高精度雷達測速系統(tǒng)及測速方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高精度雷達測速系統(tǒng)及測速方法，高精度雷達測速系統(tǒng)包括24.15G連續(xù)波雷達天線；后端數(shù)字信號處理單元包括信號調(diào)理電路、主控制器、5V轉(zhuǎn)3.3V電路、RS485串口通信、RS232串口通信和5V電源；24.15G連續(xù)波雷達天線連續(xù)發(fā)送24.15G正弦波信號，將反饋回來的信號進行處理，得到多普勒頻差；信號進入后端數(shù)字信號處理單元中的信號調(diào)理電路，對信號進行濾波、放大處理，濾波、放大后將信號送入主控制器的ADC端口；主控制器對信號進行傅里葉變換，轉(zhuǎn)化為車輛的速度和運動方向信息，若超速則觸發(fā)拍照攝像頭。本發(fā)明負載能力強、運行可靠；測試精度高，實現(xiàn)攝像頭實時捕捉違規(guī)車輛車牌，且上位機能夠進行實時監(jiān)控，對減少交通安全事故的發(fā)生起著重要作用。
【專利說明】
高精度雷達測速系統(tǒng)及測速方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及道路交通技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種高精度雷達測速系統(tǒng)及測速方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有技術(shù)中，光電測速、線圈測速以及雷達測速是對車輛測速的主要方式。線圈測 速將其埋在公路下方，當車輛通過線圈時，車輛使線圈發(fā)生形變，檢測器根據(jù)線圈磁場的變 化計算出車輛速度，但該方法施工和后期維護成本高，且安裝時會造成系統(tǒng)癱瘓，不適用于 大范圍推廣應(yīng)用；光電測速安裝相對簡單，當車輛低速通過時測量精度較高，但速度達 150km/h以上時精度低，測速范圍有限；雷達測速是目前檢測車輛超速行駛的主要方式，但 大多數(shù)雷達測速系統(tǒng)利用單片機作為主控制器，采用計數(shù)鑒頻的方法，其測試電路復(fù)雜、測 量功能單一、精度不高，嚴重限制了產(chǎn)品的應(yīng)用和推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種結(jié)構(gòu)合理的高精度雷達測速系統(tǒng)及測 速方法，測試精度高，實現(xiàn)攝像頭實時捕捉違規(guī)車輛車牌和上位機監(jiān)控的功能。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種高精度雷達測速系統(tǒng)，包括前端射頻單元 和后端數(shù)字信號處理單元;前端射頻單元包括24.15G連續(xù)波雷達天線；后端數(shù)字信號處理 單元包括信號調(diào)理電路、主控制器、5V轉(zhuǎn)3.3V電路、RS485串口通信、RS232串口通信和5V電 源;5V電源分別給系統(tǒng)各個模塊提供5V的電壓，5V轉(zhuǎn)3.3V電路將5V電源提供的電壓轉(zhuǎn)換為 3.3V電壓提供給信號調(diào)理電路，5V電源與主控制器之間通過RS485串口通信與RS232串口通 信進行通信；24.15G連續(xù)波雷達天線連續(xù)發(fā)送24.15G正弦波信號，將反饋回來的信號進行 處理，得到多普勒頻差;信號進入后端數(shù)字信號處理單元中的信號調(diào)理電路，對信號進行濾 波、放大處理，濾波、放大后將信號送入主控制器的ADC端口；主控制器對信號進行傅里葉變 換，轉(zhuǎn)化為車輛的速度和運動方向信息，若超速則觸發(fā)拍照攝像頭。
[0005] 優(yōu)選的，信號調(diào)理電路對信號進行濾波采用帶通濾波，帶通范圍為100Hz-18KHz， 測速范圍為lkm/h-400km/h。
[0006] 優(yōu)選的，24.15G連續(xù)波雷達天線包括振蕩器、接收天線、發(fā)射天線、第一混頻器、第 二混頻器和第三混頻器;振蕩器發(fā)出一個頻率為ft ra的發(fā)射信號，其中一路經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射 出去，一路分流成兩路分別進入I、Q所在通道的第二混頻器和第三混頻器中，Q通道的信號 在混頻之前還需經(jīng)90°的移相;接收天線接收到的回波信號，經(jīng)低噪聲放大處理后，經(jīng)第一 混頻器與實時分流的兩路信號進行混頻，混頻后得到的信號再經(jīng)中頻濾波放大處理，最終 得到I、Q兩路中頻信號，I、Q兩路中頻輸出信號中均攜帶有探測目標的速度信息。
[0007] 優(yōu)選的，I、Q兩路中頻信號均包含有一個多普勒頻差fD，多普勒頻差的計算公式為
其中，fD為多普勒頻差，f0為雷達天線的發(fā)射頻率，v為物體的速度范 圍，c〇為光速;a為運動的實際方向與傳感器目標連線之間的角度。
[0008] 優(yōu)選的，多普勒頻差經(jīng)由TLV2374運放搭建起來的中頻放大電路，送入主控制器芯 片STM32F407。
[0009] -種高精度雷達測速方法，包括如下步驟：
[0010] ⑴主控制器自帶的12位ADC采集n個時域數(shù)據(jù)，n個時域數(shù)據(jù)通過FIR濾波后進行n 點FFT運算，得到速度值和方向信息；
[0011] (2)反復(fù)進行步驟（1)，得到m個速度值，計算這些值相互之間的差值，若差值小于 設(shè)定的閾值，則輸出多個速度值的平局值；
[0012] (3)若差值大于設(shè)定的閾值，則將所采集到的數(shù)據(jù)進行Z變換，計算Z變換輸出與 FFT輸出找出最接近的數(shù)值，作為實際速度值；
[0013] (4)將輸出的速度值和方向信息進行判斷，若超速，則觸發(fā)攝像頭進行拍照。
[0014] 優(yōu)選的，n的值為2048，m的值為3。
[0015] 本發(fā)明的有益效果為：系統(tǒng)負載能力強、運行可靠;測試精度高，實現(xiàn)攝像頭實時 捕捉違規(guī)車輛車牌，且上位機能夠進行實時監(jiān)控，對減少交通安全事故的發(fā)生起著重要作 用，具有非常高的推廣價值。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明的整體系統(tǒng)示意圖。
[0017] 圖2是本發(fā)明的24.15G連續(xù)波雷達天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖3是本發(fā)明的方法流程示意圖。
【具體實施方式】
[0019] 如圖1，一種高精度雷達測速系統(tǒng)，包括24.15G連續(xù)波雷達天線；后端數(shù)字信號處 理單元包括信號調(diào)理電路、主控制器、5V轉(zhuǎn)3.3V電路、RS485串口通信、RS232串口通信和5V 電源;5V電源分別給系統(tǒng)各個模塊提供5V的電壓，5V轉(zhuǎn)3.3V電路將5V電源提供的電壓轉(zhuǎn)換 為3.3V電壓提供給信號調(diào)理電路，5V電源與主控制器之間通過RS485串口通信與RS232串口 通信進行通信；24.15G連續(xù)波雷達天線連續(xù)發(fā)送24.15G正弦波信號，將反饋回來的信號進 行處理，得到多普勒頻差;信號進入后端數(shù)字信號處理單元中的信號調(diào)理電路，對信號進行 濾波、放大處理，濾波、放大后將信號送入主控制器的ADC端口；主控制器對信號進行傅里葉 變換，轉(zhuǎn)化為車輛的速度和運動方向信息，若超速則觸發(fā)拍照攝像頭。
[0020] 信號調(diào)理電路對信號進行濾波采用帶通濾波，帶通范圍為100HZ-18KHZ，測速范圍 為1km/h-400km/h。
[0021] 如圖2所示，24.15G連續(xù)波雷達天線包括振蕩器、接收天線、發(fā)射天線、第一混頻 器、第二混頻器和第三混頻器;振蕩器發(fā)出一個頻率為ft ra的發(fā)射信號，其中一路經(jīng)發(fā)射天 線發(fā)射出去，一路分流成兩路分別進入I、Q所在通道的第二混頻器和第三混頻器中，Q通道 的信號在混頻之前還需經(jīng)90°的移相;接收天線接收到的回波信號，經(jīng)低噪聲放大處理后， 經(jīng)第一混頻器與實時分流的兩路信號進行混頻，混頻后得到的信號再經(jīng)中頻濾波放大處 理，最終得到I、Q兩路中頻信號，I、Q兩路中頻輸出信號中均攜帶有探測目標的速度信息。 [0022] I、Q兩路中頻信號均包含有一個多普勒頻差fD，多普勒頻差的計算公式為
其中，fD為多普勒頻差，fO為雷達天線的發(fā)射頻率，v為物體的速度范 圍，c〇為光速;a為運動的實際方向與傳感器目標連線之間的角度。
[0023] 多普勒頻差經(jīng)由TLV2374運放搭建起來的中頻放大電路，送入主控制器芯片 STM32F407，TLV2374運放具有寬電壓工作范圍，低至2.7V，工作帶寬高達3M，完全能夠滿足 系統(tǒng)應(yīng)用。
[0024] 如圖3所示，一種高精度雷達測速方法，包括如下步驟：
[0025] (1)主控制器自帶的12位ADC采集n個時域數(shù)據(jù)，n個時域數(shù)據(jù)通過FIR濾波后進行n 點FFT運算，得到速度值和方向信息；
[0026] (2)反復(fù)進行步驟（1)，得到m個速度值，計算這些值相互之間的差值，若差值小于 設(shè)定的閾值，則輸出多個速度值的平局值；
[0027] (3)若差值大于設(shè)定的閾值，則將所采集到的數(shù)據(jù)進行Z變換，計算Z變換輸出與 FFT輸出找出最接近的數(shù)值，作為實際速度值；
[0028] (4)將輸出的速度值和方向信息進行判斷，若超速，則觸發(fā)攝像頭進行拍照。
[0029] 經(jīng)過多次試驗比較，選擇1024點FFT，由于獲取物體運動方向信息需要ADC兩個通 道同時采集，然后比較這兩組數(shù)據(jù)的相位，因此n的值選為2048點，重復(fù)計算的次數(shù)m選為3， 上路實際測試時，測速誤差不超過1 %。
[0030]盡管本發(fā)明就優(yōu)選實施方式進行了示意和描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解， 只要不超出本發(fā)明的權(quán)利要求所限定的范圍，可以對本發(fā)明進行各種變化和修改。
【主權(quán)項】
1. 一種高精度雷達測速系統(tǒng)，其特征在于，包括:前端射頻單元和后端數(shù)字信號處理單 元;前端射頻單元包括24.15G連續(xù)波雷達天線；后端數(shù)字信號處理單元包括信號調(diào)理電路、 主控制器、5V轉(zhuǎn)3.3V電路、RS485串口通信、RS232串口通信和5V電源;5V電源分別給系統(tǒng)各 個模塊提供5V的電壓，5V轉(zhuǎn)3.3V電路將5V電源提供的電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓提供給信號調(diào)理 電路，5V電源與主控制器之間通過RS485串口通信與RS232串口通信進行通信；24.15G連續(xù) 波雷達天線連續(xù)發(fā)送24.15G正弦波信號，將反饋回來的信號進行處理，得到多普勒頻差;信 號進入后端數(shù)字信號處理單元中的信號調(diào)理電路，對信號進行濾波、放大處理，濾波、放大 后將信號送入主控制器的ADC端口；主控制器對信號進行傅里葉變換，轉(zhuǎn)化為車輛的速度和 運動方向信息，若超速則觸發(fā)拍照攝像頭。2. 如權(quán)利要求1所述的高精度雷達測速系統(tǒng)，其特征在于，信號調(diào)理電路對信號進行濾 波采用帶通濾波，帶通范圍為l〇〇Hz-18KHz，測速范圍為lkm/h-400km/h。3. 如權(quán)利要求1所述的高精度雷達測速系統(tǒng)，其特征在于，24.15G連續(xù)波雷達天線包括 振蕩器、接收天線、發(fā)射天線、第一混頻器、第二混頻器和第三混頻器;振蕩器發(fā)出一個頻率 為f tra的發(fā)射信號，其中一路經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射出去，一路分流成兩路分別進入I、Q所在通道 的第二混頻器和第三混頻器中，Q通道的信號在混頻之前還需經(jīng)90°的移相;接收天線接收 到的回波信號，經(jīng)低噪聲放大處理后，經(jīng)第一混頻器與實時分流的兩路信號進行混頻，混頻 后得到的信號再經(jīng)中頻濾波放大處理，最終得到I、Q兩路中頻信號，I、Q兩路中頻輸出信號 中均攜帶有探測目標的速度信息。4. 如權(quán)利要求3所述的高精度雷達測速系統(tǒng)，其特征在于，I、Q兩路中頻信號均包含有 一個多普勒頻差fD，多普勒頻差的計算公式彡其中，fD為多普勒頻差， f〇為雷達天線的發(fā)射頻率，V為物體的速度范圍，cO為光速;α為運動的實際方向與傳感器目 標連線之間的角度。5. 如權(quán)利要求4所述的高精度雷達測速系統(tǒng)，其特征在于，多普勒頻差經(jīng)由TLV2374運 放搭建起來的中頻放大電路，送入主控制器芯片STM32F407。6. -種高精度雷達測速方法，包括如下步驟： (1) 主控制器自帶的12位ADC采集η個時域數(shù)據(jù)，η個時域數(shù)據(jù)通過FIR濾波后進行η點 FFT運算，得到速度值和方向信息； (2) 反復(fù)進行步驟（1)，得到m個速度值，計算這些值相互之間的差值，若差值小于設(shè)定 的閾值，則輸出多個速度值的平局值； (3) 若差值大于設(shè)定的閾值，則將所采集到的數(shù)據(jù)進行Z變換，計算Z變換輸出與FFT輸 出找出最接近的數(shù)值，作為實際速度值； (4) 將輸出的速度值和方向信息進行判斷，若超速，則觸發(fā)攝像頭進行拍照。7. 如權(quán)利要求6所述的高精度雷達測速方法，其特征在于:η的值為2048，m的值為3。
【文檔編號】G01S13/58GK105891818SQ201610262101
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】陳兵兵, 張忠祥, 周元元, 范程華, 齊琦, 曹欣遠, 程亮亮, 徐炯
【申請人】合肥師范學(xué)院