CN101093616A - 一种车流量检测雷达系统中压控振荡器非线性校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种车流量检测雷达系统中压控振荡器非线性校正的方法。这种方法通过车流量检测雷达收发组件获取雷达目标的回波信息，利用存储在数字信号处理器DSP中系统VCO的非线性度特征参数，在对目标信息进行提取的过程中根据一定的距离因子采用频域对消的方法消除VCO非线性所带来的影响，降低虚警概率。本发明可以在DSP中通过软件编程实现，因此无需改变硬件电路，却能从根本上避免硬件电路校正的复杂性，具有实现手段简单方便，稳定性高、移植性好易于扩展的特点。

Description

一种车流量检测雷达系统中压控振荡器非线性校正方法

技术领域

本发明提供一种车流量检测雷达系统中压控振荡器(Voltage ControlOcsillator，VCO)非线性校正方法，更确切的说提供一种可取代毫米波车流量检测雷达难于用硬件实现VCO非线性的数字信号处理方法。

背景技术

智能交通系统Intelligent Traffic system(ITS)是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术及计算机处理技术等有效的集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、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。ITS将有效地利用现有交通设施、减少交通负荷和环境污染、保证交通安全、提高运输效率、促进社会经济发展、提高人民生活质量，并以推动社会信息化及形成新产业受到各国的重视。目前已成为世界二十一世纪的交通发展方向。由于雷达工作的全天候特点，采用雷达来完成ITS系统中车流量和车速的监控是目前最好的手段。

线性调频连续波体制雷达采用回波频率差来确定探测目标的距离，Frequency Modulate Continuous Wave(FMCW)雷达核心部件VCO源的非线性必将使输出扫频非线性，从而引起探测的误差，降低车流量检测雷达系统车流量统计的精确性。现有的雷达体制多采用复杂的附加电路(锁相环或Digital Signal Processing(DSP)等反馈电路)根据VCO非线性的偏移来改变控制电压来实现非线性校正。

车流量检测雷达一般工作于毫米波等频率很高的波段，模拟或数字芯片难于工作于这些频段，即使可以实现电路也是非常复杂的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种车流量检测雷达系统中压控振荡器(VCO)非线性校正方法，它能成功克服硬件反馈回路校正的复杂性，无需增加硬件电路，实现简单、方便，移植性好，而且不需要增加额外的成本、性价比高。

本发明提供的小型毫米波雷达装置通过嵌入式芯片Advanced RISCMachine(ARM)控制整个系统的运行：在系统通电后检查各部分是否运行正常、进行雷达参数设置、车道信息传送、车道信息统计。雷达发射机通过信号发生器产生的发射信号经天线和目标的二次散射后被雷达接收机接收，雷达信号处理器进行车道路面信息的提取。

本装置的结构如图1所示，ARM控制单元实现整个系统的初始化，传送三角波参数给FPGA三角波产生单元产生一幅度、偏置和频率可调的三角波，输入到射频单元中使之产生一频率按三角波规律变化的毫米波信号，经射频单元发射出去，碰到目标并返回再由射频单元接收，混频后的信号经调谐滤波器选择合适的频段进入相应的中频处理单元，经滤波放大之后送入信号处理单元检测出汽车目标，并启动定时器中断，在一定时间内记录通过雷达覆盖区域的车辆，计算出车流量和车速等参量，并与ARM单元进行通信将统计量通过无线通信传送给交通管理部门进行智能化交通管理。信号处理器中的处理流程如图4所示，系统开机时首先对系统进行初始化，接着对系统的回波进行处理获取路面信息，整个系统的流程是通过两个定时器来进行控制系统采集路面信息回波时间及系统统计路面信息时间，在系统进行信号处理时，采用简单的FFT来实现对回波的频谱估计，在频域来实现对路面信息的提取，同时为了能进一步提高频谱纯度，采用频域消减法来校正VCO非线性带来的影响。

本发明VCO的调制波形三角波采用Direct Digital Synthesizer(DDS)直接数字合成的方法，利用可编程逻辑器件Field Programmable Gate Array(FPGA)产生线性度好，稳定，直流偏置、幅度和频率均可调的三角波。

本发明的中频电路采用通带内变增益的滤波器设计方法来提高雷达测试距离，使雷达同时作用于六个车道，其作用距离由安装位置决定，相对固定，最大作用距离为60米。

本发明的信号处理部分以TI公司的TMS320C5402的高速数字信号处理(DSP)芯片为核心，模数转换电路采用具有四个通道的转换器，利用其中一个通道来获取雷达的同步信号。

本发明车流量检测雷达的安装图如图2所示。车流量检测雷达系统中车道与雷达之间的关系通过距离反映，同时由于距离与反射回波跟发射回波的频率差成正比，本发明通过回波频率的差异来区分不同的车道。车道与雷达的距离如式(1)所示。

$l=\sqrt{h^2+{(d+\mathrm{nw})}^2}$

其中h为雷达的安装高度，d为雷达安装杆与第一个车道的距离，w为每个车道的宽度，n代表第n个车道。雷达1m对应的频率为(f)Hz，从而得到每个车道对应的频段：第n个车道对应频段为fl_n1Λfl_n2Hz，l_n1Λl_n2为根据式(1)得到的车道对应距离，对相应频段的信号进行处理就可以获得对应车道的路面信息。

本车流量检测雷达系统车道识别通过一组频段不同的滤波器组来实现，同时通过对相应频段的谱线幅度进行车辆判断统计。可以看出车流量检测雷达系统中VCO源的频率线性度将会严重影响车流量统计的精确性。如：当一辆车在行车道的左边时，由于非线性可能会使该车辆的判断为超车道的右边，这样就会使车流量的检测毫无意义。VCO非线性对回波影响的原理示意如图3所示。

设X(t)为非线性引入的频偏函数，它表示t时刻发射信号频率偏离线性的大小。回波信号是发射信号的延时如式(2)所示，其中 ${\mathrm{\τ}}_R=\frac{2R}{c}$ (R为目标距离)。

u_r(t)＝B·cos(j·2π·∫t₀(f_o+(t-τ_R)+X(t-τ_R))dt+Φ)    (2)

混频器的输出中频信号如式(3)所示。

u_IF(t)≈C·exp(j·2π·(kτ_Rt+τ_RX(t))    0＜t＜T        (3)

中频信号的频谱如式(4)所示。

其中

表示频偏X(t)功率谱密度，

表示频偏X(t)平方后的功率谱密度。公式中的第一项表示距离R处的目标回波谱，后几项则反映了频偏函数X(t)在回波谱中引起的附加调制边带，在此，定义这一附加边带为非线性边带。图3简单给出了VCO非线性的示意图，VCO线性度理想的情况下回波信号只包含处于R处目标的回波信号，图中31目标延迟时间远远小于三角波周期，回波信号由33，34处信号的频率来决定。对一个静止的目标而言，33，34处频率均为f_b。由于VCO的非线性回波信号不仅仅包含目标回波频率信号，图3的35，36处给出回波信号包含频率除了回波信号频率还包括由于VCO非线性所引起的附加调制边带。

消除VCO非线性的关键是去除由于非线性所引起的谱线。在本发明中采用自制的VCO芯片，在测试平台上测出VCO频率与控制电压之间的关系，根据VCO非线性的频域特性，从而在实时信号处理器中设计一个频域消减器来对VCO进行校正。

式(4)给出了目标所处距离与VCO非线性引起的附加调制边带的幅度关系。只有在此幅度小于路面对应车道无车辆的回波强度时此附加调制边带不会影响车流量的统计。因此本发明首先根据外场实验获得一个距离因子表，然后在信号处理频谱分析车道识别的过程中FFT变频域信号之后采用一个频域消减器根据距离因子表对由于VCO非线性所引起的频谱进行去除消减，所剩下的就是路面车道上所存在目标的频谱，从而提高车流量统计的准确性。

由此可见，本发明的一种车流量检测雷达系统中压控振荡器非线性校正方法，其特征在于：(1)将压控振荡器，在探测平台上测出工作频段上频宽范围内的随三角波控制电压的压控振荡器输出信号频率的变化；(2)依频率与电压的变化关系求得压控振荡器非线性给回波信号带来的影响，用软件采用频域对消法实现压控振荡器的非线性校正。

本发明和已有技术相比，具有十分明显的优点：

a.结构简单实现方便

b.移植性好

c.易于扩展

d.较高的性价比

●本发明的性能指标：

●工作环境：       -40℃～+80℃

●最大作用距离：   60m

●速度分辨率：     ＜5Km/h

●刷新频率：       0.5Hz

●电源：           12V单电源供电

附图说明

图1是本发明的系统原理图。

图2是本装置测定车流量和车速的安装图。

图3是车流量雷达VCO源非线性对回波造成的影响原理示意图。

图4是本装置测定车流量和车速的程序流程图。

图中各代号的意义：1：FPGA三角波产生单元、2：射频单元、3：调谐滤波器、4：中频信号处理电路、5：信号处理单元、6 ARM控制单元、7：无线通信、8：其他I/O设备、21：雷达安装高度、22：雷达安装杆与第1车道的距离、24：波束的宽度、25：照射角度

具体实施方式

本发明的具体实施方式如图1所示，ARM控制单元6实现整个系统的初始化，传送三角波参数给单元1产生一幅度、偏置和频率可调的三角波，输入到射频单元2中使之产生一频率按三角波规律变化的毫米波信号，经射频单元2发射出去，碰到目标并返回再由射频单元2接收，混频后的信号经调谐滤波器3选择合适的频段进入相应的中频处理单元4，经滤波放大之后送入信号处理单元5检测出汽车目标，并启动定时器中断，在一定时间内记录通过雷达覆盖区域的车辆，计算出车流量和车速等参量，并与ARM单元6进行通信将统计量通过无线通信7传送给交通管理部门进行智能化交通管理。信号处理器中的处理流程如图4所示，系统开机时首先对系统进行初始化，接着对系统的回波进行处理获取路面信息，整个系统的流程是通过两个定时器来进行控制系统采集路面信息回波时间及系统统计路面信息时间，在系统进行信号处理时，采用简单的FFT来实现对回波的频谱估计，在频域来实现对路面信息的提取，同时为了能进一步提高频谱纯度，采用频域消减法来校正VCO非线性带来的影响。

本发明装置在具体使用时，如图2所示，雷达波束以垂直于公路的方向发射高频电磁波，波束覆盖6个车道(本说明书以6车道为例，多车道原理相同)。雷达的安装高度21、照射角度25以及波束的宽度24经过严格的计算，保证波束的覆盖区域控制在较狭长的一个区域内，所探测的路面车道都可以被雷达波束照射到。根据安装杆与第一车道的距离，确定本装置的安装高度h、安装角度α，以保证系统工作可靠。

Claims (4)

1、一种车流量检测雷达系统中压控振荡器非线性校正方法，其特征在于：

(1)将压控振荡器，在探测平台上测出工作频段上频宽范围内的随三角波控制电压的压控振荡器输出信号频率的变化；

(2)依频率与电压的变化关系求得压控振荡器非线性给回波信号带来的影响，用软件采用频域对消法实现压控振荡器的非线性校正。

2、按权利要求1所述的一种车流量检测雷达系统中压控振荡器非线性校正方法，其特征在于具体实施方法是：ARM控制单元(6)实现整个系数的初始化，传送三角波参数给单元(1)产生一幅度、偏置和频率可调的三角波，输入到射频单元(2)中使之产生一频率按三角波规律变化的豪米波信号，经射频单元(2)发射出去，碰到目标并返回再由射频单元(2)接收，混频后的信号经调谐滤波器(3)选择合适的频段进入相应的中频处理单元(4)，经滤波放大之后送入信号处理单元(5)检测出汽车目标，并启动定时器中断，记录通过雷达覆盖区域的车辆，计算出车流量和车速参量，并与ARM单元(6)进行通信将统计量通过无线通信(7)传送给交通管理部门进行智能化交通管理。

3、按权利要求2所述的一种车流量检测雷达系统中压控振荡器非线性校正方法，其特征在于所述信号处理单元处理流程是系统开机时首先对系统进行初始化，接着对系统的回波进行处理获取路面信息，整个系统的流程是通过两个定时器来进行控制系统采集路面信息回波时间及系统统计路面信息时间，在系统进行信号处理时，采用FFT来实现对回波的频谱估计，在频域来实现对路面信息的提取，同时采用频域消减法来校正VCO的非线性。

4、按权利要求1所述的一种车流量检测雷达系统中压控振荡器非线性校正方法，其特征在于所述的车流量检测雷达系统中车道与雷达的距离关系为

$l=\sqrt{h^2+{(d+\mathrm{nw})}^2}---\left(1\right)$

其中h为雷达的安装高度，d为雷达安装杆与第一个车道的距离，w为每个车道的宽度，n代表第n个车道。雷达1m对应的频率为(f)Hz，从而得到每个车道对应的频段：第n个车道对应频段为fl_n1Λfl_n2Hz，l_n1Λl_n2为根据式(1)得到的车道对应距离，对相应频段的信号进行处理以获得对应车道的路面信息。

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