智能化交通信息测量雷达的波形设计及实现

   为满足智能化交通发展的需,分析并设计实现了一种新的多功能交通信息测量雷达的辐射波形。首先简介绍了测量雷达的功能需求,并以功能需求为出发点展开 分析,得出实现这些功能所需的雷达波形;其次,以先进的DDS、PLL、微波倍频和滤波等技术为基础,详细阐述了测量雷达的波形产生方法,并给出了波形产 生的软、硬件原理;最后,给出了实测结果,验证了实现方法的准确性。
关键词 波形合成; 智能交通系统; 直接数字频率合成器; 测量雷达
中图分类号 TN959?34 文献标识码 A 文章编号 1004?373X(2013)13?0147?03
Waveform design and realization of instrumentation radar
for intelligent traffic information
L? Bo1, ZHOU Chang?you2, ZHANG Hong?wei1
(1. Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China; 2. Unit 75124 of PLA, Fusui 532199, China )
Abstract In order to meet the needs of intelligent traffic development, a new waveform of multifunctional traffic information instrumentation radar was designed. The functional requirements of the instrumentation radar are introduced in brief. With an eye to these functional requirements, the needed radar waveform was educed from a theory analysis. Based on the advanced DDS, PLL, microwave frequency multiplication and filtering technique, the waveform generating method of this radar is elaborated in detail. The principle diagrams of its software and hardware are offered. The tested results is given. The accuracy of this method was verified.
Keywords waveform synthesis; ITS; DDS; instrumentation radar
0 引 言
交通信息检测是智能交通系统中的重环节,其主任务是获取道路上车辆的状况,这些信息主包括车流量、平均车速、车道占有率、车型等。交通 信息的实时准确获取是整个智能交通系统的基础,现有的交通信息探测技术手段主有环形线圈检测、红外线检测、视频检测、超声波检测、微波检测等。其中,环 形线圈检测精度高、使用范围广,但是安装维修时需封闭部分路段并对道路进行破坏,时间和经济成本较高;红外和视频检测器受气候因素影响很大,晚上、大灰尘 和阴雨雾天气时检测精度低;超声检测必须顶置安装,安装条件受到一定限制1。基于雷达的检测技术不受上述缺点限制,具有安装维护方便、检测精度高、抗 干扰能力强、受环境影响小、全天候、体积小等诸多优点,发展前景广阔,具有重研究价值2。
波形设计是一部交通信息测量设备的核心问题,它是系统功能实现的关键。本文分析了基于雷达的交通信息测量设备的波形设计,并详细介绍了用于某型交通信息测量雷达的微波源设计方法。
1 测量雷达功能求及雷达波形分析
1.1 测量雷达功能
测量雷达侧向架空安装于路边的灯杆或电线杆上,波束指向垂直于车道,灯杆或电线杆到第一车道的水平距离l0在2 m左右,架设高度h约8 m,具体安装态势如图1所示。
测量雷达主完成以下任务实时测量每部车的速度,实现不同时间段内平均通行速度的统计;测量车辆通过雷达波束时所处的车道及行驶方向,实现双向八车道的通行量统计;测量车辆长度,实现双向八车道的车型通行信息统计。
1.2 功能实现分析及波形分析
车辆速度测量常用的方法是多普勒测速,雷达发射连续波信号,比较发射信号与接收信号之间的频率差测出车辆的速度。本设备由于侧向垂直路面安 装,车辆通过雷达检测剖面时没有相对雷达的径向速度,多普勒频率为零,因此多普勒测速方法并不适用本系统。为了测出每辆车的速度,该设备采用双天线、双波 束的方式来测速,通过记录车辆通过两个天线波束的时间差进而得出其速度。
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图1 交通信息测量雷达安装示意图
车道交通流量的统计问题,实际是不同车道的触发累计问题。根据工作环境的不同,对每一个车道设置一定的检测门限,当有车辆通过时,该车道的信 号电平会超过设置的门限,触发累加器做加1操作,实现统计值的更新。该指标实现的关键是车辆所处车道的准确判定,而车辆所处车道的准确判定关键又在于车辆 到雷达距离的准确测量。为了准确判断车辆的车道,雷达需发射线性调频连续波信号,当有车辆通过时产生较大幅度的回波信号。由于不同车道车辆的回波到测量雷 达的延迟时间不同,便会产生不同的频率差。雷达通过时域的幅度检测来触发测量,再通过频域频率差的测量,便可以准确判定出那个车道有车通过,并对相应车道 的统计值加1。
  车型的区分利用不同车通过波束的时间长短来进行判断。不同车型由于自身结构、长度各异,因此它们通过雷达波束的时间长短各不相同,且回波波形包络各有 特点。测量雷达提前采集不同车型的波形并建立数据库,当测量到一辆车的回波信号时,与数据库进行比对,便可确定出车型信息。
根据以上分析,交通信息测量雷达系统组成框图如图2所示,其发射信号波形宜采用线性调频连续波(LFCW)信号。
2 测量雷达波形产生与实现
测量雷达工作于Ku波段,信号形式为线性调频锯齿连续波,调频带宽为120 MHz,波形时频特性如图3所示。
为了生成Ku波段的调频信号,雷达采取混频加倍频的方式。首先利用DDS生成较低频率、小带宽线性调频信号,然后混频至中频,再利用16倍频产生Ku波段、大调频带宽的辐射信号。波形产生单元的组成框图如图4所示。
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图2 系统组成原理框图
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图3 系统组成原理框图
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图4 波形产生单元组成框图
2.1 DDS芯片选择
本系统选用的DDS芯片为AD9954 ,它是AD公司生产的性能最好的芯片之一。与普通的DDS芯片相比,AD9954为了实现线性调频和高度集成,除了具有一般DDS芯片所必的相位累加器、正弦查找表外,输出端还增加了D/A转换器3。
AD9954内含1 024×32静态RAM,利用该RAM可实现高速调制,并支持几种扫频模式。AD9954可提供自定义的线性扫频操作模式,通过AD9954的串行I/O口输入控制字可实现快速变频,且具有良好的频率分辨率4。
AD9954的应用范围包括频率合成器、可编程时钟发生器、雷达和扫描系统的FM调制源以及测试和测量装置等。
2.2 单片机与DDS的接口设计
AD9954有单频模式、RAM控制模式和线性扫频三种工作模式,因为测量雷达需产生FMCW信号,所以需置高CFR1寄存器的第21位,选择DDS工作于线性扫频模式。
AD9954有2线串口编程方式和3线串口编程方式。串口操作时,前8位为指令位,用于确定是读操作还是写操作,以及操作的是哪个寄存器。串口编程时序图如图5所示。
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图5 DDS串口编程时序
SCLK为串行时钟,用于数据同步。SCLK上升沿时才能向寄存器写入数据,下降沿可用于读出数据。AD9954最高支持25 MHz的时钟频率。CS为片选信号,只有当其为低电平时才允许进行串口通信;当CS为高电平时,SDO和SDIO将变为高阻状态。SDIO为串行 数据输入输出口,所有写入DDS的数据必须经由此端口,而且利用寄存器CFR1的第9位,还也可将其配置为双向数据口。
2.3 单片机程序设计
信号源程序流程图如图6所示。
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图6 程序流程图
单片机加电后,首先进行单片机的初始化设置,然后进入到DDS的配置程序,具体步骤如下
(1)利用Reset端口将AD9954复位一次。因为DDS工作在线性扫频模式,将无用的PS1、OSK、IOSYNC等置为低电平;
(2)置低IO update和PS0端口;
(3)配置CFR1寄存器。设置CFR1<21>为高电平,使DDS工作于线性扫频模式;设置CFR1<2>为高电平,使DDS扫频至最高频率后不停留,直接跳回起始频率;
(4)配置CFR2寄存器。设置参考倍频系数为20,实际DDS所用外部晶振为20 MHz,则系统时钟频率将达到最高值200 MHz;
(5)配置FTW0寄存器,设置线性扫频的起始频率;
(6)配置FTW1寄存器,设置线性扫频的终止频率;
(7)配置RLSCW寄存器,设置线性调频斜率;
(8)I/O update端口电平翻转一次,更新各个寄存器中的数据;
(9)定时,每隔0.24 ms PS0端口电平翻转一次。
第(9)步每执行一次,DDS便可输出线性调频信号的一个“调频锯齿”,不断循环执行,便产生了所需的线性调频连续波信号。
2.4 其他部分设计与实现
混频所需的本振由AD公司生产的集成PLL芯片AD4360?6产生,它内部集成有分频器、鉴相器、VCO等,只需外部配置参考晶振和无源环路滤波器便可构成完整的PLL系统,使用非常方便。通过单片机对它的寄存器进行配置,产生600 MHz的混频本振。
600 MHz本振与DDS产生的LFCW信号混频,得到中频LFCW信号。由于混频器输出中包含很多的高次分量,为了得到纯净的输出频谱,增加一个窄带滤波器, 滤除高次混频分量。中频滤波器选用介质滤波器较为合适,它的体积小、成本低,矩形系数高、损耗低,频率温度系数小5,非常适合用于本系统。
16倍频器选用集成有源倍频器,它除了产生需的16次谐波外,也会产生大量其他次的倍频谐波。为此,倍频器后面采用一个微波腔体滤波器完成滤波任务。经过上述处理后便得到了测量系统所需的微波信号。
3 测试结果
为了验证设计的正确性,分别使用频谱分析仪MS2668C和计数器CNT?90对输出信号进行了测量,结果如图7所示。测量结果表明,该信号 源中心频率为12.06 GHz、调频带宽为120 MHz、调频周期为0.24 ms,各项指标均与设计相符,满足雷达测量设备的需求。
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图7 信号源测试结果
4 结 论
该波形产生信号源已经设计完毕,可输出锯齿波调频的连续波信号,并成功应用某型交通信息测量雷达。该测量雷达可同时测量车辆的速度、所处的车 道、行驶的方向、车辆的长度等多个指标,满足了省道、国道、高速公路交通信息采集的准确性求,且安装方便,工作不受天气因素影响,取得了非常好的测量结 果,为公路交通的智能化管理提供了有力的手段。
参考文献
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4 许加枫,刘抒珍,刘小红.高性能DDS芯片AD9954及其应用J.国外电子元器件,2004(11)23?26.
5 张龙,陈世钗,刘光聪,等.结构参数对微波介质滤波器电性能的影响J.压电与声光,2011,33(5)743?745.
6 章冠,李栋,郭建强.基于磁感线圈的车流量检测的研究J.现代电子技术,2012,35(14)131?132.