基于增益控制的雷達測速裝置及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于增益控制的雷達測速裝置及系統(tǒng)，屬于雷達測量技術領域，包括發(fā)射模塊、接收模塊、信號放大模塊、自動增益控制模塊和信號處理模塊；發(fā)射模塊向車輛發(fā)送發(fā)射微波射頻信號，接收模塊接收車輛反射的反射波信號，根據(jù)反射波信號產(chǎn)生多普勒信號；信號放大模塊對多普勒信號進行放大處理；自動增益控制模塊判斷放大信號幅度是否在范圍[m，n]內(nèi)，若不在，將放大信號幅度調(diào)節(jié)至范圍[m，n]內(nèi)；信號處理模塊對調(diào)節(jié)后的信號進行處理，得到車輛速度。通過在傳統(tǒng)雷達測速信號處理過程中增加數(shù)字增益自動調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，將反射波信號幅度調(diào)節(jié)到位于天線方向圖中心線位置附近，減少因雷達微波天線波瓣夾角導致的測量誤差，提高雷達測速的準確性。
【專利說明】
基于増益控制的雷達測速裝置及系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及雷達測量技術領域，特別涉及一種基于增益控制的雷達測速裝置及系 統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 隨著我道路交通建設的高速發(fā)展和居民汽車擁有量的急劇增加，交通事故發(fā)生次 數(shù)居高不下。其中，誘發(fā)交通事故的主要原因之一就是交通超速，世界各國交通管理部門對 車輛交通超速違法行為的整治都極為重視。
[0003] 目前，微波雷達因具有其體積小、重量輕、測速精度高、便于攜帶等優(yōu)點，成為國際 上交通警察實現(xiàn)道路測量交通速度監(jiān)控和執(zhí)法的主要技術手段之一。其中，雷達測速的精 度直接關系到交通執(zhí)法的嚴肅性和科學性的問題，各個國家對警用雷達測速誤差的允許范 圍都有明確的要求，如我國規(guī)定室內(nèi)雷達速度方針儀器對雷達測速精度進行仿真檢測時， 測速雷達的靜態(tài)測速誤差小于正負1公里/小時；在道路車輛的實際速度檢測時，雷達測速 儀在100公里/小時內(nèi)，道路實測誤差子0-6公里/小時內(nèi)，時速100公里的測速誤差小于6%。
[0004] 圖1示出了雷達測量車輛速度的示意圖，將微波雷達看成一個自發(fā)自收的無線通 信系統(tǒng)，微波發(fā)射和接收都有固定的角度。但是雷達在道路實際測速中，如圖2所示，當運動 車輛進入雷達測量范圍內(nèi)時，由于運動車輛與雷達之間的距離是隨機的，車輛和雷達之間 的相對位置不同，因此無論是同向還是反向測量，都會出現(xiàn)較大的測速誤差。如當雷達測量 近車道5米的車輛和遠距離第四車道的車輛時，標準車道寬度是3.75米，由于雷達側裝，雷 達波往返第四車道的距離約為72米，在不考慮汽車反射面大小的情況下，根據(jù)雷達波在自 由空間傳輸?shù)乃ズ挠嬎愎?PL = 32.44+20Lgf.+20Lgd，其中，d的單位為KM，可以計算出第 一車道和第四車道微波反射信號強度相差約18db。因此，如果相同車速的車輛分別在第一 車道和第四車道行駛，雷達的車輛誤差將達到12%左右，這遠超過國家標準6%的限制。
[0005] 針對目前廣泛使用的警用測速雷達會時常出現(xiàn)較大的測量偏差的情況，現(xiàn)有的解 決方法是進行人工篩選，依靠人工剔除具有明顯偏差的車輛圖片。但是這種方法精準度較 差，并沒有有效的解決測速雷達測量偏大大的問題，而且極大的增加了交通管理部門的工 作難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于增益控制的雷達測速裝置及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技 術存在的由于雷達安裝方式形成的C0S角度所導致的雷達測速誤差大的問題。
[0007] 為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用的技術方案是:提供一種基于增益控制的雷達測速 裝置，包括:發(fā)射模塊、接收模塊、信號放大模塊、自動增益控制模塊和信號處理模塊；
[0008] 發(fā)射模塊用于向目標車輛發(fā)送微波射頻信號，接收模塊用于接收所述目標車輛的 反射波信號并生成多普勒信號，將生成的多普勒信號傳輸至信號放大模塊；
[0009] 信號放大模塊用于對所述多普勒信號進行放大處理，并將得到的放大信號傳輸至 自動增益控制模塊；
[0010] 自動增益控制模塊用于判斷所述放大信號的幅度是否在范圍[m，n]內(nèi)，若不在，則 對所述放大信號的幅度進行調(diào)節(jié)，以使調(diào)節(jié)后的信號在所述范圍[m，n]內(nèi)，并將調(diào)節(jié)后的信 號傳輸至信號處理模塊，其中m、n為預設的幅度下限值、上限值，單位是O.lmv;
[0011] 信號處理模塊用于對所述調(diào)節(jié)后的信號進行處理，得到所述目標車輛的行駛速 度。
[0012] 第二方面，提供一種基于增益控制的雷達測速系統(tǒng)，包括:如上所述的雷達測速裝 置。
[0013] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明存在以下技術效果:通過在傳統(tǒng)的雷達測速的信號處理 過程中的信號放大環(huán)節(jié)增加數(shù)字增益自動調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，在反射波信號放大后，在對放大后的 反射波信號進行快速傅里葉變換之前，判斷放大后的反射波信號是否在天線方向圖中心線 的位置附近，如果不在，對放大后的反射波信號進行調(diào)節(jié)。其中，數(shù)字增益自動調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)受 控于雷達系統(tǒng)后端的A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和數(shù)字濾波環(huán)節(jié)，通過數(shù)字增益自動調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)動態(tài)補償 雷達系統(tǒng)前端增益的變化，把雷達測速過程的信號增益處理等效為一個以快速傅里葉變換 采樣時間為周期的動態(tài)AGC調(diào)節(jié)過程，始終保證接收到的反射波信號在天線方向圖的中心 線位置附近，使得雷達始終工作在天線方向圖的最頂端，最大限度的減少了雷達微波天線 波瓣角導致的車輛速度的測量誤差。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明【背景技術】中提到的雷達測量車輛速度示意圖；
[0015] 圖2是本發(fā)明【背景技術】中提到的雷達測速誤差產(chǎn)生示意圖；
[0016] 圖3是本發(fā)明一實施例提供的一種基于增益控制的雷達測速裝置的流結構示意 圖；
[0017] 圖4是本發(fā)明一實施例提供的窄波雷達天線場強分布圖；
[0018] 圖5是本發(fā)明一實施例提供的一種基于增益控制的雷達測速裝置的結構示意圖；
[0019] 圖6是本發(fā)明一實施例提供的雷達測速過程的流程示意圖；
[0020] 圖7是本發(fā)明一實施例提供的雷達測速信號處理過程的信號增益流程示意圖；
[0021] 圖8是本發(fā)明一實施例提供的一種基于增益控制的雷達測速系統(tǒng)的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結合圖3至圖8,對本發(fā)明做進一步詳細敘述。
[0023] 如圖3所示，本發(fā)明實施例提供了一種基于增益控制的雷達測速裝置，包括:發(fā)射 模塊10、接收模塊20、信號放大模塊30、自動增益控制模塊40和信號處理模塊50;發(fā)射模塊 10用于向目標車輛發(fā)送發(fā)射波信號，接收模塊20用于接收所述目標車輛的反射波信號并生 成多普勒信號，將多普勒信號傳輸至信號放大模塊30;信號放大模塊30用于對所述反射波 信號進行放大處理，并得到的放大信號傳輸至自動增益控制模塊40;自動增益控制模塊40 用于判斷所述放大信號的幅度是否在范圍[m，n]內(nèi)，若不在，則對所述放大信號的幅度進行 調(diào)節(jié)，以使調(diào)節(jié)后的信號在所述范圍[m，n]內(nèi)，并將調(diào)節(jié)后的信號傳輸至信號處理模塊50， 其中a、b為預設的幅度下限值、上限值，單位是O.lmv;信號處理模塊50用于對所述調(diào)節(jié)后的 信號進行處理，得到所述目標車輛的行駛速度。
[0024]需要說明的是，該處的上限值a、下限值b是根據(jù)雷達的工作電壓確定的。比如在雷 達的工作電壓為2V至3.3V之間，可處理的反射波信號的幅度范圍是20000至30000,單位為 Olmv，即可根據(jù)天線方向圖中心線位置附近的信號幅度范圍設置范圍[m，n]為[20000， 22000] 〇
[0025]需要說明的是，在調(diào)節(jié)后的信號不在范圍[a，b]內(nèi)時，不對調(diào)節(jié)后的信號進行數(shù)字 信號處理，即不對調(diào)節(jié)后的信號進行快速傅里葉變換處理。
[0026] 本發(fā)明實施例提供的技術方案與現(xiàn)有技術相比：
[0027] 現(xiàn)有的微波雷達是根據(jù)微波多普勒原理進行車輛速度的測量，圖4示出了窄波雷 達天線場強分布圖，該雷達水平方向角度6度(_3db)，垂直方向夾角28度(_3db)。當主波瓣 衰耗到-15db時，天線夾角約為12度，當主波瓣衰耗到_20db時，天線夾角約為30度。根據(jù)多 普勒原理，多普勒頻移fd與車輛速度v具有如下對應關系：
[0029]其中，fd表示多普勒頻率或差頻，f。表示雷達發(fā)射頻率，v表示車輛的速度，c。表示 光速，a表示車輛運動方向和雷達傳感器與目標車輛連線之間的夾角(如圖1所示）。因此，相 對于雷達而言，測出了頻移就可以得出目標車輛的運動速度。但是雷達實際測量角為a±b 度，a為雷達測量中心法線與車輛運動方向的夾角，為一常量，b為雷達天線場輻射場強圖中 邊緣與中心線的夾角角度，是一變量，其大小與車輛處于天線場強內(nèi)測量位置有關。這樣導 致的實際測量誤差S為：
[0032] 其中，v為車輛實際速度，vi為測量速度值。
[0033] 因此，b的角度越大，車輛的測量速度值就越小，與車輛的實際速度相差越大，而雷 達在道路實測中，如果雷達信號處理不好，車輛處在天線副波瓣范圍內(nèi)，那b的角度更大，速 度測量誤差就更大。在選定a = 25度，b從+15度到-15度，速度測量誤差S與夾角b之間的關系 如表1所示：
[0034] 表 1
[0036] 由表1可見，對于一個固定安裝的雷達，當雷達天線場強方向圖越尖銳，表示車輛 離雷達中心線越近，其夾角越小，測速誤差就越小。
[0037] 而本發(fā)明提供的技術方案通過在傳統(tǒng)的雷達測速的信號處理環(huán)節(jié)增加了數(shù)字增 益自動調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，動態(tài)補償雷達系統(tǒng)前端增益的變化，在一個快速傅里葉變換FFT采樣周期 內(nèi)，保證反射波信號的幅度相對穩(wěn)定，以使雷達始終工作在天線方向圖的最頂端，最大限度 的減少了雷達天線波瓣夾角導致的車輛速度測量誤差。
[0038] 如圖5所示，做為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，在上述實施例中的裝置還包括比較模塊 60，用于判斷所述放大信號的幅度是否超過預設值c，若超過，則判定所述放大信號不可信， 若不超過，則將所述放大信號傳輸?shù)剿鲎詣釉鲆婵刂颇K40，其中c>n。
[0039]需要說明的是，該處的預設值c是根據(jù)雷達的工作電壓確定的，比如，雷達的工作 電壓是3.3V，那么可信的反射波信號幅度為30000,其中反射波信號幅度的單位為O.lmv，故 可取預設值c為30000。
[0040] 具體地，在判斷過程中，當放大信號的幅度超過30000時，認為該放大信號可能存 在削波失真，導致"倍頻"現(xiàn)象，因此判定該放大信號不可信。比如當放大信號的幅度大于 30000時，系統(tǒng)判定該放大信號不可信，則系統(tǒng)自動放棄該值，不對該放大信號采樣結果做 任何處理，自動跳過后面的處理，重新采樣；當放大信號的幅度小于或等于30000時，認為該 放大信號可信，則對該放大信號進行后續(xù)的采樣、FFT等處理。本實施例通過在判斷放大后 的反射波信號的幅度是否在范圍[m，n]內(nèi)之前，首先判斷該反射波放大信號是否可信，避免 了因為放大后的反射波信號幅度過大，導致可能存在削波失真，產(chǎn)生"倍頻"現(xiàn)象等情況而 導致的車輛速度測量存在較大誤差。
[0041] 具體地，如圖5所示，上述實施例中的自動增益控制模塊40具體包括：比較器41和 可變增益放大器42;比較器41用于判斷所述放大信號的幅度是否在范圍[m，n]內(nèi)；可變增益 放大器42用于在所述放大信號的幅度不在所述范圍[m，n]內(nèi)時，對所述放大信號的幅度進 行調(diào)節(jié)，以使調(diào)節(jié)后的信號在所述范圍[m，n]內(nèi)，其中m、n為預設的幅度下限值、上限值，每 級為Ndb，N為預設常數(shù)。
[0042]需要說明的是，該處的可變增益放大器42為數(shù)字AGC。
[0043] 具體地，本實施例中判斷放大信號的幅度是否在預先設定的范圍[m，n]內(nèi)的過程 如圖6所示：
[0044] S1、判斷所述放大信號的幅度是否大于所述上限值n;
[0045] S2、若所述放大信號的幅度小于或等于所述上限值b，則執(zhí)行步驟S3;若所述放大 信號的幅度大于所述上限值n，則將所述放大信號的幅度逐級下調(diào)，直至調(diào)節(jié)后的所述放大 信號的幅度小于或等于所述上限值n，其中，每個級別為Ndb，N為預設常數(shù)；
[0046] S3、判斷所述調(diào)節(jié)后的放大信號的幅度是否大于或等于所述下限值a;
[0047] S4、若所述放大信號的幅度大于或等于所述下限值m，則確定調(diào)節(jié)后的信號在所述 范圍[m，n]內(nèi)；
[0048] S5、若所述放大信號的幅度小于所述下限值m，則將所述放大信號的幅度逐級上 調(diào)，直至調(diào)節(jié)后的所述放大信號的幅度大于或等于所述下限值m。
[0049]具體地，該處的N的取值可根據(jù)實際需要進行設定，舉例說明，該處的N取值為3,即 在放大信號的幅度超過上限值n時，將放大信號的幅度自動下調(diào)3db，再判斷下調(diào)后的放大 信號的幅度是否超過上限值n，若超過，再將放大信號下調(diào)3db，直至放大信號的幅度不超過 上限值n。
[0050]需要說明的是，在放大信號的幅度下調(diào)至不超過上限值n時，再判斷放大信號的幅 度是否超過下限值m，以避免在放大信號的調(diào)節(jié)過程中，將放大信號的幅度調(diào)節(jié)至小于下限 值m，而出現(xiàn)調(diào)節(jié)后的放大信號的幅度仍然不在范圍[m，n]內(nèi)，保證了放大信號的幅度調(diào)節(jié) 的準確性。
[00511具體地，上述實施例中的信號處理模塊50具體包括:濾波器51、A/D轉(zhuǎn)換器52和DSP 處理器53;濾波器51用于對所述調(diào)節(jié)后的信號進行數(shù)字低通濾波處理，得到濾波后的信號； A/D轉(zhuǎn)換器52用于將所述濾波后的信號進行A/D轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號;DSP處理器53用于對所 述數(shù)字信號進行快速傅里葉變換處理，計算所述目標車輛的行駛速度。
[0052] 具體地，濾波器51具體用于對所述調(diào)節(jié)后的信號進行小信號濾波處理，以控制所 述放大信號在預設調(diào)節(jié)范圍內(nèi)進行幅度調(diào)節(jié)，其中，預設調(diào)節(jié)范圍為48db。
[0053] 需要說明的是，上述實施例中的可變增益放大器受控于濾波器和A/D轉(zhuǎn)換器，其 中，濾波處理過程采用小信號對所述調(diào)節(jié)后的信號進行濾波處理，以控制所述放大信號在 預設調(diào)節(jié)范圍內(nèi)進行幅度調(diào)節(jié)，其中，預設調(diào)節(jié)范圍為48db。
[0054] 在實際應用中，由于公路上行駛的車輛類型是隨機的，從雷達信號反射強度看，小 型的有摩托車，大型的有全金屬箱體的箱式貨車，其信號的動態(tài)增益差范圍遠大于35db，因 此，本實施例通過設置設置一個合適的小信號濾波電平，一方面可以將系統(tǒng)動態(tài)增益差范 圍控制在合理的范圍內(nèi)（如48db)，另一方面可以避免反射波信號發(fā)生削波失真。而且解決 了測速雷達現(xiàn)場安裝時信號靈敏度調(diào)校難的問題。
[0055] 圖7示出了本實施例中的雷達測速過程中信號的增益流程示意圖，在圖7所示的雷 達測速的信號處理的整個流程中，雷達發(fā)射功率和天線發(fā)射接收增益是固定的，車輛反射 波信號的強度是隨機，車輛距測速雷達遠近導致的雷達微波在空間傳輸?shù)膿p耗是隨機的， 雷達信號的潛質(zhì)放大器的增益是固定的，可變增益放大器的增益是可變的。通過可變增益 放大器的增益動態(tài)調(diào)整動態(tài)補償反射波信號的增益變化，以保證雷達始終工作在天線方向 圖的最頂端，，減小雷達微波天線波瓣夾角導致的測量誤差。
[0056] 如圖8所示，本發(fā)明另一實施例還提供了一種基于增益控制的雷達測速系統(tǒng)，包 括:上述實施例中的雷達測速裝置1和相機2;所述雷達測速裝置1用于計算所述目標車輛的 行駛速度;所述雷達測速裝置1和所述相機2沿路呈25度夾角安裝，并通過串口數(shù)據(jù)線與所 述相機連接，以在所述目標車輛到達觸發(fā)位置時，觸發(fā)所述相機2進行抓拍;所述相機2抓拍 得到的圖片上顯示所述目標車輛的行駛速度。
[0057] 通過利用上述實施例提供的雷達測速裝置，對車輛速度測量的精確性進行了檢 驗：
[0058]我們選取某一平直單向3車道瀝青公路路面(單車道路寬3.75米，路面寬度11.5米 (3.75米X3+0.25米）），使用我們自主研發(fā)的文康.警博士窄波束測速雷達(WKMEP-2型，測速 范圍5-250km/h，靜態(tài)誤差小于-lkm/h，雷達主波瓣水平角度6度，（_3db)，計量產(chǎn)品生產(chǎn)許 可證號CMC皖制00000234號）和200萬像素工業(yè)相機(CY-2035J)，利用三角架安裝在路邊，距 離路邊1.5m，高度1.5m，雷達和相機沿路沿方向夾角25度安裝，測速雷達通過串口數(shù)據(jù)線與 高清工業(yè)相機連接，由雷達完成對車輛速度的測量和對相機抓拍的觸發(fā)，在被測汽車上(豐 田花冠）安裝L-350型非接觸式速度計（測速范圍0.3km/h-250km/h，測速誤差小于土 0.1 % )，在汽車前面保險杠上固定一塊LED車速顯示屏，當被測車輛通過測試點時，雷達自 動觸發(fā)相機抓拍車輛圖片，并自動記錄雷達測量值在圖片上，同時在圖片上可以清晰看到 當時車輛LED屏上顯示的車輛實際速度值，使被測車輛分別沿3條車道以隨機的速度行駛2 次，其中雷達COS角度修正設置成24度，測試的結果如表2所示：
[0059]表 2
[0061]由表2中數(shù)據(jù)可以看出，雷達測量的車輛行駛速度與測量的實際行駛速度之間的 最大誤差小于3%，該誤差小于國家規(guī)定的6%的誤差，精確度很高。
【主權項】
1. 一種基于增益控制的雷達測速裝置，其特征在于：包括發(fā)射模塊（10)、接收模塊 (20)、信號放大模塊(30)、自動增益控制模塊(40)和信號處理模塊(50); 發(fā)射模塊（10)用于向目標車輛發(fā)送微波射頻信號，接收模塊(20)用于接收所述目標車 輛反射的反射波信號并生成多普勒信號，將多普勒信號傳輸至信號放大模塊(30); 信號放大模塊(30)用于對所述多普勒信號進行放大處理，并將得到的放大信號傳輸至 自動增益控制模塊(40); 自動增益控制模塊(40)用于判斷所述放大信號的幅度是否在范圍[m，n]內(nèi)，若不在，則 對所述放大信號的幅度進行調(diào)節(jié)，以使調(diào)節(jié)后的信號在所述范圍[m，n]內(nèi)，并將調(diào)節(jié)后的信 號傳輸至信號處理模塊(50)，其中m、n為預設的幅度下限值、上限值，單位是0.1 mv; 信號處理模塊（50)用于對所述調(diào)節(jié)后的信號進行處理，得到所述目標車輛的行駛速 度。2. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述裝置還包括比較模塊(60); 比較模塊(60)用于判斷所述放大信號的幅度是否超過預設值c，若超過，則判定所述放 大信號不可信，若不超過，則將所述放大信號傳輸?shù)剿鲎詣釉鲆婵刂颇K(40)，其中c>n。3. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于：所述自動增益控制模塊(40)包括比較器 (41)和可變增益放大器(42); 比較器(41)用于判斷所述放大信號的幅度是否在范圍[m，n]內(nèi)； 可變增益放大器(42)用于在所述放大信號的幅度不在所述范圍[m，n]內(nèi)時，對所述放 大信號的幅度進行逐級調(diào)節(jié)，以使調(diào)節(jié)后的信號在所述范圍[m，n]內(nèi)，其中，m、n為預設的幅 度下限值、上限值，每級為Ndb，N為預設常數(shù)。4. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:信號處理模塊(50)包括濾波器(51)、A/D轉(zhuǎn) 換器(52)和DSP處理器(53); 濾波器(51)用于對所述調(diào)節(jié)后的信號進行數(shù)字低通濾波處理，得到濾波后的信號； A/D轉(zhuǎn)換器(52)用于將所述濾波后的信號進行A/D轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號； DSP處理器(53)用于對所述數(shù)字信號進行快速傅里葉變換處理，計算所述目標車輛的 行駛速度。5. 根據(jù)權利要求4所述的裝置，其特征在于:所述的濾波器(51)具體用于對所述調(diào)節(jié)后 的信號進行小信號濾波處理，以控制所述放大信號在預設調(diào)節(jié)范圍內(nèi)進行幅度調(diào)節(jié)，其中， 預設調(diào)節(jié)范圍為48db。6. -種基于增益控制的雷達測速系統(tǒng)，其特征在于:包括如權利要求1-5任一項所述的 雷達測速裝置。
【文檔編號】G01S13/92GK105911541SQ201610411366
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】金慶江
【申請人】安徽文康科技有限公司