CN105319546A - 多目标雷达及其所采用的数字信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属道路车辆信息检测领域，尤其涉及一种多目标雷达及其所采用的数字信号处理方法，包括数据存储处理和控制模块、调制控制模块、压控振荡器、混频器、放大滤波解调模块、数\模转换模块、发射天线及接收天线；数据存储处理和控制模块的信号传输端口分别与调制控制模块及放大滤波解调模块的信号传输端口相接；调制控制模块的信号传输端口经压控振荡器与发射天线相接；压控振荡器的信号传输端口经混频器与放大滤波解调模块的信号传输端口相接；放大滤波解调模块的信号传输端口经数\模转换模块与数据存储处理和控制模块的信号传输端口相接；接收天线接混频器的信号传输端口。本发明目标定位准确、可同时监控多条车道。

Description

多目标雷达及其所采用的数字信号处理方法

技术领域

本发明属道路车辆信息检测领域，尤其涉及一种多目标雷达及其所采用的数字信号处理方法。

背景技术

近年来，随着国家经济的快速发展，特别是国家政策对汽车行业发展的扶持，汽车保有辆急剧增加，但是交通基础设施建设跟不上，进一步加剧供需矛盾，由此引发的交通拥堵，交通事故的上升，交通环境的恶化等一系例问题，严重影响了城市的发展。

交通卡口是借助现代电子科技手段，对道路上车辆的各种交通违法行为进行拍摄、处理的一整套执法取证系统，也用于为公安机关提供盗抢车辆、套牌车辆、肇事逃逸车辆等信息。交通卡口主要包括测速及触发装置、图像采集设备、传输网络系统和终端管理系统。测速及触发装置为现有卡口关键组成部分，常用技术手段有地感线圈、视频和雷达三种。

交通卡口车辆信息的检测为交通系统提供了车辆行驶时的、车速、行驶方向、车长等数据，以保障交通系统运行的正常。传统的卡口雷达属于窄波束定角雷达，依靠高指向性的波束定位车辆，检测车辆速度，每只雷达只能监控一条车道。传统的卡口雷达由于其信号处理方法的限制，无法区分多目标信息，每次只能跟踪一个目标。传统的卡口雷达存在定位不准确、多车道路况需要每条车道安装一只雷达等问题。

发明内容

本发明旨在克服现有传统卡口雷达的不足之处而提供一种目标定位准确、可同时监控多条车道的多目标雷达。

本发明还提供一种与上述雷达配套的数字信号处理方法。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种多目标雷达，它包括数据存储处理和控制模块、调制控制模块、压控振荡器、混频器、放大滤波解调模块、数\模转换模块、发射天线及接收天线；所述数据存储处理和控制模块的信号传输端口分别与调制控制模块及放大滤波解调模块的信号传输端口相接；所述调制控制模块的信号传输端口经压控振荡器与发射天线的信号传输端口相接；所述压控振荡器的信号传输端口经混频器与放大滤波解调模块的信号传输端口相接；所述放大滤波解调模块的信号传输端口经数\模转换模块与数据存储处理和控制模块的信号传输端口相接；所述接收天线的信号传输端口接混频器的信号传输端口。

上述多目标雷达所采用的数字信号处理方法，可按如下步骤依次实施：

(1)在射频收发电路的VCO输入端输入一个三角波调制信号；

(2)射频收发电路发射调制过的射频信号；

(3)射频收发电路接收目标车辆反射的射频信号；

(4)接收信号LNA对收到的车辆反射信号进行放大；

(5)正交混频及下变频环行器将收到的信号与发射信号混频，得到0中频差频信号；

(4)0中频放大器对中频信号进行放大；

(5)放大后的信号传送至后端数字信号处理电路，经ADC及后端信号处理后得到目标车辆速度、角度、距离信息。

进一步地，本发明所述步骤(5)中，目标车辆速度、角度、距离信息通过RS232或RS485模块输出到外部设备。

进一步地，本发明所述步骤(5)中，依据信号I/Q通道的相位差判定目标车辆驶近、驶离信息。

进一步地，本发明所述步骤(5)中，依据两路接收天线的信号相位差计算出目标车辆的角度信息。

进一步地，本发明所述步骤(5)中，依据接收信号的多普勒频移计算出目标车辆的速度信息和距离信息。

进一步地，本发明所述步骤(5)中，依据雷达与路面角度及雷达相对于路面的安装高度信息，进行座标系变换，计算出目标车辆在坐标系的XYZ座标。

进一步地，本发明所述步骤(1)中，射频信号的信号调制频率为1KHz。

进一步地，本发明所述步骤(7)中，将放大滤波后的信号经AD转换后送入DSP处理装置，并对调制信号上升沿和下降沿采样数据分别进行FFT变换，得到FFT信号频谱峰值,计算出差频信号频率f_{diff_up}及f_{diff_down},即可分析得到目标车辆的距离信息和瞬时速度信息；其中，动态目标车辆的距离R、瞬时速度v与信号差频f_{diff_up}、f_{diff_down}的关系满足：

$v=\frac{c_0\×(f_{\mathrm{diff}\_\mathrm{up}}+f_{\mathrm{diff}\_\mathrm{down}})}{4\×\mathrm{\Δf}}---\left(1\right)$

$R=\frac{|f_{\mathrm{diff}\_\mathrm{up}}-f_{\mathrm{diff}\_\mathrm{down}}|\×c_0\×T}{4\×\mathrm{\Δf}}---\left(2\right)$

式中，C₀＝光速，△f＝信号调制频宽，T＝信号调制周期。

进一步地，本发明所述步骤(7)中，两路接收天线的信号相位差由FFT相位普相减直接计算出来，相位差φ与目标车辆角度θ的关系如下面公式：

D为两条接收天线之间保持的距离。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

(1)本发明解决了传统的卡口雷达只能监控一条车道的问题，在雷达波束覆盖范围内，一只雷达可以监控3条车道。

(2)本发明解决了传统的卡口雷达无法区分多目标信息，每次只能跟踪一个目标的差距题，一个雷达可以同时跟踪不超过16个目标车辆。

(3)本发明解决了传统的卡口雷达存在定位不准确的问题，雷达实时跟踪目标座标，在适合的位置进行触发，触发精度不大于1米。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。

图1为本发明电路原理框图；

图2为本发明射频收发单元原理框图；

图3为本发明射频前端收发信号波形；

图4为发射-接收信号频率变化示意图；

图5为测角示意图；

图6为本发明的道路安装示意图。

具体实施方式

如图1及图2所示，多目标雷达，它包括数据存储处理和控制模块、调制控制模块、压控振荡器、混频器、放大滤波解调模块、数\模转换模块、发射天线及接收天线；所述数据存储处理和控制模块的信号传输端口分别与调制控制模块及放大滤波解调模块的信号传输端口相接；所述调制控制模块的信号传输端口经压控振荡器与发射天线的信号传输端口相接；所述压控振荡器的信号传输端口经混频器与放大滤波解调模块的信号传输端口相接；所述放大滤波解调模块的信号传输端口经数\模转换模块与数据存储处理和控制模块的信号传输端口相接；所述接收天线的信号传输端口接混频器的信号传输端口。

参见图2所示，本发明包括前端射频收发电路和后端数字信号处理电路；所述前端射频收发电路包括压控振荡器、一发双收微带天线、接收信号LNA、正交混频及下变频环行器、0中频放大器等；所述后端数字信号处理电路包括电源、信号处理器(内建浮点数字信号处理器、ADC、DAC等)、通信接口电路。

上述多目标雷达所采用的数字信号处理方法，可按如下步骤依次实施：

(1)在射频收发电路的VCO输入端输入一个三角波调制信号；

(2)射频收发电路发射调制过的射频信号；

(3)射频收发电路接收目标车辆反射的射频信号；

(4)接收信号LNA对收到的车辆反射信号进行放大；

(5)正交混频及下变频环行器将收到的信号与发射信号混频，得到0中频差频信号；

(4)0中频放大器对中频信号进行放大；

(5)放大后的信号传送至后端数字信号处理电路，经ADC及后端信号处理后得到目标车辆速度、角度、距离信息。

本发明所述步骤(5)中，目标车辆速度、角度、距离信息通过RS232或RS485模块输出到外部设备。

本发明所述步骤(5)中，依据信号I/Q通道的相位差判定目标车辆驶近、驶离信息。

本发明所述步骤(5)中，依据两路接收天线的信号相位差计算出目标车辆的角度信息。

本发明所述步骤(5)中，依据接收信号的多普勒频移计算出目标车辆的速度信息和距离信息。

本发明所述步骤(5)中，依据雷达与路面角度及雷达相对于路面的安装高度信息，进行座标系变换，计算出目标车辆在坐标系的XYZ座标。

本发明所述步骤(1)中，射频信号的信号调制频率为1KHz。

本发明所述步骤(7)中，将放大滤波后的信号经AD转换后送入DSP处理装置，并对调制信号上升沿和下降沿采样数据分别进行FFT变换，得到FFT信号频谱峰值,计算出差频信号频率f_{diff_up}及f_{diff_down},即可分析得到目标车辆的距离信息和瞬时速度信息；其中，动态目标车辆的距离R、瞬时速度v与信号差频f_{diff_up}、f_{diff_down}的关系满足：

$v=\frac{c_0\×(f_{\mathrm{diff}\_\mathrm{up}}+f_{\mathrm{diff}\_\mathrm{down}})}{4\×\mathrm{\Δf}}---\left(1\right)$

$R=\frac{|f_{\mathrm{diff}\_\mathrm{up}}-f_{\mathrm{diff}\_\mathrm{down}}|\×c_0\×T}{4\×\mathrm{\Δf}}---\left(2\right)$

式中，C₀＝光速，△f＝信号调制频宽，T＝信号调制周期。

本发明所述步骤(7)中，两路接收天线的信号相位差由FFT相位普相减直接计算出来，相位差φ与目标车辆角度θ的关系如下面公式：

D为两条接收天线之间保持的距离。

具体信号处理方法

(1)设置调制信号

同时探测目标的速度、距离和角度信息时，调制信号采用三角波信号(参见图3)。由于同时存在时间延迟效应和多普勒频移效应，因此选用一个三角函数(具有升坡曲线和降坡曲线)来满足此时问题的复杂性。

调制频率：调制信号频率理论上最大不能超过150kHz，本多目标雷达选用1KHz的信号调制频率。

(2)接收信号处理

将滤波后的信号经AD转换后送入DSP处理装置，并对调制信号上升沿(up)和下降沿(down)采样数据分别进行FFT变换，得到FFT信号频谱峰值,计算出差频信号频率f_{diff_up}、f_{diff_down}(图4),即可分析得到目标的距离信息和瞬时速度信息。其中，动态目标距离信息是由多普勒效应和时间延迟效应叠加来反映的。动态目标的距离R、瞬时速度v与信号差频f_{diff_up}、f_{diff_down}的关系如下面公式：

$v=\frac{c_0\×(f_{\mathrm{diff}\_\mathrm{up}}+f_{\mathrm{diff}\_\mathrm{down}})}{4\×\mathrm{\Δf}}---\left(1\right)$

$R=\frac{|f_{\mathrm{diff}\_\mathrm{up}}-f_{\mathrm{diff}\_\mathrm{down}}|\×c_0\×T}{4\×\mathrm{\Δf}}---\left(2\right)$

式中，C₀＝光速，△f＝信号调制频宽，T＝信号调制周期，对于一个选定的调制信号，以上变量都是已知量，可直接代入公式。再代入f_{diff_up}、f_{diff_down}即可求出速度v和距离R。

本发明的卡口雷达采用1发2收的结构，两条接收天线之间保持一定的距离d，使接收到的两路信号会由于角度的不同而产生相位差Φ(图5)。在信号处理中，相位差可由FFT相位普相减直接计算出来，相位差Φ与角度θ的关系如下面公式：

依据公式(1)(2)(3)求得的速度v，距离R，角度θ，可直接得出目标的极座标位置，再经由标准的极角座标变换公式，即可求出目标的XYZ座标。

X＝R×cosθ

Y＝R×sinθ

由于雷达中心法线与目标运动方向处于同一平面，因此Z座标为零。

Z＝0

至此为止，目标的位置及速度信息已经全部计算出来，通过RS232和RS485总线发送到外部设备，进行图像取证处理。图像取证处理的相关内容不包含在本专利之中。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多目标雷达，其特征在于，包括数据存储处理和控制模块、调制控制模块、压控振荡器、混频器、放大滤波解调模块、数\模转换模块、发射天线及接收天线；所述数据存储处理和控制模块的信号传输端口分别与调制控制模块及放大滤波解调模块的信号传输端口相接；所述调制控制模块的信号传输端口经压控振荡器与发射天线的信号传输端口相接；所述压控振荡器的信号传输端口经混频器与放大滤波解调模块的信号传输端口相接；所述放大滤波解调模块的信号传输端口经数\模转换模块与数据存储处理和控制模块的信号传输端口相接；所述接收天线的信号传输端口接混频器的信号传输端口。

2.根根据权利要求1所述多目标雷达所采用的数字信号处理方法，其特征在于：按如下步骤依次实施：

(1)在射频收发电路的VCO输入端输入一个三角波调制信号；

(2)射频收发电路发射调制过的射频信号；

(3)射频收发电路接收目标车辆反射的射频信号；

(4)接收信号LNA对收到的车辆反射信号进行放大；

(5)正交混频及下变频环行器将收到的信号与发射信号混频，得到0中频差频信号；

(6)0中频放大器对中频信号进行放大；

(7)放大后的信号传送至后端数字信号处理电路，经ADC及后端信号处理后得到目标车辆速度、角度、距离信息。

3.根据权利要求2所述多目标雷达所采用的数字信号处理方法，其特征在于：所述步骤(7)中，目标车辆速度、角度、距离信息通过RS232或RS485模块输出到外部设备。

4.根据权利要求3所述多目标雷达所采用的数字信号处理方法，其特征在于：所述步骤(7)中，依据信号I/Q通道的相位差判定目标车辆驶近、驶离信息。

5.根据权利要求4所述多目标雷达所采用的数字信号处理方法，其特征在于：所述步骤(7)中，依据两路接收天线的信号相位差计算出目标车辆的角度信息。

6.根据权利要求5所述多目标雷达所采用的数字信号处理方法，其特征在于：所述步骤(7)中，依据接收信号的多普勒频移计算出目标车辆的速度信息和距离信息。

7.根据权利要求6所述多目标雷达所采用的数字信号处理方法，其特征在于：所述步骤(7)中，依据雷达与路面角度及雷达相对于路面的安装高度信息，进行座标系变换，计算出目标车辆在坐标系的XYZ座标。

8.根据权利要求7所述多目标雷达所采用的数字信号处理方法，其特征在于：所述步骤(1)中，射频信号的信号调制频率为1KHz。

9.根据权利要求8所述多目标雷达所采用的数字信号处理方法，其特征在于：所述步骤(7)中，将放大滤波后的信号经AD转换后送入DSP处理装置，并对调制信号上升沿和下降沿采样数据分别进行FFT变换，得到FFT信号频谱峰值,计算出差频信号频率f_{diff_up}及f_{diff_down},即可分析得到目标车辆的距离信息和瞬时速度信息；其中，动态目标车辆的距离R、瞬时速度v与信号差频f_{diff_up}、f_{diff_down}的关系满足：

$v=\frac{c_0\×(f_{\mathrm{diff}\_\mathrm{up}}+f_{\mathrm{dif}\_\mathrm{down}})}{4\×\mathrm{\Δf}}---\left(1\right)$

$R=\frac{|f_{\mathrm{diff}\_\mathrm{up}}-f_{\mathrm{diff}\_\mathrm{down}}|{\×c}_0\×T}{4\×\mathrm{\Δf}}---\left(2\right)$

式中，C₀＝光速，△f＝信号调制频宽，T＝信号调制周期。

10.根据权利要求5所述多目标雷达所采用的数字信号处理方法，其特征在于：所述步骤(7)中，两路接收天线的信号相位差由FFT相位普相减直接计算出来，相位差φ与目标车辆角度θ的关系如下面公式：

D为两条接收天线之间保持的距离。