專利名稱：一種車流量檢測雷達系統中壓控振蕩器非線性校正方法
技術領域：
本發明提供一種車流量檢測雷達系統中壓控振蕩器(Voltage ControlOcsillator，VCO)非線性校正方法，更確切的說提供一種可取代毫米波車流量檢測雷達難于用硬件實現VCO非線性的數字信號處理方法。
背景技術：
智能交通系統Intelligent Traffic system(ITS)是將先進的信息技術、數據通訊傳輸技術、電子傳感技術及計算機處理技術等有效的集成運用于整個地面交通管理系統而建立的一種在大范圍內、全方位發揮作用的，實時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統。ITS將有效地利用現有交通設施、減少交通負荷和環境污染、保證交通安全、提高運輸效率、促進社會經濟發展、提高人民生活質量，并以推動社會信息化及形成新產業受到各國的重視。目前已成為世界二十一世紀的交通發展方向。由于雷達工作的全天候特點，采用雷達來完成ITS系統中車流量和車速的監控是目前最好的手段。
線性調頻連續波體制雷達采用回波頻率差來確定探測目標的距離，Frequency Modulate Continuous Wave(FMCW)雷達核心部件VCO源的非線性必將使輸出掃頻非線性，從而引起探測的誤差，降低車流量檢測雷達系統車流量統計的精確性。現有的雷達體制多采用復雜的附加電路(鎖相環或Digital Signal Processing(DSP)等反饋電路)根據VCO非線性的偏移來改變控制電壓來實現非線性校正。
車流量檢測雷達一般工作于毫米波等頻率很高的波段，模擬或數字芯片難于工作于這些頻段，即使可以實現電路也是非常復雜的。
發明內容
本發明的目的在于提供一種車流量檢測雷達系統中壓控振蕩器(VCO)非線性校正方法，它能成功克服硬件反饋回路校正的復雜性，無需增加硬件電路，實現簡單、方便，移植性好，而且不需要增加額外的成本、性價比高。
本發明提供的小型毫米波雷達裝置通過嵌入式芯片Advanced RISCMachine(ARM)控制整個系統的運行在系統通電后檢查各部分是否運行正常、進行雷達參數設置、車道信息傳送、車道信息統計。雷達發射機通過信號發生器產生的發射信號經天線和目標的二次散射后被雷達接收機接收，雷達信號處理器進行車道路面信息的提取。
本裝置的結構如圖1所示，ARM控制單元實現整個系統的初始化，傳送三角波參數給FPGA三角波產生單元產生一幅度、偏置和頻率可調的三角波，輸入到射頻單元中使之產生一頻率按三角波規律變化的毫米波信號，經射頻單元發射出去，碰到目標并返回再由射頻單元接收，混頻后的信號經調諧濾波器選擇合適的頻段進入相應的中頻處理單元，經濾波放大之后送入信號處理單元檢測出汽車目標，并啟動定時器中斷，在一定時間內記錄通過雷達覆蓋區域的車輛，計算出車流量和車速等參量，并與ARM單元進行通信將統計量通過無線通信傳送給交通管理部門進行智能化交通管理。信號處理器中的處理流程如圖4所示，系統開機時首先對系統進行初始化，接著對系統的回波進行處理獲取路面信息，整個系統的流程是通過兩個定時器來進行控制系統采集路面信息回波時間及系統統計路面信息時間，在系統進行信號處理時，采用簡單的FFT來實現對回波的頻譜估計，在頻域來實現對路面信息的提取，同時為了能進一步提高頻譜純度，采用頻域消減法來校正VCO非線性帶來的影響。
本發明VCO的調制波形三角波采用Direct Digital Synthesizer(DDS)直接數字合成的方法，利用可編程邏輯器件Field Programmable Gate Array(FPGA)產生線性度好，穩定，直流偏置、幅度和頻率均可調的三角波。
本發明的中頻電路采用通帶內變增益的濾波器設計方法來提高雷達測試距離，使雷達同時作用于六個車道，其作用距離由安裝位置決定，相對固定，最大作用距離為60米。
本發明的信號處理部分以TI公司的TMS320C5402的高速數字信號處理(DSP)芯片為核心，模數轉換電路采用具有四個通道的轉換器，利用其中一個通道來獲取雷達的同步信號。
本發明車流量檢測雷達的安裝圖如圖2所示。車流量檢測雷達系統中車道與雷達之間的關系通過距離反映，同時由于距離與反射回波跟發射回波的頻率差成正比，本發明通過回波頻率的差異來區分不同的車道。車道與雷達的距離如式(1)所示。
l=h2+(d+nw)2]]>其中h為雷達的安裝高度，d為雷達安裝桿與第一個車道的距離，w為每個車道的寬度，n代表第n個車道。雷達1m對應的頻率為(f)Hz，從而得到每個車道對應的頻段第n個車道對應頻段為fln1Λfln2Hz，ln1Λln2為根據式(1)得到的車道對應距離，對相應頻段的信號進行處理就可以獲得對應車道的路面信息。
本車流量檢測雷達系統車道識別通過一組頻段不同的濾波器組來實現，同時通過對相應頻段的譜線幅度進行車輛判斷統計。可以看出車流量檢測雷達系統中VCO源的頻率線性度將會嚴重影響車流量統計的精確性。如當一輛車在行車道的左邊時，由于非線性可能會使該車輛的判斷為超車道的右邊，這樣就會使車流量的檢測毫無意義。VCO非線性對回波影響的原理示意如圖3所示。
設X(t)為非線性引入的頻偏函數，它表示t時刻發射信號頻率偏離線性的大小。回波信號是發射信號的延時如式(2)所示，其中τR=2Rc]]>(R為目標距離)。
ur(t)＝B·cos(j·2π·∫t0(fo+(t-τR)+X(t-τR))dt+Φ)(2)混頻器的輸出中頻信號如式(3)所示。
uIF(t)≈C·exp(j·2π·(kτRt+τRX(t))0＜t＜T(3)
中頻信號的頻譜如式(4)所示。
其中 表示頻偏X(t)功率譜密度， 表示頻偏X(t)平方后的功率譜密度。公式中的第一項表示距離R處的目標回波譜，后幾項則反映了頻偏函數X(t)在回波譜中引起的附加調制邊帶，在此，定義這一附加邊帶為非線性邊帶。圖3簡單給出了VCO非線性的示意圖，VCO線性度理想的情況下回波信號只包含處于R處目標的回波信號，圖中31目標延遲時間遠遠小于三角波周期，回波信號由33，34處信號的頻率來決定。對一個靜止的目標而言，33，34處頻率均為fb。由于VCO的非線性回波信號不僅僅包含目標回波頻率信號，圖3的35，36處給出回波信號包含頻率除了回波信號頻率還包括由于VCO非線性所引起的附加調制邊帶。
消除VCO非線性的關鍵是去除由于非線性所引起的譜線。在本發明中采用自制的VCO芯片，在測試平臺上測出VCO頻率與控制電壓之間的關系，根據VCO非線性的頻域特性，從而在實時信號處理器中設計一個頻域消減器來對VCO進行校正。
式(4)給出了目標所處距離與VCO非線性引起的附加調制邊帶的幅度關系。只有在此幅度小于路面對應車道無車輛的回波強度時此附加調制邊帶不會影響車流量的統計。因此本發明首先根據外場實驗獲得一個距離因子表，然后在信號處理頻譜分析車道識別的過程中FFT變頻域信號之后采用一個頻域消減器根據距離因子表對由于VCO非線性所引起的頻譜進行去除消減，所剩下的就是路面車道上所存在目標的頻譜，從而提高車流量統計的準確性。
由此可見，本發明的一種車流量檢測雷達系統中壓控振蕩器非線性校正方法，其特征在于(1)將壓控振蕩器，在探測平臺上測出工作頻段上頻寬范圍內的隨三角波控制電壓的壓控振蕩器輸出信號頻率的變化；(2)依頻率與電壓的變化關系求得壓控振蕩器非線性給回波信號帶來的影響，用軟件采用頻域對消法實現壓控振蕩器的非線性校正。
本發明和已有技術相比，具有十分明顯的優點a.結構簡單實現方便b.移植性好c.易于擴展d.較高的性價比●本發明的性能指標●工作環境 -40℃～+80℃●最大作用距離 60m●速度分辨率 ＜5Km/h●刷新頻率 0.5Hz●電源 12V單電源供電
圖1是本發明的系統原理圖。
圖2是本裝置測定車流量和車速的安裝圖。
圖3是車流量雷達VCO源非線性對回波造成的影響原理示意圖。
圖4是本裝置測定車流量和車速的程序流程圖。
圖中各代號的意義1FPGA三角波產生單元、2射頻單元、3調諧濾波器、4中頻信號處理電路、5信號處理單元、6 ARM控制單元、7無線通信、8其他I/O設備、21雷達安裝高度、22雷達安裝桿與第1車道的距離、24波束的寬度、25照射角度具體實施方式
本發明的具體實施方式
如圖1所示，ARM控制單元6實現整個系統的初始化，傳送三角波參數給單元1產生一幅度、偏置和頻率可調的三角波，輸入到射頻單元2中使之產生一頻率按三角波規律變化的毫米波信號，經射頻單元2發射出去，碰到目標并返回再由射頻單元2接收，混頻后的信號經調諧濾波器3選擇合適的頻段進入相應的中頻處理單元4，經濾波放大之后送入信號處理單元5檢測出汽車目標，并啟動定時器中斷，在一定時間內記錄通過雷達覆蓋區域的車輛，計算出車流量和車速等參量，并與ARM單元6進行通信將統計量通過無線通信7傳送給交通管理部門進行智能化交通管理。信號處理器中的處理流程如圖4所示，系統開機時首先對系統進行初始化，接著對系統的回波進行處理獲取路面信息，整個系統的流程是通過兩個定時器來進行控制系統采集路面信息回波時間及系統統計路面信息時間，在系統進行信號處理時，采用簡單的FFT來實現對回波的頻譜估計，在頻域來實現對路面信息的提取，同時為了能進一步提高頻譜純度，采用頻域消減法來校正VCO非線性帶來的影響。
本發明裝置在具體使用時，如圖2所示，雷達波束以垂直于公路的方向發射高頻電磁波，波束覆蓋6個車道(本說明書以6車道為例，多車道原理相同)。雷達的安裝高度21、照射角度25以及波束的寬度24經過嚴格的計算，保證波束的覆蓋區域控制在較狹長的一個區域內，所探測的路面車道都可以被雷達波束照射到。根據安裝桿與第一車道的距離，確定本裝置的安裝高度h、安裝角度α，以保證系統工作可靠。
權利要求
1.一種車流量檢測雷達系統中壓控振蕩器非線性校正方法，其特征在于(1)將壓控振蕩器，在探測平臺上測出工作頻段上頻寬范圍內的隨三角波控制電壓的壓控振蕩器輸出信號頻率的變化；(2)依頻率與電壓的變化關系求得壓控振蕩器非線性給回波信號帶來的影響，用軟件采用頻域對消法實現壓控振蕩器的非線性校正。
2.按權利要求1所述的一種車流量檢測雷達系統中壓控振蕩器非線性校正方法，其特征在于具體實施方法是ARM控制單元(6)實現整個系數的初始化，傳送三角波參數給單元(1)產生一幅度、偏置和頻率可調的三角波，輸入到射頻單元(2)中使之產生一頻率按三角波規律變化的豪米波信號，經射頻單元(2)發射出去，碰到目標并返回再由射頻單元(2)接收，混頻后的信號經調諧濾波器(3)選擇合適的頻段進入相應的中頻處理單元(4)，經濾波放大之后送入信號處理單元(5)檢測出汽車目標，并啟動定時器中斷，記錄通過雷達覆蓋區域的車輛，計算出車流量和車速參量，并與ARM單元(6)進行通信將統計量通過無線通信(7)傳送給交通管理部門進行智能化交通管理。
3.按權利要求2所述的一種車流量檢測雷達系統中壓控振蕩器非線性校正方法，其特征在于所述信號處理單元處理流程是系統開機時首先對系統進行初始化，接著對系統的回波進行處理獲取路面信息，整個系統的流程是通過兩個定時器來進行控制系統采集路面信息回波時間及系統統計路面信息時間，在系統進行信號處理時，采用FFT來實現對回波的頻譜估計，在頻域來實現對路面信息的提取，同時采用頻域消減法來校正VCO的非線性。
4.按權利要求1所述的一種車流量檢測雷達系統中壓控振蕩器非線性校正方法，其特征在于所述的車流量檢測雷達系統中車道與雷達的距離關系為l=h2+(d+nw)2---(1)]]>其中h為雷達的安裝高度，d為雷達安裝桿與第一個車道的距離，w為每個車道的寬度，n代表第n個車道。雷達1m對應的頻率為(f)Hz，從而得到每個車道對應的頻段第n個車道對應頻段為fln1Λfln2Hz，ln1Λln2為根據式(1)得到的車道對應距離，對相應頻段的信號進行處理以獲得對應車道的路面信息。
全文摘要
本發明提供了一種車流量檢測雷達系統中壓控振蕩器非線性校正的方法。這種方法通過車流量檢測雷達收發組件獲取雷達目標的回波信息，利用存儲在數字信號處理器DSP中系統VCO的非線性度特征參數，在對目標信息進行提取的過程中根據一定的距離因子采用頻域對消的方法消除VCO非線性所帶來的影響，降低虛警概率。本發明可以在DSP中通過軟件編程實現，因此無需改變硬件電路，卻能從根本上避免硬件電路校正的復雜性，具有實現手段簡單方便，穩定性高、移植性好易于擴展的特點。
文檔編號G01S7/03GK101093616SQ200610028108
公開日2007年12月26日 申請日期2006年6月23日 優先權日2006年6月23日
發明者孫曉瑋, 蔣鐵珍 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所
專業數控銑床產品供應商
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