радиолокационное устройство для предотвращения столкновений автомобиля

Формула изобретения

Радиолокационное устройство для предотвращения столкновений автомобиля, содержащее последовательно включенные датчик состояния дороги, формирователь управляющего сигнала, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости, аттенюатор и передающую антенну, последовательно включенные генератор высокой частоты, фазовый манипулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, и усилитель мощности, выход которого соединен с вторым входом аттенюатора, последовательно включенные приемную антенну, первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, и первый усилитель промежуточной частоты, последовательно подключенные к выходу датчика скорости блок выработки сигнала предупреждения, второй вход которого соединен с выходом датчика состояния дороги, и регистратор, последовательно подключенные к первому выходу блока регулируемой задержки первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя мощности, фильтр нижних частот и измерительный прибор, последовательно подключенные к выходу первого перемножителя первый узкополосный фильтр, фазометр, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, блок выработки сигнала предупреждения, четвертый вход которого соединен с вторым выходом блока регулируемой задержки, и исполнительный блок, первый вход блока регулируемой задержки через экстремальный регулятор соединен с выходом фильтра нижних частот, отличающееся тем, что в него введены второй смеситель, второй усилитель промежуточной частоты, два фазовращателя на 90^o, второй перемножитель, второй узкополосный фильтр, амплитудный детектор, сумматор и ключ, причем к второму выходу гетеродина последовательно подключены первый фазовращатель на 90^o, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом приемной антенны, второй усилитель промежуточной частоты, второй фазовращатель на 90^o, сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом приемной антенны, второй узкополосный фильтр, амплитудный детектор и ключ, второй вход которого соединен с выходом сумматора, а выход подключен к второму входу блока регулируемой задержки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться в системах предотвращения столкновений транспортных средств, системах поддержания дистанции в транспортном потоке.

Известны радиолокационные устройства для предотвращения столкновений автомобилей (авт. св. СССР 457054, G 01 S 9/68, 1975; 794575, G 01 S 15/08, 1976; 915035, G 01 S 13/93, 1980; 926611, G 01 S 13/93, 1980; патент РФ 2169929, G 01 S 13/93, 2000; патенты США 3841427, G 01 S 13/93, 1976; 3898652, G 01 S 13/93, 1976 и др).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Радиолокационное устройство для предотвращения столкновений автомобиля" (патент РФ 2169929, G 01 S 13/93, 2000 г.), которое и выбрано в качестве базового объекта.

Данное устройство обеспечивает снижение суммарного уровня излучения датчиков при их массовом использовании, что уменьшает влияние сверхвысокочастотного поля на людей, уменьшает взаимное влияние датчиков друг на друга, что снижает вероятность ложных тревог, повышает точностные характеристики, а также уменьшает влияние излучения на другие сверхвысокочастотные устройства.

Однако в указанном устройстве одно и то же значение промежуточной частоты может быть получено в результате приема отраженного от впереди идущего транспортного средства сигнала на двух частотах _c и _з, т.е.:

_пр = _c-_г и _пр = _г-_з.

Следовательно, если частоту настройки _c принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота _з которого отличается от частоты _c на 2_пр и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты гетеродина _г (фиг.2). Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования к_пр, что и по основному каналу. Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость устройства.

Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии первой гармоники сигнала с гармониками гетеродина малого порядка (второй, третьей и т.д.), т.к. чувствительность устройства по этим каналам близка к чувствительности основного канала. Так, двум комбинационным каналам при определенных условиях соответствуют частоты:

_к1 = 2_г-_пр и _к2 = 2_г+_пр,

где 2_г - вторая гармоника частоты гетеродина.

Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационному каналам, приводит к снижению помехоустойчивости и точности измерения расстояния до впереди идущего транспортного средства.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и точности измерения расстояния до впереди идущего транспортного средства путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам.

Поставленная задача решается тем, что в радиолокационное устройство для предотвращения столкновений автомобиля, содержащее последовательно включенные датчик состояния дороги, формирователь управляющего сигнала, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости, аттенюатор и передающую антенну, последовательно включенные генератор высокой частоты, фазовый манипулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, и усилитель мощности, выход которого соединен с вторым входом аттенюатора, последовательно включенные приемную антенну, первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, и первый усилитель промежуточной частоты, последовательно подключенные к выходу датчика скорости блок выработки сигнала предупреждения, второй вход которого соединен с выходом датчика состояния дороги, и регистратор, последовательно подключенные к первому выходу блока регулируемой задержки первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя мощности, фильтр нижних частот и измерительный прибор, последовательно подключенные к выходу первого перемножителя первый узкополосный фильтр, фазометр, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, и исполнительный блок, первый вход блока регулируемой задержки через экстремальный регулятор соединен с выходом фильтра нижних частот, введены второй смеситель, второй усилитель промежуточной частоты, два фазовращателя на 90^o, второй перемножитель, второй узкополосный фильтр, амплитудный детектор, сумматор и ключ, причем к второму выходу гетеродина последовательно подключены первый фазовращатель на 90^o, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом приемной антенны, второй усилитель промежуточной частоты, второй фазовращатель на 90^o, сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом приемной антенны, второй узкополосный фильтр, амплитудный детектор и ключ, второй вход которого соединен с выходом сумматора, а выход подключен к второму входу блока регулируемой задержки.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Частотные диаграммы, поясняющие процесс образования дополнительных каналов приема, изображены на фиг. 2.

Устройство содержит передатчик 3, приемник 7 и коррелятор 18.

К выходу генератора 12 высокой частоты последовательно подключены фазовый манипулятор 13, второй вход которого соединен с выходом генератора 11 модулирующего кода, усилитель 14 мощности, аттенюатор 2 и передающая антенна 1. К выходу датчика 6 состояния дороги подключен формирователь 4 управляющего сигнала, второй вход которого соединен с выходом датчика 5 скорости, а выход подключен к второму входу аттенюатора 2. К выходу приемной антенны 8 последовательно подключены первый смеситель 16, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 15, первый усилитель промежуточной частоты 17, сумматор 31, второй перемножитель 32, второй вход которого соединен с выходом приемной антенны 8, второй узкополосный фильтр 33, амплитудный детектор 34, ключ 35, второй вход которого соединен с выходом сумматора 31, блок 19 регулируемой задержки, первый перемножитель 20, второй вход которого соединен с выходом усилителя 14 мощности, первый узкополосный фильтр 24, фазометр 25, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 15, блок 9 выработки сигнала предупреждения, второй вход которого соединен с выходом датчика 5 скорости, а третий вход соединен с выходом датчика 6 состояния дороги, и регистратор 10. К второму выходу гетеродина 15 последовательно подключены первый фазовращатель 27 на 90^o, второй смеситель 28, второй вход которого соединен с выходом приемной антенны 8, второй усилитель 29 промежуточной частоты и второй фазовращатель 30 на 90^o, выход которого соединен со вторым входом сумматора 31. К выходу первого перемножителя 20 последовательно подключены фильтр 21 нижних частот, экстремальный регулятор 22 и блок 19 регулируемой задержки, второй выход которого подключен к четвертому входу блока 9 выработки сигнала предупреждения. К выходу фильтра 21 нижних частот подключен измерительный прибор 23. К второму выходу блока 9 выработки сигнала предупреждения подключен исполнительный блок 26. При этом генератор 11 модулирующего кода, генератор 12 высокой частоты, фазовый манипулятор 13 и усилитель 14 мощности образуют передатчик 3. Гетеродин 15, смесители 16 и 28, фазовращатели 27, 30, усилители 17, 29 промежуточной частоты, сумматор 31, перемножитель 32, узкополосный фильтр 33, амплитудный детектор 34 и ключ 35 образуют универсальный преобразователь частоты. Блок 19 регулируемой задержки, перемножитель 20 и фильтр 21 нижних частот образуют коррелятор 18.

Устройство работает следующим образом:

Датчик 5 определяет собственную скорость движения транспортного средства и вырабатывает сигнал, пропорциональный измеренной скорости. Датчик 6 измеряет коэффициент сцепления , зависящий от состояния дороги. Формирователь 4 вырабатывает напряжение

U = f(V, ),

где V - скорость движения транспортного средства.

Таким образом, чтобы излучаемая мощность в зависимости от скорости движения и коэффициента сцепления изменялась пропорционально V⁴/². Напряжение воздействует на управляемый аттенюатор 2, представляющий собой "pin" - диод, установленный в волноводе и изменяющий в зависимости от V свою проводимость, т.е. пропускаемую мощность.

Напряжение высокой частоты

U₁(t) = V₁cos(_ct+_c); 0tT_c

с выхода генератора 12 поступает на первый вход манипулятора 13, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода генератора 11. На выходе фазового манипулятора 13 образуется фазоманипулированный (Ф_мн)-сигнал

U₂(t) = V₂cos(_ct+_к(t)+_c); 0tT_с,

где _к(t) = {0, } - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем _к(t) = const при k_э<t<(k+1)_э и может изменяться скачком при t = k_э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1,2,...,N-1);

_эN - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью

T_c(T_c = N_э),

который поступает на вход усилителя 14 мощности. На выходе последнего образуется Ф_мн-сигнал

U_c(t) = V_ccos(_ct+_к(t)+_c); 0tT_c,

который, пройдя аттенюатор 2, излучается передающей антенной 1 в направлении впереди идущего транспортного средства.

Отраженный от впереди идущего транспортного средства Ф_мн-сигнал

U₀(t) = V₀cos((t-₀)+_к(t-₀)+₀); 0tT_с,

где ₀ = 2R/C - задержка отраженного сигнала;

R - расстояние между собственным и впереди идущим транспортными средствами;

С - скорость распространения света,

поступает с выхода приемной антенны 8 на первые входы смесителей 16 и 28, на вторые входы которых подаются напряжения гетеродина 15:

U_г1(t) = V_гcos(_гt+_г);

U_г2(t) = V_гcos(_гt+_г+90).

На выходах смесителей 16 и 28 образуются напряжения комбинированных частот. Усилителями 17 и 29 выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты:

U_пр1(t) = V_прcos[_пр(t-₀)+_к(t-₀)+_пр]

U_пр2(t) = V_прcos[_пр(t-₀)+_к(t-₀)+_пр-90], 0tТ_с,

где U_пр=1/2k₁V₀V_г;

k₁ - коэффициент передачи смесителей;

_пр = _c-_г - промежуточная частота;

_пр = ₀-_г.

Напряжение U_пp1(t) поступает на первый вход сумматора 31. Напряжение U_пp2(t) поступает на вход фазовращателя 30 на 90^o, на выходе которого образуется следующее напряжение



Это напряжение подается на второй вход сумматора 31, на выходе которого образуется суммарное напряжение

U₁(t) = V₁cos[_пр(t-₀)+_к(t-₀)+_пр], 0tТ_с,

где V₁ = 2V_пр.

Данное напряжение подается на второй вход перемножителя 32, на первый вход которого поступает отраженный от впереди идущего транспортного средства Ф_мн-сигнал U₀(t). На выходе перемножителя образуется гармоническое напряжение

U₃(t) = V₃cos(_гt+_г), 0tТ_с,

где U₃ = 1/2k₂V₀V₁;

k₂ - коэффициент передачи перемножителя.

Так как частота настройки _{н =} узкокополосного фильтра 33 выбирается равной частоте гетеродина _г(_н = _г), негармоническое напряжение U₃(t) выделяется узкополосным фильтром 33, детектируемая амплитудным детектором 34, и поступает на управляющий вход ключа 35, открывая его. В исходном состоянии ключ 35 всегда закрыт.

Напряжение U₁(t) с выхода сумматора 31 через открытый ключ 35 поступает на первый вход блока 19 регулируемой задержки, который вместе с перемножителем 20, на второй вход которого поступает Ф_мн-сигнал U_c(t) с выхода усилителя 14 мощности, и фильтром 21 нижних частот образуют коррелятор 18. Получаемая на выходе коррелятора 18 корреляционная функция R() имеет максимум при значении введенного регулируемого запаздывания ₀. Корреляционная функция R(₀) регистрируется измерительным прибором 23. Максимальное значение R(₀) поддерживается с помощью экстремального регулятора 22, воздействующего на блок 19 регулируемой задержки. При компенсации временной задержки ₀ с помощью блока 19 регулируемой задержки на первый вход перемножителя поступает Ф_мн-сигнал промежуточной частоты.

U₂(t) = V₁cos[_прt+_к(t)+_пр], 0tТ_с.

На выходе перемножителя 20 образуется гармоническое напряжение

U₄(t) = V₄cos[_гt+_г(t)+], 0tТ_с,

где U₄ = 1/2k₂V_cV₁;

= _c-₀ = _c2R/C,

которое выделяется узкополосным фильтром 24, настроенным на частоту гетеродина и поступает на первый вход фазометра 25, на второй вход которого подается напряжение U_г(t) гетеродина 15. Фазометр 25 измеряет фазовый сдвиг , по которому точно определяется расстояние R_т до впереди идущего транспортного средства. Так формируется фазовая шкала измерения, которая является точной, но неоднозначной. Измененный фазовый сдвиг поступает в блок 9 выработки сигнала предупреждения.

Временной сдвиг ₀ определяется по шкале блока 19 регулируемой задержки, с второго выхода которого он также поступает в блок 9 выработки сигнала предупреждения. Так формируется временная шкала измерений дальности R_гp до впереди идущего транспортного средства, которая является грубой, но однозначной. Таким образом, точно и однозначно измеряется дистанция до впереди идущего транспортного средства.

Следует отметить, что фазовая шкала, позволяющая измерить расстояние до впереди идущего транспортного средства с высокой точностью, является неоднозначной, т.е. фазометр 25 измеряет разность фаз только по модулю 2:

= k+,

где k - целое число периодов полной разности фаз (в фазовых циклах);

- разность фаз, измеряемая фазовой шкалой (измеряется в долях разового цикла, 0).

Для определения целого числа периодов полной разности фаз k используется временная шкала измерений. Условие согласования фазовой и временной шкал состоит в том, чтобы удвоенная максимальная ошибка измерения расстояния R_гp по грубой (временной) шкале была меньше, чем интервал однозначного измерения R_т по точной (фазовой) шкале.

2_Rгр<R<sub>одн

Rгр</sub> = (C/R_гр):² = (_э/2q²_вх)(F/f_c),

где q_вх ² - отношение сигнал/шум по мощности на входе приемника;

F - ширина выходной полосы системы измерения временного запаздывания отраженного Ф_мн-сигнала по отношению к зондирующему;

f_c - ширина полосы частот линейной системы, согласованной со спектром используемого Ф_мн-сигнала.

Учитывая, что _э = 1/f_c, можно условие согласования фазовой и временной шкал заменить в виде



где m - некоторый коэффициент, связанный с Р_над следующим соотношением: m = Ф^-1(Р_над);

Ф^-1( ) - обратная функция интеграла вероятности;

Р_над - вероятность надежности согласования шкал (например, при Р_над= 0,9973 m=3).

Из приведенного выражения следует, что надежность согласования измерительных шкал не зависит от расстояния R между транспортными средствами, а определяется характеристиками сложного Ф_мн-сигнала и его энергетикой, а также выходной полосой частот временной шкалы измерения.

При этом, если R>R₀, где R₀ - безопасная дистанция, то в регистраторе 10 фиксируется сигнал о наличии резерва безопасной дистанции. Если R<R, то регистратор 10 выдает сигнал тревоги, например звуковой или световой, а исполнительный блок 26, например тормозная система автомобиля, автоматически замедляет движение собственного транспортного средства с интенсивностью, пропорциональной величине дефицита безопасной дистанции, в результате которого дистанция до впереди идущего транспорта увеличивается до безопасной.

Описанная выше работа устройства соответствует случаю приема отраженного полезного Ф_мн-сигнала от впереди идущего транспортного средства по основному каналу на частоте _c (фиг.2).

Если ложный сигнал (помеха) принимается по зеркальному каналу на частоте _з:

U_з(t) = V_зcos[_зt+_з], 0tT_с,

то усилителями 17 и 29 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

U_пр4(t) = V_пр4cos[_прt+_пр4],

U_пр5(t) = V_пр4cos[_прt+_пр4+90], 0tT₃,

где V_пр4=1/2k₁V₃V_г1;

_пр = _г-_з - промежуточная частота.

Напряжение U_пp4(t) с выхода усилителя 29 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 30 на 90^o, на выходе которого образуется напряжение:

0tT₃.

Напряжения U_пp4(t) и U_пp6(t), поступающие на два входа сумматора 31, на его выходе компенсируются.

Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по зеркальному каналу на частоте _з, подавляется.

По аналогичной причине подавляется и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому комбинационному каналу на частоте _к1.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по второму комбинационному каналу на частоте _к2

U_к2(t) = V_к2cos[_к2t+_к2], 0tT_к2,

то усилителями 17 и 29 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

U_пр7(t) = V_пр7cos[_прt+_пр7],

U_пр8(t) = V_пр7cos[_прt+_пр7-90], 0tT_к2,

где V_пр7=1/2k₁V_к2V_г3;

_пр = _к2-2_г;

_пр7 = _к2-_г.

Напряжение U_пp8(t) с выхода усилителя 29 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 30 на 90^o, на входе которого образуется напряжение

0tT_к2.

Напряжения U_пp7(t) и U_пp9(t) поступают на два входа сумматора 31, на выходе которого образуется напряжение

U₃(t) = V₃cos[_прt+_пр7], 0tT_к2,

где V₃ = 2V_пр7.

Данное напряжение перемножается в перемножителе 32 с принимаемым ложным сигналом (помехой) U_к2(t).

В результате перемножения образуется гармоническое напряжение

U₅(t) = V₅cos[2_гt+_г], 0tT_к2,

где V₅ = 1/2k₂V_к2V₃,

которое не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 33, ключ 35 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму комбинационному каналу на частоте _к2, подавляется.

Таким образом, для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и первому комбинационному каналу, используется фазокомпенсационный метод.

Для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по второму комбинационному каналу на частоте _к2, используется метод узкополосной фильтрации.

Данное устройство обеспечивает снижение суммарного уровня излучения датчиков при их массовом использовании, что уменьшает влияние сверхвысокочастотного поля на людей, уменьшает взаимное влияние датчиков друг на друга, что снижает вероятность ложных тревог, повышает точностные характеристики, а также уменьшает влияние излучения на другие сверхвысокочастотные устройства.

Использование данного устройства позволяет исключить основную причину дорожно-транспортных проишествий, связанных с несоблюдением дистанции. За счет точного измерения расстояния до впереди идущего транспортного средства создаются резервы увеличения плотности транспортных потоков на дорогах; тем самым увеличивается их пропускная способность. Устройство своевременно информирует водителя о скорости автомобиля, состоянии дороги и о дистанции до впереди идущего транспортного средства, а также позволяет упростить процесс управления автомобилем в напряженной обстановке оживленной транспортной магистрали, благодаря освобождению водителя от функции оценки и сохранения безопасной дистанции до впереди идущего транспортного средства.

Причем измерение фазового сдвига осуществляется на фиксированной частоте _г гетеродина. Поэтому нестабильность несущей частоты отраженного Ф_мн-сигнала, обусловленная различными дестабилизирующими факторами, не оказывает влияния на результаты измерений. Кроме того, указанное устройство позволяет реализовать преимущества, присущие сложным Ф_мн-сигналам, в том числе повысить чувствительность при низком отошении сигнал/шум. Это достигается сверткой спектра сложного Ф_мн-сигнала, который преобразуется в узкополосное гармоническое напряжение, что позволяет выделить его с помощью узкополосного фильтра, отфильтровав при этом значительную часть шумов и помех, т. е. повысить реальную чувствительность устройства при низком отношении сигнал/шум.

Сложные сигналы обладают также энергетической и структурной скрытностью и позволяют осуществить структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность выделить эти сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени с другими сигналами и помехами.

Предлагаемое устройство по сравнению с базовым объектом обеспечивает повышение помехоустойчивости и точности измерения расстояния до впереди идущего транспортного средства. Это достигается путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным (зеркальному и комбинационным) каналам.