專利名稱：一種車流量檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)中壓控振蕩器非線性校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種車流量檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)中壓控振蕩器(Voltage ControlOcsillator，VCO)非線性校正方法，更確切的說(shuō)提供一種可取代毫米波車流量檢測(cè)雷達(dá)難于用硬件實(shí)現(xiàn)VCO非線性的數(shù)字信號(hào)處理方法。
背景技術(shù)：
智能交通系統(tǒng)Intelligent Traffic system(ITS)是將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等有效的集成運(yùn)用于整個(gè)地面交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)。ITS將有效地利用現(xiàn)有交通設(shè)施、減少交通負(fù)荷和環(huán)境污染、保證交通安全、提高運(yùn)輸效率、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高人民生活質(zhì)量，并以推動(dòng)社會(huì)信息化及形成新產(chǎn)業(yè)受到各國(guó)的重視。目前已成為世界二十一世紀(jì)的交通發(fā)展方向。由于雷達(dá)工作的全天候特點(diǎn)，采用雷達(dá)來(lái)完成ITS系統(tǒng)中車流量和車速的監(jiān)控是目前最好的手段。
線性調(diào)頻連續(xù)波體制雷達(dá)采用回波頻率差來(lái)確定探測(cè)目標(biāo)的距離，F(xiàn)requency Modulate Continuous Wave(FMCW)雷達(dá)核心部件VCO源的非線性必將使輸出掃頻非線性，從而引起探測(cè)的誤差，降低車流量檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)車流量統(tǒng)計(jì)的精確性?，F(xiàn)有的雷達(dá)體制多采用復(fù)雜的附加電路(鎖相環(huán)或Digital Signal Processing(DSP)等反饋電路)根據(jù)VCO非線性的偏移來(lái)改變控制電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)非線性校正。
車流量檢測(cè)雷達(dá)一般工作于毫米波等頻率很高的波段，模擬或數(shù)字芯片難于工作于這些頻段，即使可以實(shí)現(xiàn)電路也是非常復(fù)雜的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種車流量檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)中壓控振蕩器(VCO)非線性校正方法，它能成功克服硬件反饋回路校正的復(fù)雜性，無(wú)需增加硬件電路，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、方便，移植性好，而且不需要增加額外的成本、性價(jià)比高。
本發(fā)明提供的小型毫米波雷達(dá)裝置通過(guò)嵌入式芯片Advanced RISCMachine(ARM)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行在系統(tǒng)通電后檢查各部分是否運(yùn)行正常、進(jìn)行雷達(dá)參數(shù)設(shè)置、車道信息傳送、車道信息統(tǒng)計(jì)。雷達(dá)發(fā)射機(jī)通過(guò)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的發(fā)射信號(hào)經(jīng)天線和目標(biāo)的二次散射后被雷達(dá)接收機(jī)接收，雷達(dá)信號(hào)處理器進(jìn)行車道路面信息的提取。
本裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，ARM控制單元實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的初始化，傳送三角波參數(shù)給FPGA三角波產(chǎn)生單元產(chǎn)生一幅度、偏置和頻率可調(diào)的三角波，輸入到射頻單元中使之產(chǎn)生一頻率按三角波規(guī)律變化的毫米波信號(hào)，經(jīng)射頻單元發(fā)射出去，碰到目標(biāo)并返回再由射頻單元接收，混頻后的信號(hào)經(jīng)調(diào)諧濾波器選擇合適的頻段進(jìn)入相應(yīng)的中頻處理單元，經(jīng)濾波放大之后送入信號(hào)處理單元檢測(cè)出汽車目標(biāo)，并啟動(dòng)定時(shí)器中斷，在一定時(shí)間內(nèi)記錄通過(guò)雷達(dá)覆蓋區(qū)域的車輛，計(jì)算出車流量和車速等參量，并與ARM單元進(jìn)行通信將統(tǒng)計(jì)量通過(guò)無(wú)線通信傳送給交通管理部門進(jìn)行智能化交通管理。信號(hào)處理器中的處理流程如圖4所示，系統(tǒng)開機(jī)時(shí)首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，接著對(duì)系統(tǒng)的回波進(jìn)行處理獲取路面信息，整個(gè)系統(tǒng)的流程是通過(guò)兩個(gè)定時(shí)器來(lái)進(jìn)行控制系統(tǒng)采集路面信息回波時(shí)間及系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)路面信息時(shí)間，在系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)，采用簡(jiǎn)單的FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)回波的頻譜估計(jì)，在頻域來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)路面信息的提取，同時(shí)為了能進(jìn)一步提高頻譜純度，采用頻域消減法來(lái)校正VCO非線性帶來(lái)的影響。
本發(fā)明VCO的調(diào)制波形三角波采用Direct Digital Synthesizer(DDS)直接數(shù)字合成的方法，利用可編程邏輯器件Field Programmable Gate Array(FPGA)產(chǎn)生線性度好，穩(wěn)定，直流偏置、幅度和頻率均可調(diào)的三角波。
本發(fā)明的中頻電路采用通帶內(nèi)變?cè)鲆娴臑V波器設(shè)計(jì)方法來(lái)提高雷達(dá)測(cè)試距離，使雷達(dá)同時(shí)作用于六個(gè)車道，其作用距離由安裝位置決定，相對(duì)固定，最大作用距離為60米。
本發(fā)明的信號(hào)處理部分以TI公司的TMS320C5402的高速數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片為核心，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用具有四個(gè)通道的轉(zhuǎn)換器，利用其中一個(gè)通道來(lái)獲取雷達(dá)的同步信號(hào)。
本發(fā)明車流量檢測(cè)雷達(dá)的安裝圖如圖2所示。車流量檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)中車道與雷達(dá)之間的關(guān)系通過(guò)距離反映，同時(shí)由于距離與反射回波跟發(fā)射回波的頻率差成正比，本發(fā)明通過(guò)回波頻率的差異來(lái)區(qū)分不同的車道。車道與雷達(dá)的距離如式(1)所示。
l=h2+(d+nw)2]]>其中h為雷達(dá)的安裝高度，d為雷達(dá)安裝桿與第一個(gè)車道的距離，w為每個(gè)車道的寬度，n代表第n個(gè)車道。雷達(dá)1m對(duì)應(yīng)的頻率為(f)Hz，從而得到每個(gè)車道對(duì)應(yīng)的頻段第n個(gè)車道對(duì)應(yīng)頻段為fln1Λfln2Hz，ln1Λln2為根據(jù)式(1)得到的車道對(duì)應(yīng)距離，對(duì)相應(yīng)頻段的信號(hào)進(jìn)行處理就可以獲得對(duì)應(yīng)車道的路面信息。
本車流量檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)車道識(shí)別通過(guò)一組頻段不同的濾波器組來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)通過(guò)對(duì)相應(yīng)頻段的譜線幅度進(jìn)行車輛判斷統(tǒng)計(jì)?？梢钥闯鲕嚵髁繖z測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)中VCO源的頻率線性度將會(huì)嚴(yán)重影響車流量統(tǒng)計(jì)的精確性。如當(dāng)一輛車在行車道的左邊時(shí)，由于非線性可能會(huì)使該車輛的判斷為超車道的右邊，這樣就會(huì)使車流量的檢測(cè)毫無(wú)意義。VCO非線性對(duì)回波影響的原理示意如圖3所示。
設(shè)X(t)為非線性引入的頻偏函數(shù)，它表示t時(shí)刻發(fā)射信號(hào)頻率偏離線性的大小?；夭ㄐ盘?hào)是發(fā)射信號(hào)的延時(shí)如式(2)所示，其中τR=2Rc]]>(R為目標(biāo)距離)。
ur(t)＝B·cos(j·2π·∫t0(fo+(t-τR)+X(t-τR))dt+Φ)(2)混頻器的輸出中頻信號(hào)如式(3)所示。
uIF(t)≈C·exp(j·2π·(kτRt+τRX(t))0＜t＜T(3)
中頻信號(hào)的頻譜如式(4)所示。
其中 表示頻偏X(t)功率譜密度， 表示頻偏X(t)平方后的功率譜密度。公式中的第一項(xiàng)表示距離R處的目標(biāo)回波譜，后幾項(xiàng)則反映了頻偏函數(shù)X(t)在回波譜中引起的附加調(diào)制邊帶，在此，定義這一附加邊帶為非線性邊帶。圖3簡(jiǎn)單給出了VCO非線性的示意圖，VCO線性度理想的情況下回波信號(hào)只包含處于R處目標(biāo)的回波信號(hào)，圖中31目標(biāo)延遲時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于三角波周期，回波信號(hào)由33，34處信號(hào)的頻率來(lái)決定。對(duì)一個(gè)靜止的目標(biāo)而言，33，34處頻率均為fb。由于VCO的非線性回波信號(hào)不僅僅包含目標(biāo)回波頻率信號(hào)，圖3的35，36處給出回波信號(hào)包含頻率除了回波信號(hào)頻率還包括由于VCO非線性所引起的附加調(diào)制邊帶。
消除VCO非線性的關(guān)鍵是去除由于非線性所引起的譜線。在本發(fā)明中采用自制的VCO芯片，在測(cè)試平臺(tái)上測(cè)出VCO頻率與控制電壓之間的關(guān)系，根據(jù)VCO非線性的頻域特性，從而在實(shí)時(shí)信號(hào)處理器中設(shè)計(jì)一個(gè)頻域消減器來(lái)對(duì)VCO進(jìn)行校正。
式(4)給出了目標(biāo)所處距離與VCO非線性引起的附加調(diào)制邊帶的幅度關(guān)系。只有在此幅度小于路面對(duì)應(yīng)車道無(wú)車輛的回波強(qiáng)度時(shí)此附加調(diào)制邊帶不會(huì)影響車流量的統(tǒng)計(jì)。因此本發(fā)明首先根據(jù)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)獲得一個(gè)距離因子表，然后在信號(hào)處理頻譜分析車道識(shí)別的過(guò)程中FFT變頻域信號(hào)之后采用一個(gè)頻域消減器根據(jù)距離因子表對(duì)由于VCO非線性所引起的頻譜進(jìn)行去除消減，所剩下的就是路面車道上所存在目標(biāo)的頻譜，從而提高車流量統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性。
由此可見，本發(fā)明的一種車流量檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)中壓控振蕩器非線性校正方法，其特征在于(1)將壓控振蕩器，在探測(cè)平臺(tái)上測(cè)出工作頻段上頻寬范圍內(nèi)的隨三角波控制電壓的壓控振蕩器輸出信號(hào)頻率的變化；(2)依頻率與電壓的變化關(guān)系求得壓控振蕩器非線性給回波信號(hào)帶來(lái)的影響，用軟件采用頻域?qū)ο▽?shí)現(xiàn)壓控振蕩器的非線性校正。
本發(fā)明和已有技術(shù)相比，具有十分明顯的優(yōu)點(diǎn)a.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)方便b.移植性好c.易于擴(kuò)展d.較高的性價(jià)比●本發(fā)明的性能指標(biāo)●工作環(huán)境 -40℃～+80℃●最大作用距離 60m●速度分辨率 ＜5Km/h●刷新頻率 0.5Hz●電源 12V單電源供電


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)原理圖。
圖2是本裝置測(cè)定車流量和車速的安裝圖。
圖3是車流量雷達(dá)VCO源非線性對(duì)回波造成的影響原理示意圖。
圖4是本裝置測(cè)定車流量和車速的程序流程圖。
圖中各代號(hào)的意義1FPGA三角波產(chǎn)生單元、2射頻單元、3調(diào)諧濾波器、4中頻信號(hào)處理電路、5信號(hào)處理單元、6 ARM控制單元、7無(wú)線通信、8其他I/O設(shè)備、21雷達(dá)安裝高度、22雷達(dá)安裝桿與第1車道的距離、24波束的寬度、25照射角度具體實(shí)施方式
本發(fā)明的具體實(shí)施方式
如圖1所示，ARM控制單元6實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的初始化，傳送三角波參數(shù)給單元1產(chǎn)生一幅度、偏置和頻率可調(diào)的三角波，輸入到射頻單元2中使之產(chǎn)生一頻率按三角波規(guī)律變化的毫米波信號(hào)，經(jīng)射頻單元2發(fā)射出去，碰到目標(biāo)并返回再由射頻單元2接收，混頻后的信號(hào)經(jīng)調(diào)諧濾波器3選擇合適的頻段進(jìn)入相應(yīng)的中頻處理單元4，經(jīng)濾波放大之后送入信號(hào)處理單元5檢測(cè)出汽車目標(biāo)，并啟動(dòng)定時(shí)器中斷，在一定時(shí)間內(nèi)記錄通過(guò)雷達(dá)覆蓋區(qū)域的車輛，計(jì)算出車流量和車速等參量，并與ARM單元6進(jìn)行通信將統(tǒng)計(jì)量通過(guò)無(wú)線通信7傳送給交通管理部門進(jìn)行智能化交通管理。信號(hào)處理器中的處理流程如圖4所示，系統(tǒng)開機(jī)時(shí)首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，接著對(duì)系統(tǒng)的回波進(jìn)行處理獲取路面信息，整個(gè)系統(tǒng)的流程是通過(guò)兩個(gè)定時(shí)器來(lái)進(jìn)行控制系統(tǒng)采集路面信息回波時(shí)間及系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)路面信息時(shí)間，在系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)，采用簡(jiǎn)單的FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)回波的頻譜估計(jì)，在頻域來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)路面信息的提取，同時(shí)為了能進(jìn)一步提高頻譜純度，采用頻域消減法來(lái)校正VCO非線性帶來(lái)的影響。
本發(fā)明裝置在具體使用時(shí)，如圖2所示，雷達(dá)波束以垂直于公路的方向發(fā)射高頻電磁波，波束覆蓋6個(gè)車道(本說(shuō)明書以6車道為例，多車道原理相同)。雷達(dá)的安裝高度21、照射角度25以及波束的寬度24經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算，保證波束的覆蓋區(qū)域控制在較狹長(zhǎng)的一個(gè)區(qū)域內(nèi)，所探測(cè)的路面車道都可以被雷達(dá)波束照射到。根據(jù)安裝桿與第一車道的距離，確定本裝置的安裝高度h、安裝角度α，以保證系統(tǒng)工作可靠。
權(quán)利要求
1.一種車流量檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)中壓控振蕩器非線性校正方法，其特征在于(1)將壓控振蕩器，在探測(cè)平臺(tái)上測(cè)出工作頻段上頻寬范圍內(nèi)的隨三角波控制電壓的壓控振蕩器輸出信號(hào)頻率的變化；(2)依頻率與電壓的變化關(guān)系求得壓控振蕩器非線性給回波信號(hào)帶來(lái)的影響，用軟件采用頻域?qū)ο▽?shí)現(xiàn)壓控振蕩器的非線性校正。
2.按權(quán)利要求1所述的一種車流量檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)中壓控振蕩器非線性校正方法，其特征在于具體實(shí)施方法是ARM控制單元(6)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系數(shù)的初始化，傳送三角波參數(shù)給單元(1)產(chǎn)生一幅度、偏置和頻率可調(diào)的三角波，輸入到射頻單元(2)中使之產(chǎn)生一頻率按三角波規(guī)律變化的豪米波信號(hào)，經(jīng)射頻單元(2)發(fā)射出去，碰到目標(biāo)并返回再由射頻單元(2)接收，混頻后的信號(hào)經(jīng)調(diào)諧濾波器(3)選擇合適的頻段進(jìn)入相應(yīng)的中頻處理單元(4)，經(jīng)濾波放大之后送入信號(hào)處理單元(5)檢測(cè)出汽車目標(biāo)，并啟動(dòng)定時(shí)器中斷，記錄通過(guò)雷達(dá)覆蓋區(qū)域的車輛，計(jì)算出車流量和車速參量，并與ARM單元(6)進(jìn)行通信將統(tǒng)計(jì)量通過(guò)無(wú)線通信(7)傳送給交通管理部門進(jìn)行智能化交通管理。
3.按權(quán)利要求2所述的一種車流量檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)中壓控振蕩器非線性校正方法，其特征在于所述信號(hào)處理單元處理流程是系統(tǒng)開機(jī)時(shí)首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，接著對(duì)系統(tǒng)的回波進(jìn)行處理獲取路面信息，整個(gè)系統(tǒng)的流程是通過(guò)兩個(gè)定時(shí)器來(lái)進(jìn)行控制系統(tǒng)采集路面信息回波時(shí)間及系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)路面信息時(shí)間，在系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)，采用FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)回波的頻譜估計(jì)，在頻域來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)路面信息的提取，同時(shí)采用頻域消減法來(lái)校正VCO的非線性。
4.按權(quán)利要求1所述的一種車流量檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)中壓控振蕩器非線性校正方法，其特征在于所述的車流量檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)中車道與雷達(dá)的距離關(guān)系為l=h2+(d+nw)2---(1)]]>其中h為雷達(dá)的安裝高度，d為雷達(dá)安裝桿與第一個(gè)車道的距離，w為每個(gè)車道的寬度，n代表第n個(gè)車道。雷達(dá)1m對(duì)應(yīng)的頻率為(f)Hz，從而得到每個(gè)車道對(duì)應(yīng)的頻段第n個(gè)車道對(duì)應(yīng)頻段為fln1Λfln2Hz，ln1Λln2為根據(jù)式(1)得到的車道對(duì)應(yīng)距離，對(duì)相應(yīng)頻段的信號(hào)進(jìn)行處理以獲得對(duì)應(yīng)車道的路面信息。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種車流量檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)中壓控振蕩器非線性校正的方法。這種方法通過(guò)車流量檢測(cè)雷達(dá)收發(fā)組件獲取雷達(dá)目標(biāo)的回波信息，利用存儲(chǔ)在數(shù)字信號(hào)處理器DSP中系統(tǒng)VCO的非線性度特征參數(shù)，在對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行提取的過(guò)程中根據(jù)一定的距離因子采用頻域?qū)ο姆椒ㄏ齎CO非線性所帶來(lái)的影響，降低虛警概率。本發(fā)明可以在DSP中通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，因此無(wú)需改變硬件電路，卻能從根本上避免硬件電路校正的復(fù)雜性，具有實(shí)現(xiàn)手段簡(jiǎn)單方便，穩(wěn)定性高、移植性好易于擴(kuò)展的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01S7/03GK101093616SQ200610028108
公開日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2006年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月23日
發(fā)明者孫曉瑋, 蔣鐵珍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所