雷达传感器模块 |
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| 申请号 | CN201510203973.X | 申请日 | 2015-04-27 | 公开(公告)号 | CN106154254A | 公开(公告)日 | 2016-11-23 |
| 申请人 | 张韬; | 发明人 | 张韬; 吴华明; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种雷达 传感器 模 块 。该模块具有天线，收发器， 数据处理 器和 接口 ，通过外部控制可选择其工作模式，传感器接收到的数据经过数据处理器提取特征参数后经接口发送给外部的系统。该雷达传感器模块是一种通用的传感器模块，可灵活用于测速，测距，定向等不同的用途，具有广泛的应用价值。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种雷达传感器模块，该模块具有天线，收发器，数据处理器和数据接口，该雷达传感器模块的数据接口能够与多种外部设备相连接，其特征在于，该雷达传感器模块能够适用于多种工作模式，且数据处理器被设置成能够执行下列功能： |
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| 说明书全文 | 雷达传感器模块技术领域背景技术[0002] 雷达传感器可用于测量物体的距离，速度，移动，位置，角度，方位等物理量，其原理由传感器的工作模式决定，其中最主要是由调制模式决定。调制模式主要包括：连续波调制、调频连续波调制、频移键控调制、脉冲调制等。连续波技术是通过回波的多普勒效应产生的频率偏移测量待测物体的相对运动速度。在调频连续波技术中，其调频连续波为频率随时间连续变化的无线电波，通过测量收发信号的频率差值计算出待测物体的距离与运动速度。而频移键控调制和脉冲调制都是通过测量无线电波传输时间而测出到待测物体的距离，亦可通过对距离的多次测量获得待测物体的运动速度。 [0003] 如果需要测量角度和方位，则需要使用多通道的雷达传感器。双通道的调频连续波雷达传感器，即可完成物体角度的测量。其原理是测量由物体反射到两个接收天线的无线电波传输时间及时间差值，再结合三角函数计算其角度。 [0004] 传统的雷达传感器一般只支持一种调制模式，即连续波，调频连续波，频移键控和脉冲调制中的一种，尽管雷达传感器收发模块（天线和收发器）可以支持多种调制模式，但由于传统的雷达传感器一般都有确定的应用范围，所以传感器系统级的应用（包括数据处理器）一般都只能支持一种调制模式。在模块设计时，传统的做法是一种应用场景设计一种雷达传感器模块（包括数据处理器），如将天线，收发器和数据处理器组装为一体，以提高系统的稳定性和集成度。而对应着新的应用场景，则重新设计新的雷达传感器模块。由于传统雷达传感器市场的特殊性，对传感器的通用性并无特殊需求。 发明内容[0006] 本发明设计了一种通用的雷达传感器模块。该模块的主要特点是：可选择工作模式的数据处理器，以及进一步的可替换的收发子模块。通过适当选择收发子模块和数据处理器的工作模式和控制参数，该模块可满足绝大部分的雷达传感器应用。该模块通过各种标准接口和外部设备连接，可以控制外部设备，也可以作为更大的系统的一部分接受外部设备的控制。 [0007] 与传统的雷达传感器模块相比，本发明有如下优点，首先，可以灵活满足雷达传感器的不同应用，其次，它可以结合多种调制模式，完成复杂的传感任务。 [0008] 本发明提供一种雷达传感器模块，该模块具有天线，收发器，数据处理器和数据接口，该雷达传感器模块的数据接口能够与多种外部设备相连接，其特征在于，该雷达传感器模块能够适用于多种工作模式。 [0009] 数据处理器被设置成能够执行下列功能：步骤一，经由数据接口获取一外部设备关于执行某一工作模式的指令， 步骤二，根据该工作模式的指令，设置调整数据处理器和收发器，使其工作于该工作模式。 [0010] 所述工作模式可选为连续波模式，调频连续波模式，线性调频模式，频移键控调制模式，脉冲调制模式，或多通道的复合模式。 [0011] 优选的，该数据处理器除了获取一外部设备关于执行某一工作模式的指令之外，还可获取外部设备关于控制参数的指令，并且根据该控制参数的指令设置调整数据处理器和收发器。 [0012] 优选的，天线和收发器为组装为一体的收发子模块。 [0013] 优选的，雷达传感器模块中的收发子模块有通用接口和雷达传感器模块的其他部分相连接，且不同种类的子模块之间可以替换。 [0014] 优选的，雷达传感器模块中的数据接口可为USB，无线网络适配器，蓝牙，串行端口，GPIB，或XBee。 [0015] 优选的，进一步地，数据处理器被设置成能够执行下列功能：步骤三，数据处理器将传感器采集得到的信号提取特征参数， 步骤四，数据处理器将该特征参数经数据接口发送给外部设备。 [0016] 优选的，特征参数可为时域或频域采样信号，也可为时域或频域采样信号的特征值。 [0017] 优选的，采样信号的特征值可为频域的峰值。 [0019] 图1 本发明中的雷达传感器模块的结构示意图以及与外部设备的连接。 [0020] 图2 本发明的一实施例中通用雷达传感器模块的运行流程示意图。 [0021] 图3 本发明中的一具体实施例，一通用雷达传感器模块结构示意图。 [0022] 图4 本发明中的一具体实施例，一雷达传感器模块用于安保的运行流程示意图。 [0023] 图5本发明中的一具体实施例，可使用智能手机操控的雷达传感器模块运行流程示意图。 [0024] 图6本发明中的一具体实施例，一雷达传感器模块用于合成孔径雷达成像的运行流程示意图。 具体实施方式[0025] 图1为本发明中的雷达传感器模块的结构示意图以及与外部设备的连接。1为天线或天线组，2为收发器或收发器组，1和2共同组成了收发子模块3，4为数据处理器，5为标准接口，3，4和5共同组成了本发明的雷达传感器模块6。该雷达传感器模块经由标准接口5连接外部设备7。 [0026] 在雷达传感器模块工作之前，外部设备7可以给雷达传感器模块6指定一个工作模式，这些设定通过标准接口5到达并存储在数据处理器4中，数据处理器4依据该指定的工作模式，通过调制收发器2产生雷达信号，该雷达信号经天线1发送后又被物体反射，然后被天线1接收，经过收发器2解调制之后，输出到数据处理器4经处理后，得到所需要的距离，速度等信息。 [0027] 在这个模块中，收发子模块2可以灵活的选择，比如由一个单通道的发射器和两个单通道的接收器，以及一组窄波束定向发射天线和两组窄波束定向接收天线组成的收发子模块，或替换为由一个单通道的收发器，以及一组宽波束发射天线和宽波束接收天线组成的收发子模块，以满足不同应用场景中的需要。 [0029] 图2为本发明的一实施例中通用雷达传感器模块的运行流程示意图。首先 外部设备7选择工作模式及控制参数。该通用雷达传感器模块可以适用于多个工作模式，如连续波模式，调频连续波模式，线性调频模式，频移键控调制模式，脉冲调制模式，或多通道的复合模式。针对不同的应用场景，如测距，测速，感知物体，感知移动，测量移动方向，测量角度等。通用雷达传感器模块需要切换到不同的工作模式，以及选择适当的收发模块。对同一工作模式，针对具体的应用场景，通用雷达传感器模块也需要切换其控制参数，如输出功率，频率范围，周期，调制函数等。这些都可以由外部设备7来设定。设定之后，外部设备7将相关指令发送给数据处理器4，数据处理器4根据相关设定，控制收发器2的各项参数，如收发器的输出频率范围，输出信号强度，调制信号周期等。之后收发器发送特定的微波信号；等一段时间后，收发器收到返回的微波信号，这种信号可能是物体反射的回波信号，也可能是二次雷达传感器的返回信号。 [0030] 所谓二次雷达传感器，即测量端有一个雷达传感器，待测物体端有另外一个雷达传感器。待测物体端接收到传感器端的雷达信号后，发送特定的雷达信号返回到传感器端。通过二次雷达可以非常方便的测量两个物体之间的距离和相对移动，它有测量距离远，测量精度高等优点。在测量端放置一个雷达传感器模块，在待测物体端放置另外一个雷达传感器模块，即可实现二次雷达的功能。 [0032] 图3为本发明中的一具体实施例，一通用雷达传感器模块结构示意图。收发器302包括双通道的接收器和单通道的发射器，它连接三组天线，分别为发射天线301，接收天线311和321，其中，301，311和321均为窄波束定向天线。收发器302，天线301，311和321共同组成了收发子模块，这里的收发子模块优选为可替换的模块。该收发子模块经排线和雷达传感器模块的其他部分相连接，且可拆卸替换为兼容排线的其他种类的收发子模块。比如说，该收发子模块可以替换为由一个单通道的收发器，以及一组窄波束定向发射天线和一组窄波束定向接收天线组成的收发子模块，或替换为由一个单通道的收发器，以及一组宽波束发射天线和宽波束接收天线组成的收发子模块。其中，不同收发子模块的适用场景不同。 [0033] 数据处理器由模式选择304和数据处理314构成。模式选择304负责选择其工作模式，而数据处理314负责调节收发器的各项参数以及进行数据处理。 [0034] 以下结合具体的应用场景，说明该通用雷达传感器模块可适用的不同工作模式。 [0035] 最简单的工作模式是测速以及感知物体运动的连续波调制模式。通过测量微波的多普勒效应测量其物体的速度及感知器其运动。此时，可选用包括窄波束天线的收发子模块，也可选用包括包括宽波束天线的收发子模块，波束范围决定了模块的探测范围。 [0036] 稍复杂的工作模式是测量距离以及感知物体的调频连续波调制模式。此时，收发器经天线发射的微波为调频连续波调制，通过测量发射波和返回波的频率差感知物体以及探测到物体的距离。此时，一般选用窄波束的收发子模块，这样方便于定位需要测量距离的物体。 [0037] 更为复杂的工作模式是测量物体所在角度的多通道复合的调频连续波调制模式。此时需要同时处理两个接收天线311和321的数据，通过其接收信号的幅度和相位差别判断物体的角度。此时，需要选用有两个接收天线的收发子模块。 [0038] 对图3所示的模块，其可在不同模式间切换，如可在连续波调制模式，调频连续波模式和多通道复合的调频连续波调制模式间切换，以执行测速，测距或测量角度的不同任务。其中，数据处理器能够执行下列功能：首先，经由通用数据接口获取外部设备关于工作模式的指令，其次，根据该工作模式的指令，设置调整数据处理器和收发器，使其工作于该工作模式。 [0039] 可替换收发子模块的通用雷达传感器模块可以给其应用带来很大的灵活性，能适应大部分应用场景的需要。 [0040] 另外，本发明可选使用数据处理器和收发器组装为一体的子模块，该子模块可与不同的天线相连接。然而，本发明仍然优选将收发器和天线组装成一体的收发子模块，这样的设计具有如下优点，首先，收发子模块和数据处理器的接口是低速数据接口，工艺简单，加工成本低，而数据处理器和收发器一体的子模块和天线的接口是高频接口，工艺复杂，加工成本高，其次，将天线和收发器组装成一体，在更换的时候除了可以选择天线之外，还可以选择不同的收发器，如可以根据实际情况选用，单通道发射器和单通道接收器的收发器，以及单通道发射器和双通道接收器的收发器。 [0041] 图4为本发明中的一具体实施例，一雷达传感器模块用于安保的运行流程示意图。 [0042] 雷达传感器模块可用于安保，尤其在室外安保方面，因为雷达传感器不受天气，光线条件影响，故其潜在用途非常广泛。但室外安保往往有时候只能用电池供电，故节能非常重要，可以延长传感器的使用时间。 [0043] 一般来说可以用来判断探测天线方向上是否有物体靠近的连续波模式来进行安保，如果有物体靠近就会报警，但如此误判的概率较大，如果需要提高准确率，需要使用测距雷达以及有可能同时使用其他传感器。但这样会增加电池的耗电。 [0044] 在本实施例中，安保雷达传感器大多数时间工作在探测天线方向上是否有物体靠近的低功耗的连续波模式，只有在可能遇到闯入者才会切换到调频连续波模式进行测距。 [0045] 其运行流程简述如下，首先，雷达传感器模块工作在连续波模式，持续探测在天线方向是否有物体靠近。在此探测过程中，可以允许有一定的时间间隔，如每隔零点五秒开启一次连续波模式。如果连续波模式下探测到了某相当大的物体在靠近，则通过数据接口，比如数据线，将此异常信号传送给外部设备，此外部设备可称为安保系统的中央控制。中央控制分析雷达信号，如判断信号可能是闯入者则向雷达传感器模块发送指令，指示传感器切换到调频连续波模式。当传感器发现目标与传感器的距离足够近，则说明可能是闯入者。则传感器将信号发送到中央控制。中央控制通过分析，也可以结合其他传感器的信息，判断是否有闯入者并决定是否报警。 [0046] 图5为本发明中的一具体实施例，可使用智能手机操控的雷达传感器模块运行流程示意图。 [0047] 该实施例的主要特点是智能手机操纵的雷达传感器模块。在实际应用中，也可用其他智能设备操纵代替手机操纵，只要其有和模块匹配的无线连接方式即可，如智能可穿戴设备等。手机控制的雷达传感器模块可实现多种多样的应用，如测量距离，测量车和球的运动速度等等。手机上预先装有相应的应用程序，可在其上选择模式与各项控制参数。随后，手机通过WiFi或其他无线连接方式与模块连接，连接成功后，手机将模式选择与控制参数通过无线连接方式发送至数据处理器。随后，数据处理器控制收发器，经收发器调制，放大，再经发射天线发送特定的微波信号。返回的微波信号被天线接收后，经收发器放大，解调，并将信号传送到数据处理器。数据处理器对信号进行初步处理之后，如进行快速傅立叶变换后，将信号通过无线连接方式传送到外部设备。手机中的应用程序对数据进行进一步处理，并告知使用者。这里的使用者可以是自然人，也可以是其他的应用程序。 [0048] 比如说在测量距离时，应用程序就切换到调频连续波模式，然后手机与模块连接，将调频连续波模式及各项控制参数发送到数据处理器。数据处理器控制收发器通过天线收发调频连续波信号。数据处理器对接收信号进行快速傅立叶变换，获得其频谱。再将频谱传送到手机中的应用程序。应用程序对频谱进行处理后，提取其特征值，即可获得雷达传感器到目标障碍物的距离。 [0049] 这种雷达传感器和传统的雷达传感器模块相比，有诸多优点。首先，智能手机中的应用程序用户界面友好，操纵便捷，其次，由于通过无线连接方式和外部设备相连接，可以更方便的融入各硬件平台如物联网和智能家居等。另外，模块中数据处理器中的软件相对固定，其算法更新通过应用程序的更新实现，这样算法的更新也更为方便。 [0050] 图6为本发明中的一具体实施例，一雷达传感器模块用于合成孔径雷达成像的运行流程示意图。 [0051] 合成孔径雷达只使用一组收发天线，通过移动天线构成一个虚拟的大合成孔径，对合成孔径内接收到的回波信号进行相干处理，得到方位向高分辨率的二维图像。由于运动补偿算法和成像算法复杂、计算量较大，暂时还无法在数据处理器上进行独立成像。在该实施例中，利用结构相对简单的雷达传感器模块，搭配计算性能强大的服务器以实现复杂的合成孔径成像雷达功能。 [0052] 这里的本实施例采用（但不局限于）线性调频机制。服务器上预先装有相应的应用程序，可在其上选择合成孔径雷达的控制参数，例如调频带宽，啁啾（chirp）长度，中频的采样频率等。随后，服务器通过WiFi与模块连接，连接成功后，服务器将控制参数通过WiFi发送至数据处理器。随后，数据处理器根据控制参数产生指定的啁啾信号，并经过收发器调制，放大，再经发射天线发送特定的微波信号。返回的微波信号被天线接收后，经收发器放大，解调至中频信号。之后数据处理器采样中频信号，并通过DMA（直接存储器访问）的形式将其通过WiFi串流到服务器。服务器中的应用程序实时处理串流信号，对其进行实行运动补偿算法与成像算法，最终实时地生成雷达扫描区域的二维图像，并告知使用者。这里的使用者可以是自然人，也可以是其他的应用程序。 [0053] 这种工作模式的主要优点在于，将运算量大的数据处理算法移到了服务器完成，而这些运算任务暂时还无法在模块上独立完成。此外，由于雷达传感器模块只负责串流原始信号，很容易在服务器端进行算法的调试与更新。 |
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