LFMCW雷達(dá)在吊車防撞高壓線系統(tǒng)中的應(yīng)用

潘 偉 王占平 牛小奉

(電子科技大學(xué) 成都 610054)

0 引言

在高壓線附近高空施工的機(jī)械，當(dāng)?shù)踯嚤劭拷邏壕€超過安全距離的時候，高壓線路就會對吊車放電［1］。強(qiáng)大的短路電流會使配電網(wǎng)路跳閘造成大面積停電事故，嚴(yán)重影響國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和人們的日常生活與社會活動，施工人員往往也因此付出了生命的代價。日本的Kazuo Yamamoto 和Kimio Yamada 提出采用高分辨率的紅外探測相機(jī)來獲得圖像，在此基礎(chǔ)上通過圖像處理的方法來識別電力線［2］。該系統(tǒng)可以很好的探測到目標(biāo)，但是無法給出精確的距離;常州大學(xué)采用的激光測距［3］，其特點是測量精度線難以精確瞄準(zhǔn);丁月明等人利用高壓傳輸線會產(chǎn)生強(qiáng)電場，金屬線圈靠近電場會有感應(yīng)電荷產(chǎn)生的方法測距［4］，它的特點是裝置成本低，但是高壓線附近電場情況受環(huán)境影響較大且裝置作用距離小。雷達(dá)測距的方案對環(huán)境要求比較低，作用角度范圍大，可以獲得較好的測量效果。如J.Fontana 等人采用的超寬帶雷達(dá)系統(tǒng)［5］。但是較好的高距離分辨率的毫米波雷達(dá)成本都比較高。因此本文從可靠性和低成本的前提出發(fā)研制出了一種基于X 波段的線性調(diào)頻連續(xù)波測距雷達(dá)。

1 LFMCW 雷達(dá)的數(shù)學(xué)模型

鋸齒波LFMCW 雷達(dá)發(fā)射信號的頻率按線性鋸齒波規(guī)律變化，發(fā)射信號經(jīng)天線發(fā)射出去后遇到目標(biāo)時形成反射信號，兩者信號波形相同，只是在時間上有一個延遲τ［6］。如圖1所示。

圖中f0為雷達(dá)掃頻的中心頻率;B 為調(diào)頻帶寬;Tm為調(diào)頻周期;fD為差頻信號頻率;傳輸時延為τ。設(shè)發(fā)射的線性調(diào)頻雷達(dá)發(fā)射信號的瞬時頻率為:

圖1 線性調(diào)頻鋸齒波及差頻

其中fi為初始頻率;K= B/Tm為調(diào)頻斜率。

則雷達(dá)發(fā)射信號為:

其中θi為初始相位，A 為調(diào)制信號的幅度。發(fā)射信號ST(t)經(jīng)過距離R 遇到靜止目標(biāo)反射回來，雷達(dá)接收到的回波信號為:

其中λ 為空間傳播衰減系數(shù)，τ= 2R/c，c 為光速。發(fā)射信號的功分樣本信號與回波信號混頻后，濾除高頻分量得到的差頻信號為:

則差頻信號的瞬時頻率為:

由此可得目標(biāo)距離為:

可見目標(biāo)距離R 與差頻fD成線性比例關(guān)系，只要測得差頻fD就可以得出目標(biāo)距離值。這就是線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測距的基本原理。

2 系統(tǒng)介紹

該高壓線防撞系統(tǒng)主要包括射頻前端子系統(tǒng)和信號處理及聲光報警設(shè)備三大部分組成。其工作過程為:首先，F(xiàn)PGA 給信號源發(fā)送觸發(fā)脈沖，產(chǎn)生連續(xù)線性調(diào)頻信號。然后功分器將信號分成兩路，一路至發(fā)射天線被發(fā)射出去，另一路作為本振信號進(jìn)入混頻器與收到的回波信號進(jìn)行混頻。差頻信號通過放大濾波后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換進(jìn)入FPGA 進(jìn)行頻譜分析，解算出目標(biāo)距離。最后，距離信息經(jīng)過無線串口發(fā)送到聲光報警設(shè)備，報警設(shè)備根據(jù)實測距離與警戒距離的對比作出相應(yīng)的響應(yīng)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 射頻前端部分

射頻前端分為頻率源部分和T/R 組件。頻率源采用的方案是DDS(直接數(shù)字頻綜)+PLL(鎖相環(huán))的形式，而不是采用直接VCO 調(diào)諧的方式，目的是為了獲得較好的相位噪聲和較小的頻率步進(jìn)。利用DDS 芯片產(chǎn)生線性調(diào)頻連續(xù)波信號作為鑒相器的參考頻率。VCO 輸出端耦合出來的信號與DDS 的參考時鐘進(jìn)行取樣混頻。環(huán)路鎖定之后輸出穩(wěn)定的9.1 ～9.3GHz 線性掃頻。掃頻周期20μs。

發(fā)射模塊VCO 的輸出信號經(jīng)過功放的放大后由功分器分為兩路，一路功率為信號由天線輻射出去，另一路通過緩沖放大器作為接受機(jī)中混頻器的本振信號。輸出信號由天線輻射，電磁波在空間遇到障礙物后返回。回波經(jīng)接收天線接收后和τ 時刻的本振信號進(jìn)行混頻得到中頻。

2.2 信號處理部分

信號處理部分的主要工作是對中頻信號進(jìn)行頻譜分析，找出目標(biāo)回波對應(yīng)的信號頻點。工作流圖如圖3所示。

圖3 信號處理流程圖

根據(jù)課題要求測距范圍1m ～10m，由式(5)可計算得中頻fD的范圍:66kHz ～660kHz。這里取4MHz 的采樣頻率可以達(dá)到要求。由距離分辨率公式ΔR= c/2B= 0．75(m)，可得中頻的頻率分辨率為ΔfD= 2KΔR/c= 50kHz。這里為了能夠?qū)⒅蓄l頻率分辨出來，我們?nèi)?56 點的FFT。FFT 的頻率分辨率Δffft= 4 ×106/256=15．625kHz＜ΔfD。采樣時間T= 1/Δffft= 64μs，約等于3 個鋸齒波掃頻周期，這里取4 個鋸齒波掃頻周期。

帶通濾波除去雜波干擾。濾波器的低端抑制天線的直達(dá)波;天線方向角比較大，近距離直達(dá)波能量比較強(qiáng)，容易對后續(xù)處理造成干擾，所以需要進(jìn)行抑制。濾波器高端抑制高頻干擾以及較遠(yuǎn)距離處目標(biāo)回波。另外，為了減小采樣的柵欄效應(yīng)對頻譜分析的誤差，在進(jìn)行快速傅里葉變換之前通過256 點的hanning 窗。FFT之后進(jìn)行目標(biāo)提取即恒虛警處理(CFAR)。

在恒虛警處理部分首先是對FFT 的輸出進(jìn)行慢累計，以提高頻譜的穩(wěn)定性，然后是對慢累計輸出作近程增益控制處理(STC)

如圖4所示近處由于天線主瓣較寬造成的直達(dá)波信號強(qiáng)度大，地雜波干擾也較強(qiáng)烈，因此噪聲基底比較高，隨著距離增大噪聲基底逐漸降低。這里采用減去一條擬合曲線的方法使近處和遠(yuǎn)處的噪聲基底處在差不多的水平。

圖4 近程增益控制處理

STC 處理完畢接下來設(shè)置高低能量門檻，低門檻用于將目標(biāo)從噪聲中提取出來，高門檻用于將高壓線與其它較大的金屬目標(biāo)區(qū)分出來。目標(biāo)提取完之后，進(jìn)一步作概率統(tǒng)計以提高目標(biāo)檢測的準(zhǔn)確性，降低恒虛警。

3 測試結(jié)果及結(jié)論

實驗環(huán)境如圖5所示，直徑為3cm 的模擬高壓線的鋼管在距離前端天線2m ～10m，角度在左右30°范圍內(nèi)。實際測試的目標(biāo)識別的準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上，距離測量的分辨率為0.6m，基本滿足目標(biāo)要求。測試結(jié)果如圖6所示，組裝實物圖如圖7所示。

圖5 實際測試環(huán)境

由圖6所示，去除雜波干擾后，提取出的目標(biāo)回波比較純凈，且穩(wěn)定。圖7 中實物組裝，由雷達(dá)探頭和告警設(shè)備組成，兩者之間通過無線串口通信。

圖6 測試結(jié)果

圖7 實物圖

線性調(diào)頻連續(xù)波測距方案，具有無距離盲區(qū)、高距離分辨率、抗干擾能力強(qiáng)、對比較惡劣的環(huán)境有著比較強(qiáng)的適應(yīng)性等特點，相對于傳統(tǒng)的測距方法有很大的優(yōu)勢。特別是在比較復(fù)雜的環(huán)境甚至是危險系數(shù)比較高如吊車防撞高壓線的應(yīng)用場合，在測量的準(zhǔn)確性和工作的穩(wěn)定性方面都要比傳統(tǒng)的測距方法要好。本文采用的X 波段調(diào)頻帶寬200MHz 的線性調(diào)頻測距方案對于20m 以內(nèi)的近距離測量有比較好的測量效果，而且比K 波段甚至更高頻段的超寬帶線性調(diào)頻雷達(dá)成本要低得多。

［1］王國輝.基于X 波段雷達(dá)測距的吊車防撞高壓線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.電子測試，2013，19:157-158.

［2］Kazuo Yamamoto，Kimi Yamada，Obstacle Detection for Helicopter Flights by Infrared Images［C］.Proceeding of SPIE，2001，4363:76-85.

［3］常州大學(xué).無人飛機(jī)自動規(guī)避障礙物的系統(tǒng)及其規(guī)避方法［P］.2012102，53722.

［4］丁月明.高電壓現(xiàn)場施工安全距離報警新技術(shù)及樣機(jī)開發(fā)研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2011.

［5］J.Fontana，J.F.Larrick，J.E.Cade，E.P.Rivers Jr.An Ultra Wideband Synthetic Vision Sensor for Airborne Wire Detection［C］.Proceedings of SPIE，1998，3364:2-10.

［6］苗書立.LFMCW 雷達(dá)信號處理方法及實現(xiàn)研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2004.