CN113064123A - 一种多目标雷达测速仪多参数检定装置及回波模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多目标雷达测速仪多参数检定装置，包括：毫米波雷达多目标模拟器、多摆臂转台、工控机。其中毫米波雷达多目标模拟器包括雷达收发模块、信号处理模块、角度控制模块等。多摆臂转台摆臂末端安装有所述雷达收发模块。多摆臂转台中心轴上方安装有被测雷达。通过工控机控制与其相连接的毫米波雷达多目标模拟器及多摆臂转台实现目标参数模拟。本装置的回波模拟方法通过对雷达收发模块接收到的雷达波频率信号进行信号处理后再发射出去，实现对多目标的速度、距离、RCS模拟；通过角度控制模块实现多目标的角度模拟。本发明能够实现多目标多参数雷达回波信号模拟，性能优异，具有模拟信号逼真、实时性强、全面性、通用性好等优点。

Description

一种多目标雷达测速仪多参数检定装置及回波模拟方法
技术领域
本发明涉及微波电子技术领域，更具体地，涉及一种多目标雷达测速仪多参数检定装置及回波模拟方法。
背景技术
机动车测速仪是交通执法中的一项重要监测仪器涉及人身安全的重要计量器具，其计量方法及检测技术的研究受到了国内计量领域的广泛关注。
依据国家市场监督管理总局2019年发布的《实施强制管理的计量器具目录》及关于发布《实施强制管理的计量器具目录适用国家计量技术规范》的通知，机动车测速仪采用P+V的监管模式，即需首先取得计量器具型式批准证书，并在使用中每年进行一次强制检定，检定合格后方能使用。同年，发布的GB/T 21255-2019《机动车测速仪》也提出了多目标测速，可见多目标雷达测速技术是未来道路超速监测系统的技术所趋之一。与现有定角式雷达测速仪相比，多目标雷达测速仪能有效监控多个车道，多个目标的速度和距离，具有显著的优势。
目前国内的计量部门和相关产品的生产企业并没有完善的多目标雷达测速仪性能的验证方法和测试装置，传统定角式雷达的计量检定装置已不能满足国内多目标测速雷达相关企业的测试需求，更不能满足多目标测速雷达相关产业的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多目标雷达测速仪多参数检定装置及回波模拟方法，通过毫米波雷达多目标模拟器模拟机动车速度、距离、角度、RCS等参数，分别用于检定多目标雷达测速仪监控的机动车车速、距离、车道、车型等信息。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的一方面提供了一种多目标雷达测速仪多参数检定装置，包括：毫米波雷达多目标模拟器、多摆臂转台和工控机。
所述毫米波雷达多目标模拟器包括雷达收发模块、信号处理模块、角度控制模块、通信控制模块、供电模块；
所述多摆臂转台的摆臂末端安装有所述雷达收发模块，所述雷达收发模块正对多摆臂转台中心轴旋转，通过雷达收发模块的天线射频前端发射和接收雷达波频率信号；
所述信号处理模块包括多普勒频率调制模块、光纤延时模块、功率衰减模块；
所述角度控制模块与工控机、多摆臂转台信号连接；
通过轴向的多个摆臂实现多个目标模拟信号；所述多摆臂转台的中心轴上方装有夹具，用于安装被测雷达；
所述通信控制模块，采用FPGA控制板卡作为核心控制器，实现对所述毫米波雷达多目标模拟器各模块的通讯控制、数据采集、处理和存储，与所述工控机连接。
进一步说，所述雷达收发模块包括多个天线射频前端，一个天线射频前端模拟一个运动目标，模拟多个运动目标的速度、距离、RCS、角度，实现多目标多参数模拟。
进一步说，所述多普勒频率调制模块实现上变频、下变频、中频处理，雷达工作频率选择24GHz、77GHz或79GHz，通过雷达工作频率混频处理，改变接收链路和发射链路的本振频率形成多普勒频移，实现模拟目标速度。
进一步说，所述光纤延时模块，由光电转换电路、光纤延时电路、电光转换电路组成，所述光纤延时电路采用可调光纤延迟线实现模拟不同距离。
进一步说，所述功率衰减模块，采用电调衰减器模拟目标RCS，与测试距离、收发天线增益有关。
进一步说，所述角度控制模块，根据工控机设定的模拟角度参数，通过摆动所述多摆臂转台的摆臂控制天线射频前端的发射和接收角度，实现多目标角度模拟。
进一步说，所述摆臂与多摆臂转台的中心轴距离为1m，摆臂旋转角度为0°～90°。
进一步说，所述被测雷达在夹具居中安装，与摆臂中心轴一致。
进一步说，所述检定装置检测时要放置于暗室中。
本发明的另一方面提供了一种多目标雷达测速仪多参数检定装置的回波模拟方法，包含以下步骤：
(1)将被测雷达测速仪安装到多摆臂转台夹具的中心位置；
(2)在工控机控制软件中设定需要的雷达目标模拟参数及系统参数；
(3)开启被测雷达测速仪；
(4)毫米波雷达目标模拟器的射频天线前端接收被测雷达测速仪发射的雷达波信号；
(5)毫米波雷达多目标模拟器接收到雷达波信号通过多普勒频率调制模块、光纤延时模块、功率衰减模块的信号处理后，再把发射射频链路中频信号上变频还原成高频雷达波信号，以实现对雷达目标速度、距离、RCS的模拟；
(6)通过角度控制模块控制多摆臂旋转角度，实现多目标多角度模拟。
与现有技术相比，本发明有显著优点：
1、本发明提供的一种多目标雷达测速仪多参数检定装置，能够同时实现模拟机动车多目标的速度、距离、角度、RCS等信息，解决了传统雷达目标模拟仅针对速度或距离的局限性。
2、本发明提供的一种多目标雷达测速仪多参数检定装置，能够同时实现多目标的机动车模拟信息，解决了传统雷达目标模拟仅针对单个目标的局限性。
3、本发明提供的一种多目标雷达测速仪多参数检定装置，能够通过控制软件对目标模拟速度、距离、角度、RCS等参数进行设定。
4、本发明提供的一种多目标雷达测速仪多参数检定装置，采用纯模拟技术对目标参数进行模拟，具有模拟信号逼真、性能优异等优点。
5、本发明提供的一种多目标雷达测速仪多参数检定装置，具有操作简单、实时性强、测量参数广泛、通用性强等优点。
附图说明
图1是本发明多目标雷达测速仪多参数检定装置示意图；
图2是本发明多目标雷达测速仪多参数检定装置毫米波雷达多目标模拟器示意框图；
图3是本发明多目标雷达测速仪多参数检定装置多摆臂转台示意图。
图中：1-夹具；2-转台；3-第一摆臂；4-第二摆臂；5-第一目标；6-第二目标。
具体实施方式
下面结合本发明实施例和附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1：
图1是本发明的多目标雷达测速仪多参数检定装置示意图。图2是本发明的毫米波雷达多目标模拟器示意框图。所述毫米波雷达多目标模拟器，可实现模拟多个运动目标速度、距离、RCS、角度，即多目标多参数模拟。如图1、图2所示，本检定装置包括：毫米波雷达多目标模拟器、多摆臂转台和工控机。毫米波雷达多目标模拟器包括：雷达收发模块、信号处理模块、角度控制模块、通信控制模块和供电模块，其中信号处理模块包括多普勒频率调制模块、光纤延时模块、功率衰减模块。可实现模拟多个运动目标速度、距离、RCS、角度，即多目标多参数模拟。
所述多摆臂转台的摆臂末端安装有所述雷达收发模块，所述雷达收发模块正对多摆臂转台中心旋转，通过雷达收发模块的天线射频前端发射雷达波频率信号和接收反射回来的雷达波频率信号；雷达信号发射与接收均通过一个射频前端实现，一个天线射频前端可实现一个目标，以此类推。
所述多摆臂转台的中心轴上方装有夹具，用于安装被测雷达。
所述角度控制模块与工控机、多摆臂转台信号连接，根据工控机控制软件系统设定的模拟角度信息，通过摆动摆臂控制射频前端的发射角度，实现多目标角度模拟。
通过轴向的多摆臂实现多目标模拟信号。
所述通信控制模块，采用FPGA控制板卡作为核心控制器，结合控制软件的参数设置对毫米波雷达多目标模拟器的各模块通讯控制，采集、处理和存储数据，与所述工控机连接。
所述供电模块，通过三品电源插座实现本模拟器各模块供电，提供其余模块(+5～+12)V电压。
所述多普勒频率调制模块，包括上变频、下变频及中频处理。本发明雷达工作频率采用24GHz、77GHz、79GHz可选，将射频接收链路的高频雷达信号下变频至中频雷达信号，中频信号再通过中频处理，改变接收链路和发射链路的本振频率形成多普勒频移。当目标为动态，且相对测试雷达具有径向速度，此时回波信号相对测试雷达发出的脉冲信号就会发生频移现象，此频率成为多普勒频率；
所述多普勒频率的计算公式为：
Figure BDA0002968238320000061
其中：
fd——多普勒频率；
λ——雷达载波信号波长；
vr——雷达的径向速度。
然后将发射链路雷达波中频信号上变频还原成高频雷达信号发射出去，实现目标速度模拟。
(1)所述光纤延时模块，由光电转换电路、光纤延时电路、电光转换电路组成。通过可调光纤延迟线将雷达频率信号经过光纤延时实现频率信号的延迟，实现模拟目标距离。在固定距离模拟时，光电/电光转换存在自身延迟。其中，接收射频链路、光电转换电路、电光转换电路、发射射频链路自身延迟固定，光纤延时电路增加可调光纤延迟线实现模拟不同距离。
(2)延时电路光电转换、电光转换自身延时以及发射/接收射频链路自身延时固定；所述光纤延时距离的计算公式为：
τsim＝τfree+τoe+τeo+τset
其中：
τsim——雷达目标模拟器模拟目标的距离；
τfree——被测雷达与雷达目标模拟器之间的距离；
τoe——接收射频链路和光电转换器自身延迟；
τeo——电光转换器和发射射频链路自身延迟；
τset——控制电路所选择的延迟距离或电调延迟部分所设置的延迟距离。
所述功率衰减模块，主要功能是模拟目标的固有属性。雷达散射截面积(RCS)，指雷达入射方向上单位立体角内返回散射功率与目标截面积的功率密度之比，表征了目标在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量。通过电调衰减器提供不同运动目标截面积功率密度，反应目标回波强度，实现模拟目标雷达散射截面积(RCS)，RCS与测试距离、收发天线增益有关。
图3是本发明的多摆臂转台示意图。如图3所示，多摆臂转台的第一摆臂3和第二摆臂4末端安装有所述雷达收发模块第二目标6和第一目标5，正对转台2中心轴旋转。摆臂长度为1m，摆臂旋转角度为0°～90°。
转台2的中心轴上方装有夹具1，用于安装被测雷达。被测雷达放于夹具1居中安装，与摆臂的中心轴一致，与雷达收发模块处于同一水平位置。工控机通过控制摆臂摆动实现第一目标5和第二目标6的角度模拟。
所述工控机，主要实现控制软件与毫米波雷达多目标模拟器、测试仪器仪表、雷达产品接口、多摆臂转台的通讯控制。显示模块用于显示参数设置界面及参数测量界面，通过控制软件对毫米波雷达多目标模拟器及多摆臂转台进行参数设置实现目标参数模拟。参数设置分为系统参数设置和雷达目标模拟参数设置，其中：系统参数设置部分主要包括中心频率、发射EIRP、暗室距离、天线增益等参数；目标模拟参数设置部分主要包括模拟目标距离、速度、RCS、角度等参数。
所述检定装置需要放置于暗室中，提供检测环境。
本发明实施例还提供了一种多目标雷达测速仪多参数检定装置的回波模拟方法，其中，所述被测雷达测速仪是被检测的多目标雷达测速仪。包含以下步骤：
(1)被测雷达测速仪安装到多摆臂转台夹具中心。
(2)在控制软件中设定需要的雷达目标模拟参数及系统参数。
(3)开启被测雷达测速仪。
(4)毫米波雷达目标模拟器射频天线前端接收被测雷达测速仪发射的雷达波信号。
(5)雷达模拟器射频天线接收雷达波信号，再由信号处理模块进行相应的变频处理，通过多普勒频率调制模块进行中心频率多普勒频移，实现雷达目标速度模拟。
(6)通过光纤延时模块增加可调光纤延迟线，实现雷达目标距离模拟。
(7)通过功率衰减模块的电调衰减器调整发射功率，实现雷达目标RCS模拟。雷达信号经过处理后，把发射射频链路中频信号上变频还原成高频雷达信号，以最终实现对雷达目标速度、距离、RCS的模拟。
(8)通过角度控制模块控制多摆臂旋转角度，实现雷达多目标角度模拟。
实施例2：
根据本发明提供的一种多目标雷达测速仪多参数检定装置和回波模拟方法，本实施例提供多目标雷达测速仪多参数检定装置的检定步骤。
(1)将多目标雷达测速仪多参数检定装置放置于暗室中。通过多目标雷达测速仪多参数检定装置的参数设置模拟机动车速度、距离、角度、RCS等参数，分别检定多目标雷达测速仪的机动车车速、距离、车道、车型等信息的监控功能。
(2)将毫米波雷达多目标模拟器的天线射频前端安装至多摆臂转台摆臂末端，毫米波雷达多目标模拟器放置于多摆臂转台一侧。
(3)以激光线为基准，将被测多目标雷达测速仪安装在多摆臂转台夹具中心，使其与毫米波雷达多目标模拟器的天线射频前端处于同一水平上。
(4)开启被测多目标雷达测速仪。
(5)在工控机控制软件中进行参数设置和雷达目标模拟参数设置，系统参数设置主要包括雷达工作频率、发射EIRP、暗室距离、天线增益等，目标模拟参数设置主要包括模拟目标距离、速度、RCS值、角度等。
(6)设置系统参数设置雷达工作频率与被测多目标雷达测速仪中心频率保持一致。
(7)参数设置完后，控制软件开启多目标雷达信号接收及发射。
(8)毫米波雷达多目标模拟器天线射频前端接收被测多目标雷达测速仪发射的雷达波信号，根据控制软件设置的参数，通过多普勒频率调制模块中的接收射频链路变频处理，将接收链路的高频雷达波信号下变频至中频信号，中频信号再通过中心频率混频处理，改变接收链路和发射链路的本振频率形成多普勒频移。再通过光电转换电路、可调光纤延时线延时、电光转换电路处理实现频率信号的延迟实现模拟目标距离。再通过电调衰减器提供不同运动目标截面积功率密度实现雷达信号功率变化，最后通过发射射频链路变频处理，将雷达波中频信号上变频还原成高频雷达信号发射出去。
(9)被测多目标雷达测速仪接收到毫米波雷达多目标模拟器处理后发射的雷达波信号，测量得到模拟目标信息。
(10)反复测量三次，取平均值，计算示值误差。
综上，本发明提供的一种多目标雷达测速仪多参数检定装置，采用纯模拟技术，能够同时实现模拟机动车多目标的速度、距离、角度、RCS等信息，解决了传统雷达目标模拟仅针对单个目标或仅针对速度、距离的局限性，目标模拟信号逼真、性能优异。本发明具有操作简单、实时性强、测量参数广泛、通用性强等优点。

Claims (10)

1.一种多目标雷达测速仪多参数检定装置，包括：毫米波雷达多目标模拟器、多摆臂转台和工控机，其特征在于：
所述毫米波雷达多目标模拟器包括雷达收发模块、信号处理模块、角度控制模块、通信控制模块、供电模块；
所述多摆臂转台的摆臂末端安装有所述雷达收发模块，所述雷达收发模块正对多摆臂转台中心轴旋转，通过雷达收发模块的天线射频前端发射和接收雷达波频率信号；
所述信号处理模块包括多普勒频率调制模块、光纤延时模块、功率衰减模块；
所述角度控制模块与工控机、多摆臂转台信号连接；通过多个摆臂实现多个目标模拟信号；
所述多摆臂转台的中心轴上方装有夹具，用于安装被测雷达；
所述通信控制模块，采用FPGA控制板卡作为核心控制器，实现对所述毫米波雷达多目标模拟器各模块的通讯控制、数据采集、处理和存储，与所述工控机连接。
2.根据权利要求1所述的一种多目标雷达测速仪多参数检定装置，其特征在于：所述雷达收发模块包括多个天线射频前端，一个天线射频前端模拟一个运动目标，模拟多个运动目标的速度、距离、RCS、角度，实现多目标多参数模拟。
3.根据权利要求1所述的一种多目标雷达测速仪多参数检定装置，其特征在于：所述多普勒频率调制模块实现上变频、中频处理、下变频，雷达工作频率选择24GHz、77GHz或79GHz，通过雷达工作频率混频处理，改变接收链路和发射链路的本振频率形成多普勒频移，实现模拟目标速度。
4.根据权利要求1所述的一种多目标雷达测速仪多参数检定装置，其特征在于：所述光纤延时模块，由光电转换器、光纤延时电路、电光转换器组成，所述光纤延时电路采用可调光纤延迟线实现模拟不同距离。
5.根据权利要求1所述的一种多目标雷达测速仪多参数检定装置，其特征在于：所述功率衰减模块，采用电调衰减器模拟目标RCS，与测试距离、收发天线增益有关。
6.根据权利要求1所述的一种多目标雷达测速仪多参数检定装置，其特征在于：所述角度控制模块，根据工控机设定的模拟角度参数，通过摆动所述多摆臂转台的摆臂控制天线射频前端的发射和接收角度，实现多目标角度模拟。
7.根据权利要求6所述的一种多目标雷达测速仪多参数检定装置，其特征在于：所述摆臂与多摆臂转台的中心轴距离为1m，摆臂旋转角度为0°~90°。
8.根据权利要求1所述的一种多目标雷达测速仪多参数检定装置，其特征在于：所述被测雷达在夹具居中安装，与摆臂中心轴一致。
9.根据权利要求1所述的一种多目标雷达测速仪多参数检定装置，其特征在于：所述检定装置检测时要放置于暗室中。
10.一种多目标雷达测速仪多参数检定装置的回波模拟方法，应用于权利要求1至9任一项所述的多目标雷达测速仪多参数检定装置中，其特征在于，包含以下步骤：
（1）将被测雷达测速仪安装到多摆臂转台夹具的中心位置；
（2）在工控机控制软件中设定需要的雷达目标模拟参数及系统参数；
（3）开启被测雷达测速仪；
（4）毫米波雷达目标模拟器的射频天线前端接收被测雷达测速仪发射的雷达波信号；
（5）毫米波雷达多目标模拟器接收到雷达波信号通过信号处理，由多普勒频率调制模块下变频处理，把接收射频链路高频雷达波信号下变频至中频信号，再通过中频处理、光纤延时、功率衰减处理后，再次由多普勒频率调制模块上变频处理，把发射射频链路中频信号上变频还原成高频雷达波信号，以实现对雷达目标速度、距离、RCS的模拟；
（6）通过角度控制模块控制多摆臂旋转角度，实现多目标多角度模拟。
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