目标的方位角度θ，角度分辨率和测角精度高；

所述MIMO天线阵列模块，2发4收的MIMO雷达系统可以形成8个观测通道，角度分辨率 = 波束宽度120°除以8等于15°，距离分辨率R _{resolution<\/sub> = C\/2*B，式中：C为光速等于3x10 ^{8<\/sup>m\/s，B为线性调频77-81G带宽4G，因此距离分辨率R_{resolution<\/sub> = 0.04m，测距精度 = 距离分辨率R _{resolution<\/sub> \/ 2，所述高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，角度分辨率15°，测距精度达到或优于0.02m；图4为雷达所探测到的目标信息以收发天线处作为直角坐标系的原点表示，目标信息输出以极坐标（R,θ）形式，图中解释了极坐标（R,θ）与直角坐标（x,y）之间的计算和转换关系。}}}}

所述高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，探测水平角度±60°，垂直角度±10°，探测距离120m；通过HFSS软件，设计微带天线并仿真，经实际测试其结果符合设计预期，结果如附图5所示，附图5表示微带天线在水平E面和垂直H面的天线增益模型仿真，其水平-6dB带宽正负±60°，其垂直-6dB带宽正负±10°；

式中：Pt 是射频前端最大发射功率 = 12dBm；

G_{RX<\/sub>是接收天线增益 = 10dBi；}

G_{TX<\/sub>是发射天线增益 = 10dBi；}

C 表示光速 = 3x10 ^{8<\/sup>m\/s；}

σ 表示目标的RCS值，汽车的RCS = 10m ^2<\/sup>；

N 表示每帧的chirp数 = 128；

T_{r<\/sub>表示单个chirp的周期，设为 56us；}

f_{C<\/sub>表示信号采样速率 = 10MHz；}

kT 表示玻尔兹曼常数 = 1.38x10 ^{-23<\/sup>J\/deg；}

NF 表示系统噪声系数 = 15dB；

SNR_{det<\/sub>表示检测门限值设为 13dB。}

天线波束水平角度±60°、垂直角度±10°，探测范围大；测距精度高，优于0.02m，前端调频连续波设计77-81G共4G超大带宽，其距离分辨率为0.04m，测距精度 = 距离分辨率 \/ 2 = 0.02m；

探测距离远，最远可达120m，最大探测距离与波形设计的关系：

其中：IFmax表示射频前端的中频带宽最大为5MHz；

C 表示光速 = 3x10 ^{8<\/sup>m\/s；}

S 表示调制信号的斜率 = 6.25MHz\/us。

最大作用距离与信噪比公式和最大探测距离与波形设计的关系从两个方面来计算雷达的最大探测距离，要达到120m的探测距离，要同时满足这两个公式。

本发明的所述高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器的应用，应用于工业自动控制、车辆盲区检测。

本发明的有益效果包括：高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器，因接收天线间隔距离极小，当某方向有目标回波，到达接收天线的电磁波近似为平面波，因4个接收天线间有λ\/ 2的路程差，因此不同接收天线间的回波信号存在相位差，通过计算在4个接收天线上回波的相位差可测量目标的方位角度，采用77G雷达可同时测量多个目标的距离、速度、角度信息；采用多发多收MIMO天线阵列角度分辨率高，测距精度优于2cm；天线采用PCB板载微带天线，可缩减天线尺寸，高度集成的DC\/DC芯片进一步减小雷达模块的体积，在满足探测精度的条件下，体积较市场同类产品缩小40%，传感器体积5cm*5cm*2cm；所述传感器可应用于工业自动控制，车辆盲区检测等领域。

以上实施例仅用于说明本发明的具体实施方式，而不是用于限定本发明，本发明所要求保护的范围以权利要求书所述为准。

设计图

高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器论文和设计

高精度宽波束中短距小型MIMO雷达传感器论文和设计-陈浩文

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