一种车载超声相控阵雷达及雷达探测系统

1.本技术涉及车载雷达技术领域，尤其涉及一种车载超声相控阵雷达及雷达探测系统。


背景技术：

2.超声波是波长大于20khz的高频机械纵波，其具有频率高、波长短、能量大且集中、穿透性强、衍射弱和定向传播性好的特点。超声雷达是超声波的主要应用之一，其原理是超声波雷达传感器发射超声波，若在一定的范围内碰到障碍物，就会产生一定的反射波回到超声波雷达传感器。超声波雷达是目前技术较为成熟的雷达传感器之一，长久以来被作为倒车雷达应用在各种车型上。
3.现有的超声雷达可以实现位置检测和车辆定位等功能，具有对雨、雪、雾霾天气不敏感、成本较低和技术原理简单等优势。但是现有的超声雷达难以实现对较远范围内目标的监测。目前市场上的倒车雷达监测距离一般为0.1～3m，其探测范围十分有限。另外，目前投入使用的超声辅助泊车系统，其探测方向一般为车辆侧向，尤其是驾驶室右方，监测范围较窄。


技术实现要素：

4.本技术的实施例提供一种车载超声相控阵雷达及雷达探测系统，利用超声相控阵原理，实现对车用超声雷达探测距离的增加和角度的拓宽，使得车载超声雷达的探测性能更好。
5.为达到上述目的，一方面，本技术的实施例提供了一种车载超声相控阵雷达，包括外壳以及设置在所述外壳内的超声收发模块、功率放大器、雷达主体、温度传感器和数据处理模块；所述超声收发模块能够发出激励信号，并接收探测物体反射的回波信号；所述功率放大器的输入端连接所述超声收发模块的发射端；所述雷达主体包括多个超声波传感器阵元；多个所述超声波传感器阵元的输入端均连接所述功率放大器的输出端；所述超声波传感器阵元能够对所述超声收发模块发出的激励信号进行相位调整并产生不同相位的超声波；所述温度传感器的两端分别连接所述超声收发模块的接收端和所述数据处理模块的输入端；所述数据处理模块能够解算回波信号中的相位信息，得到目标回波中所探测物体的距离、角度和速度信息。
6.进一步地，所述超声波传感器阵元包括中心阵元、六组内层阵元和六组外层阵元；六组所述内层阵元环和六组所述外层阵元均沿周向均布在所述中心阵元的外侧。
7.进一步地，所述中心阵元和六组所述内层阵元的数量均为一个；六组所述外层阵元的数量均为两个。
8.进一步地，所述雷达主体还包括圆筒状外壳以及分别设置在所述圆筒状外壳前后两端的金属固定板；所述金属固定板上开设与所述超声波传感器阵元的外形相适配的安装孔，所述超声波传感器阵元的两端固定在所述安装孔内。
9.进一步地，位于前端的金属固定板的前表面上涂覆吸波涂料，所述吸波涂料能够吸收和衰减反射到所述金属固定板的前表面的超声波。进一步地，所述超声波传感器阵元包括圆筒状阵元外壳以及设置在所述圆筒状外壳内且依次连接的移相器、压电晶片振子和共振板；所述移相器的输入端与所述功率放大器的输出端连接；所述移相器的输出端通过电极端子与所述压电晶片振子连接；所述移相器能够对所述超声收发模块发出的激励信号进行延时，得到不同相位的激励信号；所述压电晶片振子和共振板能够根据不同相位的激励信号产生不同相位的超声波束。
10.进一步地，所述圆筒状外壳上设有穿线孔，所述穿线孔靠近所述圆筒状外壳的后端设置。
11.进一步地，所述圆筒状外壳焊接在所述车辆内或通过支架固连在所述车辆上。
12.另一方面，本技术的实施例还提供了一种雷达探测系统，包括汽车电子控制单元、车辆自诊断系统、车载显示屏、蜂鸣器和多个车载超声相控阵雷达；所述车载超声相控阵雷达为上述任一所述的车载超声相控阵雷达；所述车载超声相控阵雷达、所述汽车电子控制单元、所述车辆自诊断系统、所述车载显示屏和所述蜂鸣器均通过can总线连接；所述汽车电子控制单元分别与所述车载显示屏和所述蜂鸣器连接；所述车辆自诊断系统能够获取多个所述车载超声相控阵雷达探测到的物体的距离、角度和速度信息，并判断信息是否满足预设条件；所述预设条件为探测物体的距离、角度或速度是否大于预设值；若是，则所述车辆自诊断系统发送故障状态信息至所述汽车电子控制单元；所述汽车电子控制单元驱动防抱死制动系统安全制动，并控制所述车载显示屏显示警示信息，控制所述蜂鸣器播放警示音。若否，则所述车辆自诊断系统发送正常状态信息至所述汽车电子控制单元；所述汽车电子控制单元将多个所述车载超声相控阵雷达探测到的物体的距离、角度和速度信息进行整合并控制所述车载显示屏进行显示。
13.进一步地，所述车辆为乘用车；所述车载超声相控阵雷达的数量为四个；还包括两个超声波传感器阵元；四个所述车载超声相控阵雷达分别设置在乘用车的前保险杠中部、后保险杠中部、左侧车门中间底部和右侧车门中间底部位置；两个所述超声波传感器阵元分别设置在车顶与两侧a柱交汇处；或，所述车辆为卡车；所述车载超声相控阵雷达为八个；还包括十个超声波传感器阵元；其中两个所述车载超声相控阵雷达分别设置在卡车的前保险杠两侧；四个所述车载超声相控阵雷达分别设置在货厢顶部四角位置；两个所述车载超声相控阵雷达设置于车架下方油箱的左右两侧；其中四个所述超声波传感器阵元等距设置于前挡风玻璃上方位置；另外六个所述超声波传感器阵元分两组对称设置于后保险杠左右两侧。
14.本技术相比现有技术具有以下有益效果：
15.1、本技术实施例车载超声相控阵雷达将超声波传感器阵元按照平面圆形阵列排布，与超声收发模块输出的简谐激励相配合发出超声波并接收回波信号，形成超声相控阵，实现了在驾驶情况下对雷达宽广角、中长距离范围内障碍物角度、距离和速度的测量，使得车载超声雷达的探测性能更好。
16.2、本技术实施例只采用超声传感器即可实现初步环境感知，相比现有技术通过多个传感器融合达成环境感知，本技术实施例的结构更加简单，成本也更低。
17.3、本技术实施例首次将一直应用于医疗、精密检测领域的超声相控阵技术应用于
车载超声雷达，使得车载超声雷达的探测性能更好。
18.4、本技术实施例雷达探测系统将车载超声相控阵雷达、车辆电子控制模块和车辆自诊断系统通过can通讯总线连接，在增加了探测距离和拓宽了探测角度的前提下，还可以将雷达探测的空间信息传递到车辆系统并进行处理，实现探测障碍物数据、危险情况警示及制动、数据可视化、初步环境重建等功能。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本技术实施例车载超声相控阵雷达的结构示意图；
21.图2为本技术实施例车载超声相控阵雷达中雷达主体的立体结构示意图；
22.图3为本技术实施例车载超声相控阵雷达中超声波传感器阵元的结构示意图；
23.图4为本技术实施例车载超声相控阵雷达的相位控制原理图；
24.图5为本技术实施例车载超声相控阵雷达的信息解算原理示意图；
25.图6为本技术实施例雷达探测系统的结构示意图；
26.图7为本技术一个实施例雷达探测系统的工作原理图；
27.图8为本技术一个实施例雷达探测系统的数据传输结构框图；
28.图9为本技术一个实施例雷达探测系统的工作流程图；
29.图10为本技术一个实施例雷达探测系统的实际应用场景示意图1；
30.图11为本技术一个实施例雷达探测系统的实际应用场景示意图2；
31.图12为本技术另一个实施例雷达探测系统的实际应用场景示意图1；
32.图13为本技术另一个实施例雷达探测系统的实际应用场景示意图2；
33.图14为假设的驾驶场景示意图；
34.图15为本技术实施例雷达探测系统的实际显示效果图。
具体实施方式
35.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
36.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
37.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
38.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
39.参照图1，本技术的实施例提供了一种车载超声相控阵雷达10，包括外壳(图中未示)以及设置在所述外壳内且通过线缆依次连接的的超声收发模块1、功率放大器2、雷达主体3、温度传感器4和数据处理模块5。
40.超声收发模块1能够发出激励信号，并接收探测物体反射的回波信号。超声收发模块1的发射端连接功率放大器2的输入端。功率放大器2能够将超声收发模块1发出的激励信号放大，提供更大的信号输出。
41.参照图2，雷达主体3包括圆筒状外壳33、分别连接在圆筒状外壳33前后两端的金属固定板32和设置在圆筒状外壳33内的多个超声波传感器阵元31。超声波传感器阵元31包括中心阵元、六组内层阵元和六组外层阵元。六组内层阵元环和六组外层阵元均沿周向均布在中心阵元的外侧。即，各超声波传感器阵元31形成以中心阵元为核心，呈三层环形60
°
旋转对称排布的形式。具体的，中心阵元和六组内层阵元的数量均为一个，分别记为31a和31b。六组外层阵元的数量均为两个，记为31c。位于后端的金属固定板32上开设与超声波传感器阵元31的外形相适配的安装孔，超声波传感器阵元31的两端固定在安装孔内。圆筒状外壳33上设有穿线孔(图中未示)，穿线孔靠近圆筒状外壳的后端设置。圆筒状外壳33可以焊接在车辆上或通过支架固连在车辆上。由此，雷达主体3的结构较为稳定。
42.为了减少金属固定板32对阵元所接收回波的影响，位于前端的金属固定板32暴露在外侧的部分可以施加一层吸波涂料，吸收和衰减反射到该部分的超声波，减少这部分波对阵元所接收回波的影响。
43.超声相控阵雷达的应用形式分为内嵌式和外置式两种。内嵌式雷达通过焊接方式固定于安装位置，通过线束实现超声相控阵雷达传感器与控制器之间的通信。外置式雷达通过无线蓝牙收发模块实现超声相控阵雷达传感器与控制器之间的通信，外置式雷达安装在工作位置时需要加装支架。
44.参照图3和图4，超声波传感器阵元31包括圆筒状阵元外壳311以及设置在圆筒状外壳33内且依次连接的移相器312、电极端子313、压电晶片振子314和共振板315。移相器312的输入端与功率放大器2的输出端连接。移相器312能够根据超声收发模块1输出给各个超声波传感器阵元31的激励信号执行相应的延时策略，对超声收发模块1发出的激励信号进行延时，激励信号为调频信号。利用压电晶片振子314和共振板315工作的压电效应，产生不同相位的超声波束。
45.参照图5，超声收发模块1的接收端连接温度传感器4的第一端，温度传感器4的第二端连接数据处理模块5的输入端。温度传感器4能够采集车载超声相控阵雷达10的温度并传输给数据处理模块5，使数据处理模块5能够消除温度对超声速度的影响，从而使检测更准确。
46.数据处理模块5能够解算回波信号中的相位信息，得到目标回波中所探测物体(障碍物)的距离、角度和速度信息。
47.需要说明的是，若不需要雷达系统的场景重建功能，仅需要获取更广阔角度信息
以及辅助探测，可以将超声波传感器阵元31去除移相器311，搭配超声收发模块1、温度传感器4和数据处理器5，内嵌于工作位置并通过线束实现雷达传感器与控制器之间的通信。
48.参照图3和图4，车载超声相控阵雷达10的工作原理为：
49.超声收发模块1输出激励信号，功率放大器2将激励信号放大后，传递到各个超声波传感器阵元31中的移相器312中，移相器312执行相应的延时策略，利用共振板315和压电晶片314工作的压电效应，发出不同相位的超声波束。超声波一般呈球面状传播，能量相对分散，利用相控阵原理能让信号、能量沿一个方向集中传播，延长传播距离。利用超声波束的相位差能使超声波束产生较为理想的波前(等相面)，引导超声波的方向，实现宽角度范围的探测。不同超声波传感器阵元31的超声收发模块1接收到被测物体的回波信息含有相位差和波程差，利用相位差、波程差、元件距离三者之间的联系即可完成对被测物体的距离、角度和速度的探测。
50.具体的，工作时，超声收发模块1向各个超声波传感器阵元31输出激励信号，每个阵元中的移相器312采取不同的延时法则，使激励信号通过压电元件后发出的简谐超声波形成相位差。利用波的相位差既可以使信号沿目标方向集中传播，延长传播距离；也可以利用波的叠加原理，改变波的传播方向，拓展雷达的测量角度范围。超声收发模块1将不同阵元接受的反射回波传递给数据处理模块5，数据处理模块5根据不同阵元之间的距离差、接收回波的相位差、温度传感器4补偿的速度数据，解算出所探测障碍物的距离、方向角、速度信息。
51.另一方面，参照图6至图8，本技术的实施例还提供了一种雷达探测系统，包括汽车电子控制单元20、车辆自诊断系统30、车载显示屏40、蜂鸣器50和多个车载超声相控阵雷达10。车载超声相控阵雷达10为上述的车载超声相控阵雷达。车载超声相控阵雷达10、汽车电子控制单元20和车辆自诊断系统30之间利用can通讯总线传递数据，实现数据的串行传输。具体的，雷达探测系统由一条高速can通讯总线和一条低速can通讯总线构成。每条can通讯总线各有一条can-h线和一条can-l线，二者利用双绞线相连通。在低速can通讯总线上布置有多组雷达模块和车载显示系统模块，如四组。雷达模块由雷达数据收发器和数据处理模块5组成，车载显示系统模块由显示器信息收发器和显示器mcu组成。显示器mcu输出信息给车载显示屏40。在高速can通讯总线上布置有汽车电子控制单元20和车辆防抱死制动模块，防抱死制动模块由abs信号收发器和abs系统控制器mcu组成。特殊的，故障自诊断系统30同时与高、低速can通讯总线相连接，实现故障数据传输功能。
52.汽车电子控制单元20分别与车载显示屏40和蜂鸣器50连接，车辆自诊断系统30能够获取多个车载超声相控阵雷达10探测到的物体的距离、角度和速度信息，并判断信息是否满足预设条件；若是，则车辆自诊断系统30发送正常状态信息至汽车电子控制单元20；汽车电子控制单元20将多个车载超声相控阵雷达10探测到的物体的距离、角度和速度信息进行整合并控制车载显示屏40进行显示；若否，则车辆自诊断系统30发送故障状态信息至汽车电子控制单元20；汽车电子控制单元20驱动防抱死制动系统安全制动，并控制车载显示屏40显示警示信息，控制蜂鸣器50播放警示音。can通讯总线的端部需要加装120欧姆终端电阻60，以减弱在通信电缆中的信号反射。
53.参照图9，雷达探测系统的工作流程如下：
54.车载超声相控阵雷达10接收探测回波，去除温度变量后得到真实的探测数据，探
测数据包括探测物体的距离、角度和速度信息；然后车辆自诊断系统30判断是否有障碍物到车辆的距离大于预设值，若是，则控制车载显示屏40显示警示信息，控制蜂鸣器50播放警示音，并激活防抱死制动系统、再次采集数据；若否，则判断障碍物相对于车辆的仰角是否大于预设值，若是，则屏蔽当次数据并再次采集数据；若否，则判断障碍物的速度是否大于预设值，若是，则向驾驶员提供警示、激活防抱死制动系统、再次采集数据；若否，则将多个车载超声相控阵雷达10探测到的信息进行整合，并在车载显示屏40上显示，然后再次采集数据。
55.由于乘用车和卡车的外形和大小差距较大，因此，车载超声相控阵雷达10在两种车辆上的布置方式也不同，以下以车辆为乘用车和卡车为例，分别进行说明。
56.参照图10和图11，当车辆为乘用车100时，由于在小型客车驾驶时，四周车辆、障碍物、行人的信息对驾驶人员来说有巨大意义。为了尽量不影响小型客车的外形以及通过性，又能尽量获取周围环境信息。车载超声相控阵雷达10的数量为五个，另外再设置两个超声波传感器阵元31。其中四个车载超声相控阵雷达10分别设置在乘用车100的前保险杠中部、后保险杠中部、左侧车门中间底部和右侧车门中间底部位置。另外一个车载超声相控阵雷达10设置在乘用车100的挡风玻璃上方车顶中间位置。两个超声波传感器阵元31分别设置在车顶与两侧a柱交汇处。前四个车载超声相控阵雷达10通过焊接工艺分别内嵌于前保险杠中部、后保险杠中部、左侧车门中间底部和右侧车门中间底部位置。另外一个设置在乘用车100的挡风玻璃上方车顶中间位置的车载超声相控阵雷达10通过支架固连在车辆的工作位置。
57.由此，车载超声相控阵雷达10可以感知乘用车100的周围信息，实现场景重建功能。其中通过支架固连在挡风玻璃上方车顶中间的车载超声相控阵雷达10还兼有高位预警作用。超声波传感器阵元31起到拓展探测角度和辅助探测的作用。
58.参照图12和图13，当车辆为卡车200时，在中大型车辆驾驶时，由于货厢很高，不仅要收集周围车辆或者障碍物的信息，还要注意限高，防止高位撞击。因此，车载超声相控阵雷达10的数量为八个，另外再设置十个超声波传感器阵元31。为了便于描述车载超声相控阵雷达10分别记为10a、10b、10c、10d、
……
、10h。其中两个车载超声相控阵雷达(10a、10b)分别设置在卡车200的前保险杠两侧。四个车载超声相控阵雷达(10c、10d、10e、10f)分别设置在货厢顶部四角位置。两个车载超声相控阵雷达(10g、10h)设置于车架下方油箱的左右两侧。其中，车载超声相控阵雷达(10a、10b)通过焊接工艺内嵌于卡车200的前保险杠两侧。其余车载超声相控阵雷达(10c、10d、10e、10f、10g、10h)均通过支架固连在货厢顶部四角或车架下方油箱的左右两侧。
59.其中四个超声波传感器阵元31等距设置于前挡风玻璃上方位置。另外六个超声波传感器阵元31分两组对称布置于后保险杠左右两个。
60.由此，车载超声相控阵雷达10可以感知车辆周围信息，实现场景重建功能。其中车顶四角位置的车载超声相控阵雷达(10c、10d、10e、10f)还兼有高位预警作用。前方的超声波传感器阵元31起到拓展探测角度和辅助探测的作用，后方的超声波传感器阵元31起到常规超声雷达防止碰撞的作用。
61.参照图14和图15，假设了一种驾驶场景以模拟正常行车时的道路状况以及雷达显示状况。参照图14，驾驶员所乘坐车辆的左前方、右前方、左后方、右后方分别有其他车辆、
行人、高空飞鸟、路障。在雷达探测系统正常运作情况下，会根据图9的判断流程，将所有车载超声相控阵雷达10的信息进行整合并在车载显示屏40上显示所测得的障碍物信息，如图15所示。实现类似于雷达p型显示器的效果，为驾驶员提供更直观的环境信息。
62.以上，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何在本技术揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。