智能化交通信息測(cè)量雷達(dá)的波形設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

摘 要： 為滿足智能化交通發(fā)展的需要，分析并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種新的多功能交通信息測(cè)量雷達(dá)的輻射波形。首先簡(jiǎn)要介紹了測(cè)量雷達(dá)的功能需求，并以功能需求為出發(fā)點(diǎn)展開(kāi)分析，得出實(shí)現(xiàn)這些功能所需的雷達(dá)波形；其次，以先進(jìn)的DDS、PLL、微波倍頻和濾波等技術(shù)為基礎(chǔ)，詳細(xì)闡述了測(cè)量雷達(dá)的波形產(chǎn)生方法，并給出了波形產(chǎn)生的軟、硬件原理；最后，給出了實(shí)測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了實(shí)現(xiàn)方法的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞： 波形合成； 智能交通系統(tǒng)； 直接數(shù)字頻率合成器； 測(cè)量雷達(dá)

中圖分類號(hào)： TN959?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）13?0147?03

Waveform design and realization of instrumentation radar

for intelligent traffic information

Lü 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

交通信息檢測(cè)是智能交通系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是獲取道路上車(chē)輛的狀況，這些信息主要包括車(chē)流量、平均車(chē)速、車(chē)道占有率、車(chē)型等。交通信息的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲取是整個(gè)智能交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)，現(xiàn)有的交通信息探測(cè)技術(shù)手段主要有環(huán)形線圈檢測(cè)、紅外線檢測(cè)、視頻檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、微波檢測(cè)等。其中，環(huán)形線圈檢測(cè)精度高、使用范圍廣，但是安裝維修時(shí)需封閉部分路段并對(duì)道路進(jìn)行破壞，時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本較高；紅外和視頻檢測(cè)器受氣候因素影響很大，晚上、大灰塵和陰雨霧天氣時(shí)檢測(cè)精度低；超聲檢測(cè)必須頂置安裝，安裝條件受到一定限制[1]。基于雷達(dá)的檢測(cè)技術(shù)不受上述缺點(diǎn)限制，具有安裝維護(hù)方便、檢測(cè)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、受環(huán)境影響小、全天候、體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展前景廣闊，具有重要研究?jī)r(jià)值[2]。

波形設(shè)計(jì)是一部交通信息測(cè)量設(shè)備的核心問(wèn)題，它是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。本文分析了基于雷達(dá)的交通信息測(cè)量設(shè)備的波形設(shè)計(jì)，并詳細(xì)介紹了用于某型交通信息測(cè)量雷達(dá)的微波源設(shè)計(jì)方法。

1 測(cè)量雷達(dá)功能要求及雷達(dá)波形分析

1.1 測(cè)量雷達(dá)功能

測(cè)量雷達(dá)側(cè)向架空安裝于路邊的燈桿或電線桿上，波束指向垂直于車(chē)道，燈桿或電線桿到第一車(chē)道的水平距離[l0]在2 m左右，架設(shè)高度[h]約8 m，具體安裝態(tài)勢(shì)如圖1所示。

測(cè)量雷達(dá)主要完成以下任務(wù)：實(shí)時(shí)測(cè)量每部車(chē)的速度，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間段內(nèi)平均通行速度的統(tǒng)計(jì)；測(cè)量車(chē)輛通過(guò)雷達(dá)波束時(shí)所處的車(chē)道及行駛方向，實(shí)現(xiàn)雙向八車(chē)道的通行量統(tǒng)計(jì)；測(cè)量車(chē)輛長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)雙向八車(chē)道的車(chē)型通行信息統(tǒng)計(jì)。

1.2 功能實(shí)現(xiàn)分析及波形分析

車(chē)輛速度測(cè)量常用的方法是多普勒測(cè)速，雷達(dá)發(fā)射連續(xù)波信號(hào)，比較發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)之間的頻率差測(cè)出車(chē)輛的速度。本設(shè)備由于側(cè)向垂直路面安裝，車(chē)輛通過(guò)雷達(dá)檢測(cè)剖面時(shí)沒(méi)有相對(duì)雷達(dá)的徑向速度，多普勒頻率為零，因此多普勒測(cè)速方法并不適用本系統(tǒng)。為了測(cè)出每輛車(chē)的速度，該設(shè)備采用雙天線、雙波束的方式來(lái)測(cè)速，通過(guò)記錄車(chē)輛通過(guò)兩個(gè)天線波束的時(shí)間差進(jìn)而得出其速度。

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圖1 交通信息測(cè)量雷達(dá)安裝示意圖

車(chē)道交通流量的統(tǒng)計(jì)問(wèn)題，實(shí)際是不同車(chē)道的觸發(fā)累計(jì)問(wèn)題。根據(jù)工作環(huán)境的不同，對(duì)每一個(gè)車(chē)道設(shè)置一定的檢測(cè)門(mén)限，當(dāng)有車(chē)輛通過(guò)時(shí)，該車(chē)道的信號(hào)電平會(huì)超過(guò)設(shè)置的門(mén)限，觸發(fā)累加器做加1操作，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)值的更新。該指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是車(chē)輛所處車(chē)道的準(zhǔn)確判定，而車(chē)輛所處車(chē)道的準(zhǔn)確判定關(guān)鍵又在于車(chē)輛到雷達(dá)距離的準(zhǔn)確測(cè)量。為了準(zhǔn)確判斷車(chē)輛的車(chē)道，雷達(dá)需發(fā)射線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，當(dāng)有車(chē)輛通過(guò)時(shí)產(chǎn)生較大幅度的回波信號(hào)。由于不同車(chē)道車(chē)輛的回波到測(cè)量雷達(dá)的延遲時(shí)間不同，便會(huì)產(chǎn)生不同的頻率差。雷達(dá)通過(guò)時(shí)域的幅度檢測(cè)來(lái)觸發(fā)測(cè)量，再通過(guò)頻域頻率差的測(cè)量，便可以準(zhǔn)確判定出那個(gè)車(chē)道有車(chē)通過(guò)，并對(duì)相應(yīng)車(chē)道的統(tǒng)計(jì)值加1。

車(chē)型的區(qū)分利用不同車(chē)通過(guò)波束的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)進(jìn)行判斷。不同車(chē)型由于自身結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度各異，因此它們通過(guò)雷達(dá)波束的時(shí)間長(zhǎng)短各不相同，且回波波形包絡(luò)各有特點(diǎn)。測(cè)量雷達(dá)提前采集不同車(chē)型的波形并建立數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)測(cè)量到一輛車(chē)的回波信號(hào)時(shí)，與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，便可確定出車(chē)型信息。

根據(jù)以上分析，交通信息測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)組成框圖如圖2所示，其發(fā)射信號(hào)波形宜采用線性調(diào)頻連續(xù)波（LFCW）信號(hào)。

2 測(cè)量雷達(dá)波形產(chǎn)生與實(shí)現(xiàn)

測(cè)量雷達(dá)工作于Ku波段，信號(hào)形式為線性調(diào)頻鋸齒連續(xù)波，調(diào)頻帶寬為120 MHz，波形時(shí)頻特性如圖3所示。

為了生成Ku波段的調(diào)頻信號(hào)，雷達(dá)采取混頻加倍頻的方式。首先利用DDS生成較低頻率、小帶寬線性調(diào)頻信號(hào)，然后混頻至中頻，再利用16倍頻產(chǎn)生Ku波段、大調(diào)頻帶寬的輻射信號(hào)。波形產(chǎn)生單元的組成框圖如圖4所示。

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圖2 系統(tǒng)組成原理框圖

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圖3 系統(tǒng)組成原理框圖

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圖4 波形產(chǎn)生單元組成框圖

2.1 DDS芯片選擇

本系統(tǒng)選用的DDS芯片為AD9954 ，它是AD公司生產(chǎn)的性能最好的芯片之一。與普通的DDS芯片相比，AD9954為了實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻和高度集成，除了具有一般DDS芯片所必要的相位累加器、正弦查找表外，輸出端還增加了D/A轉(zhuǎn)換器[3]。

AD9954內(nèi)含1 024×32靜態(tài)RAM，利用該RAM可實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制，并支持幾種掃頻模式。AD9954可提供自定義的線性掃頻操作模式，通過(guò)AD9954的串行I/O口輸入控制字可實(shí)現(xiàn)快速變頻，且具有良好的頻率分辨率[4]。

AD9954的應(yīng)用范圍包括頻率合成器、可編程時(shí)鐘發(fā)生器、雷達(dá)和掃描系統(tǒng)的FM調(diào)制源以及測(cè)試和測(cè)量裝置等。

2.2 單片機(jī)與DDS的接口設(shè)計(jì)

AD9954有單頻模式、RAM控制模式和線性掃頻三種工作模式，因?yàn)闇y(cè)量雷達(dá)需要產(chǎn)生FMCW信號(hào)，所以需置高CFR1寄存器的第21位，選擇DDS工作于線性掃頻模式。

AD9954有2線串口編程方式和3線串口編程方式。串口操作時(shí)，前8位為指令位，用于確定是讀操作還是寫(xiě)操作，以及操作的是哪個(gè)寄存器。串口編程時(shí)序圖如圖5所示。

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圖5 DDS串口編程時(shí)序

SCLK為串行時(shí)鐘，用于數(shù)據(jù)同步。SCLK上升沿時(shí)才能向寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)，下降沿可用于讀出數(shù)據(jù)。AD9954最高支持25 MHz的時(shí)鐘頻率。[CS]為片選信號(hào)，只有當(dāng)其為低電平時(shí)才允許進(jìn)行串口通信；當(dāng)[CS]為高電平時(shí)，SDO和SDIO將變?yōu)楦咦锠顟B(tài)。SDIO為串行數(shù)據(jù)輸入輸出口，所有寫(xiě)入DDS的數(shù)據(jù)必須經(jīng)由此端口，而且利用寄存器CFR1的第9位，還也可將其配置為雙向數(shù)據(jù)口。

2.3 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

信號(hào)源程序流程圖如圖6所示。

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圖6 程序流程圖

單片機(jī)加電后，首先進(jìn)行單片機(jī)的初始化設(shè)置，然后進(jìn)入到DDS的配置程序，具體步驟如下：

（1）利用Reset端口將AD9954復(fù)位一次。因?yàn)镈DS要工作在線性掃頻模式，將無(wú)用的PS1、OSK、IOSYNC等置為低電平；

（2）置低IO update和PS0端口；

（3）配置CFR1寄存器。設(shè)置CFR1<21>為高電平，使DDS工作于線性掃頻模式；設(shè)置CFR1<2>為高電平，使DDS掃頻至最高頻率后不停留，直接跳回起始頻率；

（4）配置CFR2寄存器。設(shè)置參考倍頻系數(shù)為20，實(shí)際DDS所用外部晶振為20 MHz，則系統(tǒng)時(shí)鐘頻率將達(dá)到最高值200 MHz；

（5）配置FTW0寄存器，設(shè)置線性掃頻的起始頻率；

（6）配置FTW1寄存器，設(shè)置線性掃頻的終止頻率；

（7）配置RLSCW寄存器，設(shè)置線性調(diào)頻斜率；

（8）I/O update端口電平翻轉(zhuǎn)一次，更新各個(gè)寄存器中的數(shù)據(jù)；

（9）定時(shí)，每隔0.24 ms PS0端口電平翻轉(zhuǎn)一次。

第（9）步每執(zhí)行一次，DDS便可輸出線性調(diào)頻信號(hào)的一個(gè)“調(diào)頻鋸齒”，不斷循環(huán)執(zhí)行，便產(chǎn)生了所需的線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)。

2.4 其他部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

混頻所需的本振由AD公司生產(chǎn)的集成PLL芯片AD4360?6產(chǎn)生，它內(nèi)部集成有分頻器、鑒相器、VCO等，只需外部配置參考晶振和無(wú)源環(huán)路濾波器便可構(gòu)成完整的PLL系統(tǒng)，使用非常方便。通過(guò)單片機(jī)對(duì)它的寄存器進(jìn)行配置，產(chǎn)生600 MHz的混頻本振。

600 MHz本振與DDS產(chǎn)生的LFCW信號(hào)混頻，得到中頻LFCW信號(hào)。由于混頻器輸出中包含很多的高次分量，為了得到純凈的輸出頻譜，增加一個(gè)窄帶濾波器，濾除高次混頻分量。中頻濾波器選用介質(zhì)濾波器較為合適，它的體積小、成本低，矩形系數(shù)高、損耗低，頻率溫度系數(shù)小[5]，非常適合用于本系統(tǒng)。

16倍頻器選用集成有源倍頻器，它除了產(chǎn)生需要的16次諧波外，也會(huì)產(chǎn)生大量其他次的倍頻諧波。為此，倍頻器后面采用一個(gè)微波腔體濾波器完成濾波任務(wù)。經(jīng)過(guò)上述處理后便得到了測(cè)量系統(tǒng)所需的微波信號(hào)。

3 測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，分別使用頻譜分析儀MS2668C和計(jì)數(shù)器CNT?90對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如圖7所示。測(cè)量結(jié)果表明，該信號(hào)源中心頻率為12.06 GHz、調(diào)頻帶寬為120 MHz、調(diào)頻周期為0.24 ms，各項(xiàng)指標(biāo)均與設(shè)計(jì)相符，滿足雷達(dá)測(cè)量設(shè)備的需求。

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圖7 信號(hào)源測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 論

該波形產(chǎn)生信號(hào)源已經(jīng)設(shè)計(jì)完畢，可輸出鋸齒波調(diào)頻的連續(xù)波信號(hào)，并成功應(yīng)用某型交通信息測(cè)量雷達(dá)。該測(cè)量雷達(dá)可同時(shí)測(cè)量車(chē)輛的速度、所處的車(chē)道、行駛的方向、車(chē)輛的長(zhǎng)度等多個(gè)指標(biāo)，滿足了省道、國(guó)道、高速公路交通信息采集的準(zhǔn)確性要求，且安裝方便，工作不受天氣因素影響，取得了非常好的測(cè)量結(jié)果，為公路交通的智能化管理提供了有力的手段。

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