CN112698332B - 一种团雾气象雷达检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用微波射频信号，全天候、全天时检测高速公路上突发团雾气象的检测系统及其检测方法，尤其涉及一种团雾气象雷达检测系统，包括天线单元、微波链路单元和基带处理单元，所述天线单元包括收发一体天线、过渡组件、正交器；所述微波链路单元包括接收发射通道模块、功放模块、频率控制模块、接收前端及环形器，所述接收发射通道模块内设置有收发一体芯片。团雾气象目标突发性强、反射率低，难以准确监测，特别是缺少全天候、全天时的检测手段。本发明，能够全天候、全天时工作，不受外部环境变化的影响，实时准确检测出雷达探测范围内的团雾目标及车辆目标，并对车辆进行速度测量，具有探测距离远、抗干扰能力强、精度高等优点。

Description

一种团雾气象雷达检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及团雾气象雷达检测技术领域，尤其涉及一种团雾气象雷达检测系统及其检测方法。

背景技术

团雾气象雷达是一种利用微波射频信号，全天候、全天时检测高速公路上突发团雾气象的雷达，目前国内外针对团雾监测主要基于能见度监测或光学传感器，主要有以下几种技术：1、透射式能见度监测技术 ，缺点：①对温度漂移或者机械位移干扰敏感，误差大；②不能监测不均匀的雾（团雾）；③分体安装、维护难度大。2、散射式能见度监测技术，缺点：①采样范围小，假定大气均匀；②受限于安装密度，不能监控团雾。3、摄像式能见度监测技术 ，缺点：①精度差；②不能全天候工作；③不能监控团雾。4、光学雷达式能见度监测技术 ，缺点：①设备售价高；②易受其他气象环境及强光干扰，不能全天候工作。5、气象监测站，缺点：①监测范围太广，由于团雾的突发性和局地性，不能准确监测团雾的覆盖区域。

综上可知，团雾气象目标突发性强、反射率低，难以准确监测，特别是缺少全天候、全天时的检测手段。

为了解决上述问题，本发明提出一种团雾气象雷达检测系统及其检测方法。

发明内容

为了实现上目的，本发明采用了如下技术方案：

一种团雾气象雷达检测系统，包括天线单元、微波链路单元和基带处理单元，天线单元包括收发一体的天线、过渡组件、正交器和负载；微波链路单元包括接收发射通道模块、功放模块、频率控制模块、接收前端及环形器，接收发射通道模块内设置有收发一体芯片，接收发射通道模块发射时产生24G线性调频脉冲信号；频率控制模块包含频率合成器、放大器，频率合成器可用于支持小数N分频频率合成，频率合成器由PFD、电荷泵及编程分频器组成，频率合成器用于控制外部VCO在频域内产生锯齿波、三角波，功放模块由均衡器、放大器、耦合器组成，功放模块用于对发射信号进行放大，并达到预设的发射功率值；接收前端包括滤波器、低噪声放大器，低噪声放大器用于提高系统的接收增益、改善接收的噪声系数、提高系统接收的灵敏度；基带处理单元包括信号采样模块、数据处理模块及数据存储模块，信号采样模块用于将接收发射通道模块送入的目标回波零差拍信号在时间上进行等间隔采样，且在幅度上进行量化，并将得到的数字差拍信号送入数据处理模块；数据处理模块用于对数字信号进行非相参积累，并提取环境背景杂波特征和建立特征模板，且通过快速傅里叶变换测量车辆目标的速度以区分团雾气象目标或车辆目标。

优选的，数据处理模块用于将团雾气象目标特征与环境背景杂波特征模板比对分析，实现对团雾气象目标检测；数据存储模块还用于对数据处理模块检测出的目标信息进行存储，并进一步的分析处理。

优选的，收发一体芯片型号为CHC2442-QPG，收发一体芯片内集成设置有VCO、TxPA、混频器、接收LNA和中频放大器。

优选的，频率合成器型号为ADF4158，频率合成器具有调制和波形产生能力。

一种团雾气象雷达检测系统的检测方法，包括如下步骤：

S1：建立环境背景杂波特征模板：团雾气象雷达工作后，首先按帧辐射线性调频脉冲信号，在没有气象和车辆目标的情况下，此时收到的回波即为环境背景杂波，由于团雾气象雷达相对环境背景位置不变，因此其环境背景杂波的散射特征具有唯一性，将收到的回波按帧进行积累，按距离门划分回波的功率谱，并对每帧得到的功率谱进行归一化处理得到环境背景杂波的散射特征模板。

S2：对团雾气象目标的检测：由于团雾气象目标散射特性不同，因此团雾气象雷达收到的回波与环境背景杂波模板出现差异，根据团雾气象目标的散射特征设置阈值：当电磁波穿过团雾气象目标时，其强度会被衰减，同时团雾气象目标也存在一定的反射。因此在按照距离门划分功率谱时，在背景杂波模板存在较强反射的距离门上由于团雾气象目标衰减，反射会减弱；同时原来反射较弱的距离门由于存在团雾气象目标反射回波，反射信号会增强，由此建立团雾气象目标检测阈值，当回波特征符合该阈值时，可检测为团雾气象目标，降雨、降雪、冰雹和其他气象目标分别对应不同的阈值。

S3：对车辆目标的检测：由于车辆是具有较高速度的强反射特征目标，其回波具有较大的多普勒频偏，并且目标存在距离变化，对回波进行傅里叶变换并进行频谱变换和分析提取目标的多普勒频偏，当目标具有较大多普勒频偏时，根据多普勒频偏计算目标速度，同时在距离门上观测是否存在运动目标，根据距离与速度的相关性检测出目标是否为车辆目标。

S4：对团雾气象目标检测的优化与信息融合：团雾气象雷达对每次检测的结果进行存储，定期人为对存储结果进行判定，对团雾目标的阈值进行优化，以提高团雾检测的正确率，团雾气象雷达将每次检测的结果通过总线传送给相邻路段安装的团雾气象雷达进行组网，通过组网后对探测信息的融合处理，提高团雾气象雷达对团雾检测的准确性和掌握团雾的出现范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、探测距离远，抗干扰能力强，不受外部环境变化的影响，能够全天候、全天时工作。

二、探测精度高，能够实时准确检测出雷达探测范围内的团雾或其他气象目标。

三、探测能力强，能检测出雷达探测范围内的气象目标及车辆目标，并对车辆进行速度测量。

四、可实现多部雷达组网，扩大探测范围，并能将检测数据进行实时交互，实现全路段气象告警。

五、功耗低、体积小、成本低、适合大范围安装推广。

附图说明

图1是本发明提出的一种团雾气象雷达检测系统中功能设计框图；

图2是本发明提出的一种团雾气象雷达检测系统中软件组成框图；

图3是本发明提出的一种团雾气象雷达检测系统中天线单元的组成原理框图；

图4是本发明提出的一种团雾气象雷达检测系统中微波链路单元的组成原理框图；

图5是本发明提出的一种团雾气象雷达检测系统中基带处理单元的组成原理框图；

图6是本发明提出的一种团雾气象雷达检测系统中软件处理流程图。

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，显然，描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。

参照图1-6，一种团雾气象雷达检测系统，包括天线单元、微波链路单元和基带处理单元，天线单元包括收发一体的天线、过渡组件、正交器和负载；微波链路单元包括接收发射通道模块、功放模块、频率控制模块、接收前端及环形器，接收发射通道模块内设置有收发一体芯片，接收发射通道模块发射时产生24G线性调频脉冲信号；频率控制模块包含频率合成器、放大器，频率合成器可用于支持小数N分频频率合成，频率合成器由PFD、电荷泵及编程分频器组成，频率合成器用于控制外部VCO在频域内产生锯齿波、三角波，功放模块由均衡器、放大器、耦合器组成，功放模块用于对发射信号进行放大，并达到预设的发射功率值；接收前端包括滤波器、低噪声放大器，低噪声放大器用于提高系统的接收增益、改善接收的噪声系数、提高系统接收的灵敏度；基带处理单元包括信号采样模块、数据处理模块及数据存储模块，信号采样模块用于将接收发射通道模块送入的目标回波零差拍信号在时间上进行等间隔采样，且在幅度上进行量化，并将得到的数字差拍信号送入数据处理模块；数据处理模块用于对数字信号进行非相参积累，并提取环境背景杂波特征和建立特征模板，且通过快速傅里叶变换测量车辆目标的速度以区分团雾气象目标或车辆目标。

其中，数据处理模块用于将团雾气象目标特征与环境背景杂波特征模板比对分析，实现对团雾气象目标检测；数据存储模块还用于对数据处理模块检测出的目标信息进行存储，并进一步的分析处理；收发一体芯片型号为CHC2442-QPG，收发一体芯片内集成设置有VCO、Tx PA、混频器、接收LNA和中频放大器；频率合成器型号为ADF4158，频率合成器具有调制和波形产生能力；

如图1所示，团雾气象雷达工作时，对外发射K波段射频信号，射频信号遇到气象目标后一部分信号衰减，一部分信号反射回来，反射信号中还包括很强的背景环境杂波信号，以及照射在路过的汽车上的反射信号，团雾气象雷达要从强烈的背景环境杂波中检测出团雾信息，并测量出汽车速度；

具体的，发射通道模块产生一个频率随时间呈三角波变化的宽带线性调频信号，线性调频信号经功分模块一分为二，直通支路经发射前端放大功率后通过收发天线辐射出去；耦合支路作为本振源与回波信号进行混频，收发天线接收到的回波信号通过低噪声放大模块放大之后，与发射信号进行混频得到零差拍信号，该信号的频率反映了目标的距离，零差拍信号送入信号处理模块，先经过A/D转换量化为数字信号，再进行频谱分析、地杂波消除、目标检测等处理，解出它的距离和宽度等参数，当这些参数超过气象告警安全门限时，气象雷达通过总线向预警监视中心报出气象危险预警；

如图2所示，其中主控与接口软件、环境背景杂波特征提取软件、团雾气象目标检测软件、车辆速度测量软件和目标检测优化与信息融合软件驻留在基带处理单元中，微波链路控制软件驻留在微波链路单元中；

具体的，如图6所示，主控与接口软件完成显控管理、总线接口管理、环境背景杂波特征提取管理、团雾气象目标检测管理、汽车速度测量管理、微波链路管理等功能；环境背景杂波特征提取软件完成环境背景杂波的散射特征提取、特征模块的建立等功能；团雾气象目标检测软件完成团雾气象目标检测、气象预警等功能；车辆速度测量软件完成汽车速度测量等功能；目标检测优化与信息融合软件完成对每次检测的结果进行存储、对存储结果进行判定，对团雾气象目标的阈值进行优化，与相邻路段安装的雷达检测信息进行融合，提高气象检测的正确率等功能；微波链路控制软件完成变频模块控制、频综控制、BIT管理等功能。

如图3所示，天线单元包括收发一体的天线、过渡组件、正交器和负载等，天线单元在发射期间，将接收发射通道模块传输来的微波高功率脉冲信号向空间辐射；在接收期间，接收气象目标、环境背景杂波、其他目标等回波，传输给接收发射通道模块进行后续处理。天线单元采用收发一体环焦天线，频率范围：K波段，极化方式：垂直极化，天线口径：1.5m*1.5m，增益：49.5dB，波束宽度：0.5°，天线尺寸：1.5m*1.5m*0.4m，天线端口形式：SMA射频连接器。

如图4所示，微波链路单元包括收发射通道模块、功放模块、频率控制模块、接收前端及环形器等。微波链路单元在发射期间，由频率控制模块控制接收发射通道模块产生线性调频脉冲信号，将线性调频脉冲信号由功放模块放大后经环形器送入天线单元；在接收期间，接收发射通道模块将从天线单元经环形器送回的目标回波信号与发射信号本振源混频放大、滤波后送入基带处理单元。

如图5所示，基带处理单元的组成原理框图，包括信号采样模块、数据处理模块及数据存储模块，其中，信号采样模块主要包括模数转换芯片（型号AD9628），AD采样率：100MHz，AD无杂散动态范围：93dBc，AD信噪比：71.2dBFS，AD分辨率：12位，数据处理模块主要包括FPGA（型号XC7Z045-2FFG900I），该芯片特点在于包含了完整的ARM 处理子系统（每一颗Zynq-7000系列的处理器都包含了2个Cortex™-A9内核)，同时集成了内存控制器和大量的外设；另外，可编程逻辑部分与ARM处理单元紧密结合，可以实现两者之间灵活的大带宽数据交互；可编程逻辑部分用于扩展子系统，有强大的可扩展能力，提供丰富的内部互联，且集成了高速的串行传输接口，丰富的IO接口；FPGA的ps端对外连接标准的千兆网,FPGA的PL端分别连接电平转换芯片输出若干离散量信号对微波链路进行控制，以及信号采样模块对中频信号进行采集处理，数据存储模块包括eMMC，用于存储用户数据；以及DDR3，用于数据缓存及程序运行。

本发明还公开了一种团雾气象雷达检测系统的检测方法，包括如下步骤：

S1：建立环境背景杂波特征模板：团雾气象雷达工作后，首先按帧辐射线性调频脉冲信号，在没有气象和车辆目标的情况下，此时收到的回波即为环境背景杂波，由于团雾气象雷达相对环境背景位置不变，因此其环境背景杂波的散射特征具有唯一性，将收到的回波按帧进行积累，按距离门划分回波的功率谱，并对每帧得到的功率谱进行归一化处理得到环境背景杂波的散射特征模板。

S2：对团雾气象目标的检测：由于团雾气象目标散射特性不同，因此团雾气象雷达收到的回波与环境背景杂波模板出现差异，根据团雾气象目标的散射特征设置阈值：当电磁波穿过团雾气象目标时，其强度会被衰减，同时团雾气象目标也存在一定的反射。因此在按照距离门划分功率谱时，在背景杂波模板存在较强反射的距离门上由于团雾气象目标衰减，反射会减弱；同时原来反射较弱的距离门由于存在团雾气象目标反射回波，反射信号会增强，由此建立团雾气象目标检测阈值，当回波特征符合该阈值时，可检测为团雾气象目标，降雨、降雪、冰雹和其他气象目标分别对应不同的阈值。

S3：对车辆目标的检测：由于车辆是具有较高速度的强反射特征目标，其回波具有较大的多普勒频偏，并且目标存在距离变化，对回波进行傅里叶变换并进行频谱变换和分析提取目标的多普勒频偏，当目标具有较大多普勒频偏时，根据多普勒频偏计算目标速度，同时在距离门上观测是否存在运动目标，根据距离与速度的相关性检测出目标是否为车辆目标。

S4：对团雾气象目标检测的优化与信息融合：团雾气象雷达对每次检测的结果进行存储，定期人为对存储结果进行判定，对团雾目标的阈值进行优化，以提高团雾检测的正确率，团雾气象雷达将每次检测的结果通过总线传送给相邻路段安装的团雾气象雷达进行组网，通过组网后对探测信息的融合处理，提高团雾气象雷达对团雾检测的准确性和掌握团雾的出现范围。

本发明中，团雾气象雷达通过对外辐射的微波射频信号进行团雾气象的检测，不受外部环境变化的影响，抗干扰能力强，能够全天候、全天时工作。雷达通过团雾气象目标的反射回波，提取出团雾气象目标特征参数，从而检测出团雾气象的存在，为安全报警提供信息，大幅减低由于团雾引发的交通事故。同时，能够对探测范围内的其他目标进行监测，如：降雨、降雪、冰雹，以及对往来车辆进行流量监控，车速测量等。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种团雾气象雷达检测系统的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：建立环境背景杂波特征模板：团雾气象雷达工作后，首先按帧辐射线性调频脉冲信号，在没有气象和车辆目标的情况下，此时收到的回波即为环境背景杂波，由于团雾气象雷达相对环境背景位置不变，因此其环境背景杂波的散射特征具有唯一性，将收到的回波按帧进行积累，按距离门划分回波的功率谱，并对每帧得到的功率谱进行归一化处理得到环境背景杂波的散射特征模板；

S2：对团雾气象目标的检测：由于团雾气象目标散射特性不同，因此团雾气象雷达收到的回波与环境背景杂波模板出现差异，根据团雾气象目标的散射特征设置阈值：当电磁波穿过团雾气象目标时，其强度会被衰减，同时团雾气象目标也存在一定的反射，因此在按照距离门划分功率谱时，在背景杂波模板存在较强反射的距离门上由于团雾气象目标衰减，反射会减弱；同时原来反射较弱的距离门存在团雾气象目标反射回波，反射信号会增强，由此建立团雾气象目标检测阈值，当回波特征符合该阈值时，检测为团雾气象目标，降雨、降雪、冰雹其他气象目标分别对应不同的阈值；

S3：对车辆目标的检测：由于车辆是具有较高速度的强反射特征目标，其回波具有较大的多普勒频偏，并且目标存在距离变化，对回波进行傅里叶变换并进行频谱变换和分析提取目标的多普勒频偏，当目标具有较大多普勒频偏时，根据多普勒频偏计算目标速度，同时在距离门上观测是否存在运动目标，根据距离与速度的相关性检测出目标是否为车辆目标；

S4：对团雾气象目标检测的优化与信息融合：团雾气象雷达对每次检测的结果进行存储，定期人为对存储结果进行判定，对团雾目标的阈值进行优化，以提高团雾检测的正确率，团雾气象雷达将每次检测的结果通过总线传送给相邻路段安装的团雾气象雷达进行组网，通过组网后对探测信息的融合处理，提高团雾气象雷达对团雾检测的准确性和掌握团雾的出现范围。

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