CN108597234A - 一种基于高分辨率雷达的智能交通检测仪 - Google Patents

一种基于高分辨率雷达的智能交通检测仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高分辨率雷达的智能交通检测仪，包括高分辨雷达检测前端、实时成像后端和通信传输模块；高分辨率雷达检测前端包括发射链路、接收链路和频率综合单元，发射链路的信号输入端连接有DDS单元，接收链路输出接收到的回波模拟信号至数字处理单元，实时成像后端包括用于接收雷达前端信号的无线信号接收器和用于实现测距、成像操作的DSP中心处理器，DSP中心处理器的信息输入端与无线信号接收器之间连接有用于进行目标距离测量的距离测量单元，DSP中心处理器内置有用于实现目标成像的SAR成像单元；本发明能够实现高精度距离测量，能够清晰准确地进行成像控制，实现了对交通路况的实时监测，且系统结构简单功耗低。

Description

一种基于高分辨率雷达的智能交通检测仪
技术领域
本发明涉及雷达系统领域，具体为一种基于高分辨率雷达的智能交通检测仪。
背景技术
对公路上行驶车辆的监测是雷达技术在民用领域的一项重要应用。在实际的应用中，主要有单纯测速和对车辆进行综合监控两类，前者主要使用在高速公路或需要限速的城市道路，测量的结果作为处罚的依据；后者主要用于监控车辆的行进方向、速度、车长以及车辆大小等信息，此时雷达一般安装在道路的一侧实施侧视检测。
雷达安装在道路的一侧，距离地面有一定的高度，用来监测某一时刻车道内行驶车辆的信息。通常，使用基于雷达技术的车辆检测仪包括微波雷达和激光雷达。激光雷达测量精度高，但只能一次测量一辆车，而且对测量偏角要求较高，应用受到一定限制，相比而言，基于微波技术的雷达检测仪应用更为广泛。基于微波雷达技术测量车辆的速度从本质上是对车辆回波多普勒频移的测量，而多普勒频移的产生是由于车辆与雷达之间存在相对的径向运动。由于雷达位于道路的一侧，处于侧视的工作状态，雷达与车辆之间的径向运动所产生的多普勒频移很小，如果车辆的速度较慢，并且车流量比较大时，通过直接测量多普勒频移获得的车辆速度误差很大。因此，为了更好测量车辆速度等信息，需要寻求更好的方法。
例如授权公告号为207165000U的一种车辆违规逆行的交通检测系统，其包括：雷达传感器、信号处理单元、拍照机、影像处理单元、储存单元、通讯单元以及电源单元。信号处理单元包括：微控制器，电源调整器以及电磁干扰抑制器。电源调整器的输入端与电源单元连接，其输出端与微控制器连接。电磁干扰抑制器与微控制器连接。微控制器还外接人机界面，且微控制器通过通讯单元与储存单元连接。雷达传感器、拍照机、影像处理单元、电源单元均与微控制器连接。该实用新型需要通过照相机定时抓拍，需要的存储空间大、拍摄范围和距离均有限，不适用于进行交通路况的实时监测。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种基于高分辨率雷达的智能交通检测仪，能有效的解决背景技术提出的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于高分辨率雷达的智能交通检测仪，包括用于进行交通情况监测的高分辨雷达检测前端和用于显示当前交通情况的实时成像后端，所述高分辨率雷达检测前端与实时成像后端之间连接有用于实现无线信号传输的通信传输模块；
所述高分辨率雷达检测前端包括用于发射探测信号的发射链路、用于接收目标回波信号的接收链路和用于产生本振基准信号的频率综合单元，所述发射链路的信号输入端连接有用于产生线性调频信号的DDS单元，所述频率综合单元分别输出本振信号至DDS单元、接收链路，所述接收链路输出接收到的回波模拟信号至数字处理单元，所述数字处理单元用于实现对回波信号的采集、模数转换和预处理，并输出预处理信号至通信传输模块，数字处理单元的数据端还引入有DDS单元输出的发射信号；
所述数字处理单元包括采集速率可调的信号采集卡和用于进行信号预处理的嵌入式控制器，所述嵌入式控制器的GPIO端口与信号采集卡的输出端之间连接有并行模数转换器，嵌入式控制器的SPI端口连接有进行数据缓存的DDR存储器，嵌入式控制器的UART端口通过总线连接至通信传输模块的输入端；
所述实时成像后端包括用于接收雷达前端信号的无线信号接收器和用于实现测距、成像操作的DSP中心处理器，所述DSP中心处理器的信息输入端与无线信号接收器之间连接有用于进行目标距离测量的距离测量单元，DSP中心处理器内置有用于实现目标成像的SAR成像单元。
进一步地，所述通信传输模块包括用于实现数字信号与无线信号相互转换的射频信号调制解调器，所述射频信号调制解调器的输出端连接有用于发射无线射频信号的无线信号发射器，所述无线信号发射器用于输出无线信号至无线信号接收器。
进一步地，所述发射链路包括用于将DDS单元输出信号进行变频的上变频器，所述上变频器的输出端连接有用于进行信号放大的固态功率放大器，所述固态功率放大器的输出端与外接发射天线之间还连接有用于实现功率匹配的功率耦合器。
进一步地，所述接收链路包括用于放大接收天线信号的低噪声放大器，所述低噪声放大器输出放大信号至二阶带通滤波器，所述二阶带通滤波器输出滤波信号至具有增益可调功能的AGC数控衰减器。
进一步地，所述AGC数控衰减器与数字处理单元之间连接有二级放大滤波器，所述二级放大滤波器由低通滤波器串联射频放大器组成，二级放大滤波器输出纯净目标信号至射频信号调制解调器输入端。
进一步地，所述距离测量单元包括用于进行精准相位计算的测时计算芯片，所述测时计算芯片的信号输入端连接有用于进行信号正交调制的正交调制器，正交调制器的两个输入端分别引入接收信号和原始发射信号。
进一步地，所述SAR成像单元的成像算法步骤包括：
步骤101:数据预处理，将接收信号与发射信号进行混频，在不考虑幅度影响的条件下，得到回波信号的相位项，相位项中包括有方位相位因子、距离相位因子；
步骤102：数据去斜，引入剩余视频相位因子，通过RVP校正实现对信号的去斜处理，消除大时宽发射信号给成像处理带来的附加影响；
步骤103：将相位在距离域进行压缩变换后进行一次方位FFT变换，将数据从时域变换到多普勒域，并进行距离徙动校正，消除雷达运动造成的多普勒频移；
步骤104：采用距离多普勒算法处理成像，将方位相位因子进行压缩，并且对压缩后的数据进行一次方位IFFT变换，得到最终图像。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过在高分辨率雷达检测前端引入频率综合单元为发射链路和接收链路提供本振信号，信号频率大小可以根据实际需求进行精确调整，保证了雷达精度；通过在接收链路的放大滤波电路中采用具有增益可调功能的AGC数控衰减器，对接收链路的信号放大倍数进行精准控制，有效抑制噪声信号提高雷达检测灵敏度；
(2)本发明通过在实时成像后端引入距离测量单元，单独实现对目标的距离测算，在测算中采用正交调制器将回波信号进行降频，从而通过延长测量时间而提高测量精度，在提高距离测量精度的同时还扩大了测量范围；
(3)本发明通过设置SAR成像单元，采用距离多普勒算法处理成像，在对数据FFT时采用分数阶傅里叶变换提高了聚焦性，在对数据进行IFFT时线将数据进行网格投影叠加，并且采用Stolt插值扩大数据量使得图像显示更加清晰，再通过三维傅里叶逆变换得到目标的立体图，结合计算得到的距离值，实现了高分辨率雷达的交通检测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为发射链路原理图；
图3为接收链路原理图；
图4为数字处理单元原理图。
图中标号：
1-高分辨率雷达检测前端；2-实时成像后端；3-通信传输模块；
101-发射链路；102-接收链路；103-频率综合单元；104-DDS单元；105-数字处理单元；106-信号采集卡；107-嵌入式控制器；108-并行模数转换器；109-DDR存储器；110-上变频器；111-固态功率放大器；112-功率耦合器；113-低噪声放大器；114-二阶带通滤波器；115-AGC数控衰减器；116-二级放大滤波器；
201-无线信号接收器；202-DSP中心处理器；203-距离测量单元；204-SAR成像单元；205-测时计算芯片；206-正交调制器；
301-射频信号调制解调器；302-无线信号发射器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种基于高分辨率雷达的智能交通检测仪，包括用于进行交通情况监测的高分辨雷达检测前端1和用于显示当前交通情况的实时成像后端2，所述高分辨率雷达检测前端1与实时成像后端2之间连接有用于实现无线信号传输的通信传输模块3；所述高分辨率雷达检测前端1通过连接外部的发射天线和接收天线，全天候全向监测辐射覆盖范围内道路的实时车流情况，并且将接收到的监控信息进行预处理后，通过通信传输模块3以无线传输的方式传输至实时成像后端2。
进一步说明的是，所述高分辨率雷达检测前端1包括用于发射探测信号的发射链路101、用于接收目标回波信号的接收链路102和用于产生本振基准信号的频率综合单元103，所述发射链路101的信号输入端连接有用于产生线性调频信号的DDS单元104，所述频率综合单元103分别输出本振信号至DDS单元104、接收链路102，所述接收链路102输出接收到的回波模拟信号至数字处理单元105，所述数字处理单元105用于实现对回波信号的采集、模数转换和预处理，并输出预处理信号至通信传输模块3；
需要说明的是，所述频率综合单元103内采用锁相介质振荡器产生本振基准信号，输出的本振基准信号分别输入至DDS单元104和接收链路102的本振信号端，并且输出信号还通过分频器输出计时信号至数字处理单元105的时钟端，频率综合单元103产生的本振基准信号可以根据实际需求改变大小，调节精度高。
优选地是，如图2所示，所述发射链路101包括用于将DDS单元104输出信号进行变频的上变频器110，所述上变频器110的输出端连接有用于进行信号放大的固态功率放大器111，所述固态功率放大器111的输出端与外接发射天线之间还连接有用于实现功率匹配的功率耦合器112；所述DDS单元104产生频率相位幅度可编程的模拟信号，根据实际的检测需求，设计对应的线性调频信号，输出的线性调频信号经过上变频器变换到发射频段范围内，经过固态功率放大器111放大后通过功率耦合器112实现与发射天线的阻抗匹配，使得天线的发射功率最大；发射的电磁波信号遇到障碍物后返回得到回波信号。
如图3所示，所述接收链路102包括用于放大接收天线信号的低噪声放大器113，所述低噪声放大器113输出放大信号至二阶带通滤波器114，所述二阶带通滤波器114输出滤波信号至具有增益可调功能的AGC数控衰减器115；所述AGC数控衰减器115与数字处理单元105之间连接有二级放大滤波器116，所述二级放大滤波器116由低通滤波器串联射频放大器组成，二级放大滤波器116输出纯净目标信号至射频信号调制解调器301输入端。
为了尽可能地不失真地接收微弱的回波信号，采用低噪声放大器113对回波信号进行低噪声放大；然后通过二阶带通滤波器114滤除超出限定带宽的杂波，再输入至AGC数控衰减器115，采用具有精确增益调节功能的AGC数控衰减器115，可以提高雷达的动态范围，限制杂波干扰电平，实现对系统总增益的精确调节。
如图4所示，所述数字处理单元105包括采集速率可调的信号采集卡106和用于进行信号预处理的嵌入式控制器107，所述嵌入式控制器107的GPIO端口与信号采集卡106的输出端之间连接有并行模数转换器108，嵌入式控制器107的SPI端口连接有进行数据缓存的DDR存储器109，嵌入式控制器107的UART端口通过总线连接至通信传输模块3的输入端。
当接收到的信号通过前端解调处理后，由数字处理单元105完成对雷达信号的数据采集及存储，所述信号采集卡106由嵌入式控制器107控制采样速率对模拟信号进行采集，然后由并行模数转换器108同时对接收信号和发射信号进行高精度模数转换，得到的数据由嵌入式控制器107以数据包的形式暂存到DDR存储器109中，便于进行后续处理。
进一步说明的是，所述通信传输模块3包括用于实现数字信号与无线信号相互转换的射频信号调制解调器301，所述射频信号调制解调器301的输出端连接有用于发射无线射频信号的无线信号发射器302，所述无线信号发射器302用于输出无线信号至无线信号接收器201。
当高分辨雷达检测前端1将接收回波信号处理后需要传输刅实时成像后端2进行成像处理，首先嵌入式控制器107从DDR存储器109中读取数据然后送入到射频信号调制解调器301中，通过加密调制得到待发送的信号，再通过无线信号发射器302传输至实时成像后端2。
在本实施例中，所述实时成像后端2包括用于接收雷达前端信号的无线信号接收器201和用于实现测距、成像操作的DSP中心处理器202，所述DSP中心处理器202的信息输入端与无线信号接收器201之间连接有用于进行目标距离测量的距离测量单元203，DSP中心处理器202内置有用于实现目标成像的SAR成像单元204，所述无线信号接收器201接收来自各个不同检测前端的信号，解调还原成数字信号后传输至DSP中心处理器202，DSP中心处理器202调用距离测量单元203进行距离测算，调用SAR成像单元204绘制路面上的二维交通图，结合前面计算到的距离信息，合成完整的交通实时状况图。
需要说明的是，所述距离测量单元203包括用于进行精准相位计算的测时计算芯片205，所述测时计算芯片205的信号输入端连接有用于进行信号正交调制的的正交调制器206，正交调制器206的两个输入端分别引入接收信号和原始发射信号；所述正交调制器206从DSP中心处理器202中获取前端传输过来的发射信号和回波信号，将两个信号与参考信号进行正交调制，在保留相位差信息的同时降低信号频率，从而延长检测时长提高测量精度，调制后的信号输入测时计算芯片205得到收发信号的相位差，再结合相位与频率的关系得到目标距离。
所述SAR成像单元204的成像算法步骤包括：
步骤101:数据预处理，将接收信号与发射信号进行混频，在不考虑幅度影响的条件下，得到回波信号的相位项，相位项中包括有方位相位因子、距离相位因子；
步骤102：数据去斜，引入剩余视频相位因子，通过RVP校正实现对信号的去斜处理，消除大时宽发射信号给成像处理带来的附加影响；
步骤103：将相位在距离域进行压缩变换后进行一次方位FFT变换，将数据从时域变换到多普勒域，并进行距离徙动校正，消除雷达运动造成的多普勒频移；
步骤104：采用距离多普勒算法处理成像，将方位相位因子进行压缩，并且对压缩后的数据进行一次方位IFFT变换，得到最终图像。
补充说明的是，在进行雷达成像时，由于雷达发射的是线性调频信号，接收到的信号也可近似看出线性调频信号，因此处理后得到的回波信号在距离维和方向维上也都是线性调频信号，由于分数阶傅里叶变换对线性调频信号有很好的聚焦性，因此在步骤103中的FFT采用分数阶傅里叶变换。
在步骤104中的成像算法具体方法为：将成像时空域进行网格剖分，然后将压缩后的数据投影到相应网格，构建对应的匹配滤波函数对投影结果进行滤波，并且基于空间谱域进行Stolt插值，在IFFT中使用三维傅里叶逆变换的方法，得到最终的图像数据。
通过得到的目标距离值与三维图像值组合，得到高分辨率的实时交通情况图并通过后端的显示设备显示。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (7)

1.一种基于高分辨率雷达的智能交通检测仪，其特征在于：包括用于进行交通情况监测的高分辨雷达检测前端(1)和用于显示当前交通情况的实时成像后端(2)，所述高分辨率雷达检测前端(1)与实时成像后端(2)之间连接有用于实现无线信号传输的通信传输模块(3)；
所述高分辨率雷达检测前端(1)包括用于发射探测信号的发射链路(101)、用于接收目标回波信号的接收链路(102)和用于产生本振基准信号的频率综合单元(103)，所述发射链路(101)的信号输入端连接有用于产生线性调频信号的DDS单元(104)，所述频率综合单元(103)分别输出本振信号至DDS单元(104)、接收链路(102)，所述接收链路(102)输出接收到的回波模拟信号至数字处理单元(105)，所述数字处理单元(105)用于实现对回波信号的采集、模数转换和预处理，并输出预处理信号至通信传输模块(3)，数字处理单元(105)的数据端还引入有DDS单元(104)输出的发射信号；
所述数字处理单元(105)包括采集速率可调的信号采集卡(106)和用于进行信号预处理的嵌入式控制器(107)，所述嵌入式控制器(107)的GPIO端口与信号采集卡(106)的输出端之间连接有并行模数转换器(108)，嵌入式控制器(107)的SPI端口连接有进行数据缓存的DDR存储器(109)，嵌入式控制器(107)的UART端口通过总线连接至通信传输模块(3)的输入端；
所述实时成像后端(2)包括用于接收雷达前端信号的无线信号接收器(201)和用于实现测距、成像操作的DSP中心处理器(202)，所述DSP中心处理器(202)的信息输入端与无线信号接收器(201)之间连接有用于进行目标距离测量的距离测量单元(203)，DSP中心处理器(202)内置有用于实现目标成像的SAR成像单元(204)。
2.根据权利要求1所述的一种基于雷达技术的飞行器高度控制方法、及系统，其特征在于：所述通信传输模块(3)包括用于实现数字信号与无线信号相互转换的射频信号调制解调器(301)，所述射频信号调制解调器(301)的输出端连接有用于发射无线射频信号的无线信号发射器(302)，所述无线信号发射器(302)用于输出无线信号至无线信号接收器(201)。
3.根据权利要求1所述的一种基于高分辨率雷达的智能交通检测仪，其特征在于：所述发射链路(101)包括用于将DDS单元(104)输出信号进行变频的上变频器(110)，所述上变频器(110)的输出端连接有用于进行信号放大的固态功率放大器(111)，所述固态功率放大器(111)的输出端与外接发射天线之间还连接有用于实现功率匹配的功率耦合器(112)。
4.根据权利要求1所述的一种基于高分辨率雷达的智能交通检测仪，其特征在于：所述接收链路(102)包括用于放大接收天线信号的低噪声放大器(113)，所述低噪声放大器(113)输出放大信号至二阶带通滤波器(114)，所述二阶带通滤波器(114)输出滤波信号至具有增益可调功能的AGC数控衰减器(115)。
5.根据权利要求4所述的一种基于高分辨率雷达的智能交通检测仪，其特征在于：所述AGC数控衰减器(115)与数字处理单元(105)之间连接有二级放大滤波器(116)，所述二级放大滤波器(116)由低通滤波器串联射频放大器组成，二级放大滤波器(116)输出纯净目标信号至射频信号调制解调器(301)输入端。
6.根据权利要求1所述的一种基于高分辨率雷达的智能交通检测仪，其特征在于：所述距离测量单元(203)包括用于进行精准相位计算的测时计算芯片(205)，所述测时计算芯片(205)的信号输入端连接有用于进行信号正交调制的正交调制器(206)，正交调制器(206)的两个输入端分别引入接收信号和原始发射信号。
7.根据权利要求1所述的一种基于高分辨率雷达的智能交通检测仪，其特征在于：所述SAR成像单元(204)的成像算法步骤包括：
步骤101:数据预处理，将接收信号与发射信号进行混频，在不考虑幅度影响的条件下，得到回波信号的相位项，相位项中包括有方位相位因子、距离相位因子；
步骤102：数据去斜，引入剩余视频相位因子，通过RVP校正实现对信号的去斜处理，消除大时宽发射信号给成像处理带来的附加影响；
步骤103：将相位在距离域进行压缩变换后进行一次方位FFT变换，将数据从时域变换到多普勒域，并进行距离徙动校正，消除雷达运动造成的多普勒频移；
步骤104：采用距离多普勒算法处理成像，将方位相位因子进行压缩，并且对压缩后的数据进行一次方位IFFT变换，变换后的数据输出至外接显示设备得到监测到的交通状况图像。
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