微波雷达系统介绍

微波雷达系统介绍（精选3篇）

微波雷达系统介绍 篇1

摘要：首先介绍了雷达的基本工作原理，对雷达的基本参数进行了简单的说明，而后对雷达中用到的微波器件做了说明，主要介绍了两种雷达结构，最后对雷达系统进行了简单总结。

关键词：雷达；微波 0前言

20世纪40年代，电磁波被用于发现目标和测量目标的距离，称之为“无线电探测和测距”（radio detecting and ranging），取这几个英文字母便构成radar（雷达）一词。按照IEEE的标准定义[1]，雷达是通过发射电磁波信号，接收来自其威力覆盖范围内目标的回波，并从回波信号中提取位置和其他信息，以用于探测、定位，以及有时进行目标识别的电磁波系统。由于微波具有频带宽、穿透电离层能较强、似光性等优点，雷达就是利用了微波这些特性的典型代表。

1雷达的基本工作原理[2][4]

雷达的基本工作原理是，发射机通过天线向空间定向发送探测信号，信号被远距离的目标部分反射后，由天线接收并传送到接收机接收检测和信号处理，观测人员可以在接收机输出端显示屏上观测有无目标以及目标的性质和距离。如果发射和接收共用一副天线，叫做单站雷达；如果收、发系统各有自己的天线，则叫做双站雷达，分别如图1和图2所示。

GRPt双工器目标

图1单站雷达图

GtPt接收机/处理机GrR目标

图2双站雷达图

以单站雷达为例。发射功率Pt，发射天线增益G，传输距离R，则目标处的功率密度为

S1PGt（W/m2）24R目标将在各个方向散射入射功率，在某个给定方向上的散射功率与入射功率密度之比定义为目标的雷达截面，表征目标的电磁散射特性，即

Ps（m2）S1因此雷达截面具有面积的量纲，是目标本身的特性，它还依赖于入射角、反射角和入射波的偏振态。若把散射场看作二次源，二次辐射的功率密度为

S2PG2t（W/m）22(4R)PRM2Gt由天线的有效面积定义式Aeff，PRM最大接收功率。可得，接收功率为 Si422PGttPr(4)3R4

这就是雷达方程,接收功率单位W。接收功率按1/R减小，这意味着为了检测远距离目标，需要高功率发射机和高灵敏度接收机。

由于天线接收噪声和接收机噪声，存在接收机能够识别的最小监测功率。若这一功率是Pmin，则得到最大可探测距离为

Rmax22PGtt（m）3(4)Pmin1/44信号处理技术能够有效降低最小可检测信号，从而增加了可测量距离。

2雷达的基本参数[3]

2.1分辨率

分辨率可严格定义为分辨具有不同对比度的相隔一定距离的相邻目标的能力。一般习惯使用一个不太精确的定义，既对微波系统来说，分辨率通常是指测量系统响应的半功率宽度。2.2角度分辨

毫米波雷达及辐射计通常都采用窄波束天线来提高角度分辨率。角度分辨一般采用半功率点的波束宽度来表示。其半功率点的波束宽度可表示为

hKh

DKh—取决于天线类型和加权函数的系数；—波长；D—天线口径。

2.3距离分辨

大多数雷达都采用距离分辨概念。距离的分辨率由测量信号从雷达发至目标，并返回雷达所需的这一有限时间间隔决定。

微波雷达系统介绍 篇2

随着社会经济的不断发展,交通运输问题日益成为制约经济社会更快发展的瓶颈,仅仅依靠加大交通基础设施建设的投入已经不能有效解决由交通量的迅速增长所引起的一系列经济社会问题,在现有交通设施基础上如何来提高通行效率便成为人们研究的重点,于是智能交通系统(Intelligent Transportation Systems, 简称ITS)应运而生。所谓智能交通系统,它是将先进的信息技术、数据通信传输技术、电子传感技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效地集成运用于整个交通管理而建立的一种大范围、全方位发挥作用的、实时、准确、高效的综合交通运输管理系统[1]。

交通信息检测是智能交通系统中的重要环节,其主要任务是获取道路上车辆的状况,这些信息主要包括车流量、平均车速、车道占有率、车型等。交通信息的实时准确获取是整个智能交通系统的基础,现有的交通信息探测技术手段主要有环形线圈检测、红外线检测、视频检测、超声波检测、微波检测等[1]。环形线圈检测精度高、使用范围广,但是其安装维修时需封闭部分路段并对道路进行破坏,时间和经济成本较高。

红外检测器和超声检测器虽然安装维护方便,但其受周围环境和气象条件的影响较大,检测精度低。视频检测器受道路上的能见度影响很大,晚上和阴雨雾天气时检测精度低。而微波检测技术则不受上述缺点限制,具有安装维护方便、检测精度高、抗干扰能力强、受环境影响小、全天候、体积小等诸多优点,发展前景广阔,具有重要研究价值。

本文根据交通信息采集系统对检测器的高效性、准确性、实时性和易调试性等要求,利用DSP处理数据量大、速度高、易编程等特点,设计了一种新型微波交通信息检测雷达信号处理系统。

2 系统总体方案

微波交通信息检测雷达系统前端工作频率为24GHz,采用标准的零差型线性调频连续波(frequency modulated continuous wave, FMCW)体制[2]。系统主要由天线、收发组件、中频信号处理、数字信号处理单元及上位机等几大部分组成,如图1所示。收发组件包括压控振荡器(VCO)、耦合器、环形器和混频器四部分。VCO的调制信号为2KHz的三角波,由数字信号处理单元产生。系统工作原理为:耦合器接收VCO产生的三角波调制信号,然后分成两路,一路送给环形器,然后经由天线发射出去,反射回来的信号通过天线经由环形器送给混频器,与耦合器送出的另一路原始信号在混频器中混频,得到发射与接收信号的差拍频率(中频)信号,中频信号经过滤波放大后送给数字信号处理单元进行处理,最后把得到的交通信息传给上位机并通过界面显示给用户。

交通信息检测雷达实际使用时采用侧向安装方式,即在路边竖一个高杆,把雷达放在高杆上面,侧向下对准道路的横断面,其安装示意图如图2所示。系统主要依据FMCW的测距原理对交通信息进行检测,其距离可用如下公式计算:

$R=\frac{c{\rm T}{}_m}{4\Delta f}f{}_b(1)$

式(1)中:R为目标离雷达的距离;Tm为三角波周期;Δf为发射频率的最大频偏;fb为发射和接收信号间的差拍频率,c为光速。

3 数字信号处理单元硬件设计

3.1 电路结构

数字信号处理单元以TI公司的TMS320VC5416(简称VC5416)高速定点数字信号处理(DSP)芯片为核心处理器,辅以CPLD、Flash存储器、ADC、DAC、实时时钟芯片(RTC)和外扩UART串行通信芯片等组成。其原理结构框图如图3所示,其中CPLD几乎收集了VC5416的所有控制逻辑,用于对外围电路进行。

逻辑控制,Flash的页选和读写控制、程序空间和数据空间大的切换、ADC和UART芯片的片选等完全由DSP通过CPLD控制。DAC模块在这里是通过数字的方法产生前端所需的三角波调制信号;ADC模块是用于把前端送来的中频信号转化为DSP可以处理的数字信号;Flash模块用于存储DSP的主程序和数据,设计时采用数据Flash和程序Flash分开的方法实现;由于VC5416本身没有UART接口,为便于系统调试和测试结果上传给上位机,设计时外扩了一个双通道的UART芯片,并提供标准的RS232(近程传输)和RS485(远程传输)接口与计算机连接;RTC芯片为系统提供标准的时间基准。

3.2 采样电路

考虑系统对采样分辨率的要求,选用12位串行AD芯片THS1206用于模数转换。中频信号接入AD前需要经过一段由基本运放及电阻组成的信号调理电路,把幅度处于-1V～+1V之间的原始中频信号电压范围提升到THS1206所要求的1.5～3.5V。THS1206有4个模拟输入通道,内置FIFO,中频信号接入输入通道CH1,其他输入通道接地,采用内部参考电压,工作在连续采样模式。采样频率由DSP直接提供,以便需要时可通过DSP来调节。采样频率选为500KHz,前端输入的中频信号频率最大只有150kHz左右,符合Nyquist采样定理的要求。THS1206内置的FIFO大小为16字(12位),采样转换后的值被自动写入FIFO,这样可以减少向DSP请求中断服务的次数;将触发电平设置为8,当FIFO中的采样值达到8个时,THS1206通过将DATA_AV引脚拉低来触发DSP中断,DSP执行中断服务子程序来把FIFO中的数据读出,存放在DSP的片内RAM中。

3.3 三角波发生电路

三角波发生电路(DAC模块)主要是用来为前端提供三角波调制信号的。调制三角波的产生通常有两种方法:一种是模拟的方法,就是通过运放和电阻电容等构成一个幅度、偏置和频率等参数可调的信号发生器;另一种就是数字的方法,利用DSP向数模转换芯片每周期发送一组离散的数字信号,经DAC转换后输出三角波信号。模拟的方法产生的三角波的参数调试起来不便,需要更换芯片,且线形度不好,易受干扰,不适合雷达前端对三角波的高线形度和参数随时可调的要求;而数字的方法则可以通过对DSP编程来实现,更适合系统需要,其原理为:DSP通过McBSP口在每个周期内向DAC发送200条电压信号指令,通过转换后就形成一个前端所需的2KHz的三角波。

3.4 串口通信电路

串口通信电路用于提供与外界通信的接口,外扩UART芯片型号为TL16C752B,其内部集成了控制和中断电路,DSP在任何时候都可以读取UART的状态信号。该UART芯片有两个通道,一路接标准的RS232接口芯片,可短距离(一般不超过50m)传输数据,用于系统的现场调试和联机工作;另一路接标准的RS485接口芯片,最大传输距离达3000m,可用于较长距离的数据传输;必要时还可以外接无线模块,进行远距离无线数据传输。

4 软件设计

4.1 信号处理程序流程

交通信息检测信号处理的核心思想是利用高速DSP芯片的定时器产生一定时间间隔的中断,同时DSP对由ADC采样的信号进行频谱分析。由于检测器安装在固定的位置,其覆盖区域及周围的环境比较固定,因而,可以在频域上完成杂波的消除算法,将有车辆通过时的频谱与无车辆通过时的频谱进行频域消干[3],再根据车辆通过雷达照射区域的时间和频谱位置等参数计算出车道、车流量、车道占有率和平均车速等交通信息。

整个系统的信号处理程序流程如图4所示,程序开始运行时,首先对DSP内的各寄存器及外围设备进行初始化,然后从片外闪存及实时钟芯片中读取系统参数,这些前期工作做完后就进入一个主循环。主循环中首先是数据采样,当采样得到的数据达到1024个时,程序就对这1024个点进行FFT,然后再对获取的频域信号进行分析,根据频谱幅度所在位置及大小来分别判断车辆所属车道和车辆的有无,根据车辆通过照射区域时间的长短及信号波形的变化来计算车道占有率和平均车速等信息,然后把得到的交通信息发送给上位机,计数器是用来设定检测周期的,一个检测周期通常设定为20ms～30ms,计数器值若不为零则自减一,然后继续执行小循环判断,为零时(一个检测周期结束),接着执行下一个判定,查询串口是否有上位机发送来的命令,若有就执行命令,执行完后继续查询串口,若没有则本次检测周期结束,跳转到数据采样处接着执行下一个检测周期[3]。

4.2 引导装载的实现

软件设计的另一个难点就是系统上电引导装载(自举)的实现。系统自举的主要任务就是完成数据从外部存储到内部存储的搬移及程序的重定位等工作。采用自举加载的好处是:一方面对DSP片内有限而宝贵的存储资源进行了扩展,另一方面还可以充分发挥DSP片内RAM速度快的优势。

本系统采用最为常用的16位并行自举引导方式,整个引导装载过程为:VC5416上电复位后,MP/MC脚为低电平,DSP工作在微计算机模式,程序指针指向片内ROM区的地址FF80H处,此处存有一条跳转指令,该指令使程序跳转到地址F800H处,F800H即为BootLoader程序的起始地址,自举程序依次检查INT2和INT3标志位(此处均为高电平),判断采用并行加载模式,读取数据空间地址FFFFH处的内容8000H,然后从8000H处开始读取内容。BootLoader根据所读内容初始化相应寄存器,把第一段程序搬移到片内RAM中从28100H开始的地址中,把第二段程序复制到片内RAM中从28200H开始的地址单元中,将第三段程序搬移到片内RAM中从200H开始的地址单元中,最后程序指针跳转到RAM的28200H地址处开始执行数字信号处理主程序,完成整个系统自举任务。

5 测试结果

系统是根据汽车行驶过雷达照射区域的时间和波形变化及数字信号处理机内部定时器记录的数值等参数来计算出各种交通信息的。本系统可检测的交通信息参数主要有车流量、平均车速和车道占有率等几种。这几个交通信息参数定义是根据交通部的标准定义进行实现的,具体定义如下[4]:

平均车速——多指时间平均车速,在单位时间内通过道路某断面所有车辆点车速的算术平均值。

车道占有率是密度参数的分布特性,车道占有率越高,车流密度越大。一般计算时间占有率——在某一测定时间段内测量通过某一断面的累计时间占测定时间之比。

车流量——是交通量的俗称,交通量是指在选定时间段内,通过道路某一地点、某一断面或某一车道的交通实体数。

现在市场上的交通信息检测器检测精度一般不超过90%,而且大多数检测器的检测信息参数比较单一。表1是我们于2008年12月17日9:00至13:00时在上海浦东五洲大道对车流量信息的检测结果。从测试数据可以看出,本系统各个车道的车流量检测准确率均达到了95%左右。表2给出了上海市浦东五洲大道2009年12月17日10:00至14:00时的平均车速和车道占有率的现场实测结果。从这些测试结果可以看出,系统的性能指标不仅达到了实用化的要求,而且与其他检测手段相比,除了引言部分所述优势外,还有着检测精度高和检测参数多的优点。

5 结束语

随着数字信号处理器集成技术的不断发展,DSP的高速实时数据处理和控制能力越来越强,这非常适合雷达系统对数据处理的实时性和高速度化要求,因而DSP在雷达系统中应用也将更加广泛。本文所介绍的微波雷达交通信息检测系统是DSP在雷达系统中的典型应用,实践证明本文所介绍的设计方案简单、可靠、准确率高,达到了实用的要求,应用前景广阔。

摘要：给出一种基于DSP芯片TMS320VC5416的微波雷达交通信息检测系统总体设计方案;详细阐述了系统后端数字信号处理单元的软硬件的设计与实现,指出了电路设计中的难点并提供了解决方案;给出了信号处理程序流程并重点说明了自举的实现。现场测试结果表明,本系统的性能指标达到了实用化要求。

关键词：智能交通系统,交通信息检测,数字信号处理,自举

参考文献

[1]刘晓斌,张惠玲.智能交通检测设备及道路探测研究[J].交通标准化,2008,(02):201-203

[2]盛怀茂,李玉芳,夏冠群等.FMCW毫米波雷达中频滤波器的研究[J].红外与毫米波学报,2001,20(6):472-476

[3]陈良章,余稳,孙晓伟.微波车流量检测雷达中数字信号处理机的设计[J].微计算机应用,2008,29(5):88-92

路面雷达检测系统及其应用 篇3

路面雷达检测系统及其应用

结合黑龙江省多条高等级公路交工验收情况,详细阐述了IRIS-L2型路面厚度自动化检测系统的先进性及操作原理、方法.

作 者：邵培东 夏玉超 Shao Peidong Xia Yuchao 作者单位：黑龙江省公路工程质量监督站刊 名：林业科技情报英文刊名：FORESTRY SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION年，卷(期)：200941(1)分类号：U4关键词：路面厚度 面层 基层 稳定层 雷达检测