智能化交通信息測量雷達的波形設計及實現

摘 要： 為滿足智能化交通發展的需要，分析并設計實現了一種新的多功能交通信息測量雷達的輻射波形。首先簡要介紹了測量雷達的功能需求，并以功能需求為出發點展開分析，得出實現這些功能所需的雷達波形；其次，以先進的DDS、PLL、微波倍頻和濾波等技術為基礎，詳細闡述了測量雷達的波形產生方法，并給出了波形產生的軟、硬件原理；最后，給出了實測結果，驗證了實現方法的準確性。

關鍵詞： 波形合成； 智能交通系統； 直接數字頻率合成器； 測量雷達

中圖分類號： TN959?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

交通信息檢測是智能交通系統中的重要環節，其主要任務是獲取道路上車輛的狀況，這些信息主要包括車流量、平均車速、車道占有率、車型等。交通信息的實時準確獲取是整個智能交通系統的基礎，現有的交通信息探測技術手段主要有環形線圈檢測、紅外線檢測、視頻檢測、超聲波檢測、微波檢測等。其中，環形線圈檢測精度高、使用范圍廣，但是安裝維修時需封閉部分路段并對道路進行破壞，時間和經濟成本較高；紅外和視頻檢測器受氣候因素影響很大，晚上、大灰塵和陰雨霧天氣時檢測精度低；超聲檢測必須頂置安裝，安裝條件受到一定限制[1]。基于雷達的檢測技術不受上述缺點限制，具有安裝維護方便、檢測精度高、抗干擾能力強、受環境影響小、全天候、體積小等諸多優點，發展前景廣闊，具有重要研究價值[2]。

波形設計是一部交通信息測量設備的核心問題，它是系統功能實現的關鍵。本文分析了基于雷達的交通信息測量設備的波形設計，并詳細介紹了用于某型交通信息測量雷達的微波源設計方法。

1 測量雷達功能要求及雷達波形分析

1.1 測量雷達功能

測量雷達側向架空安裝于路邊的燈桿或電線桿上，波束指向垂直于車道，燈桿或電線桿到第一車道的水平距離[l0]在2 m左右，架設高度[h]約8 m，具體安裝態勢如圖1所示。

測量雷達主要完成以下任務：實時測量每部車的速度，實現不同時間段內平均通行速度的統計；測量車輛通過雷達波束時所處的車道及行駛方向，實現雙向八車道的通行量統計；測量車輛長度，實現雙向八車道的車型通行信息統計。

1.2 功能實現分析及波形分析

車輛速度測量常用的方法是多普勒測速，雷達發射連續波信號，比較發射信號與接收信號之間的頻率差測出車輛的速度。本設備由于側向垂直路面安裝，車輛通過雷達檢測剖面時沒有相對雷達的徑向速度，多普勒頻率為零，因此多普勒測速方法并不適用本系統。為了測出每輛車的速度，該設備采用雙天線、雙波束的方式來測速，通過記錄車輛通過兩個天線波束的時間差進而得出其速度。

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圖1 交通信息測量雷達安裝示意圖

車道交通流量的統計問題，實際是不同車道的觸發累計問題。根據工作環境的不同，對每一個車道設置一定的檢測門限，當有車輛通過時，該車道的信號電平會超過設置的門限，觸發累加器做加1操作，實現統計值的更新。該指標實現的關鍵是車輛所處車道的準確判定，而車輛所處車道的準確判定關鍵又在于車輛到雷達距離的準確測量。為了準確判斷車輛的車道，雷達需發射線性調頻連續波信號，當有車輛通過時產生較大幅度的回波信號。由于不同車道車輛的回波到測量雷達的延遲時間不同，便會產生不同的頻率差。雷達通過時域的幅度檢測來觸發測量，再通過頻域頻率差的測量，便可以準確判定出那個車道有車通過，并對相應車道的統計值加1。

車型的區分利用不同車通過波束的時間長短來進行判斷。不同車型由于自身結構、長度各異，因此它們通過雷達波束的時間長短各不相同，且回波波形包絡各有特點。測量雷達提前采集不同車型的波形并建立數據庫，當測量到一輛車的回波信號時，與數據庫進行比對，便可確定出車型信息。

根據以上分析，交通信息測量雷達系統組成框圖如圖2所示，其發射信號波形宜采用線性調頻連續波（LFCW）信號。

2 測量雷達波形產生與實現

測量雷達工作于Ku波段，信號形式為線性調頻鋸齒連續波，調頻帶寬為120 MHz，波形時頻特性如圖3所示。

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

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圖2 系統組成原理框圖

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圖3 系統組成原理框圖

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圖4 波形產生單元組成框圖

2.1 DDS芯片選擇

本系統選用的DDS芯片為AD9954 ，它是AD公司生產的性能最好的芯片之一。與普通的DDS芯片相比，AD9954為了實現線性調頻和高度集成，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轉換器[3]。

AD9954內含1 024×32靜態RAM，利用該RAM可實現高速調制，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AD9954的串行I/O口輸入控制字可實現快速變頻，且具有良好的頻率分辨率[4]。

AD9954的應用范圍包括頻率合成器、可編程時鐘發生器、雷達和掃描系統的FM調制源以及測試和測量裝置等。

2.2 單片機與DDS的接口設計

AD9954有單頻模式、RAM控制模式和線性掃頻三種工作模式，因為測量雷達需要產生FMCW信號，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，前8位為指令位，用于確定是讀操作還是寫操作，以及操作的是哪個寄存器。串口編程時序圖如圖5所示。

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圖5 DDS串口編程時序

SCLK為串行時鐘，用于數據同步。SCLK上升沿時才能向寄存器寫入數據，下降沿可用于讀出數據。AD9954最高支持25 MHz的時鐘頻率。[CS]為片選信號，只有當其為低電平時才允許進行串口通信；當[CS]為高電平時，SDO和SDIO將變為高阻狀態。SDIO為串行數據輸入輸出口，所有寫入DDS的數據必須經由此端口，而且利用寄存器CFR1的第9位，還也可將其配置為雙向數據口。

2.3 單片機程序設計

信號源程序流程圖如圖6所示。

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圖6 程序流程圖

單片機加電后，首先進行單片機的初始化設置，然后進入到DDS的配置程序，具體步驟如下：

（1）利用Reset端口將AD9954復位一次。因為DDS要工作在線性掃頻模式，將無用的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。設置CFR1<21>為高電平，使DDS工作于線性掃頻模式；設置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。設置參考倍頻系數為20，實際DDS所用外部晶振為20 MHz，則系統時鐘頻率將達到最高值200 MHz；

（5）配置FTW0寄存器，設置線性掃頻的起始頻率；

（6）配置FTW1寄存器，設置線性掃頻的終止頻率；

（7）配置RLSCW寄存器，設置線性調頻斜率；

（8）I/O update端口電平翻轉一次，更新各個寄存器中的數據；

（9）定時，每隔0.24 ms PS0端口電平翻轉一次。

第（9）步每執行一次，DDS便可輸出線性調頻信號的一個“調頻鋸齒”，不斷循環執行，便產生了所需的線性調頻連續波信號。

2.4 其他部分設計與實現

混頻所需的本振由AD公司生產的集成PLL芯片AD4360?6產生，它內部集成有分頻器、鑒相器、VCO等，只需外部配置參考晶振和無源環路濾波器便可構成完整的PLL系統，使用非常方便。通過單片機對它的寄存器進行配置，產生600 MHz的混頻本振。

600 MHz本振與DDS產生的LFCW信號混頻，得到中頻LFCW信號。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，增加一個窄帶濾波器，濾除高次混頻分量。中頻濾波器選用介質濾波器較為合適，它的體積小、成本低，矩形系數高、損耗低，頻率溫度系數小[5]，非常適合用于本系統。

16倍頻器選用集成有源倍頻器，它除了產生需要的16次諧波外，也會產生大量其他次的倍頻諧波。為此，倍頻器后面采用一個微波腔體濾波器完成濾波任務。經過上述處理后便得到了測量系統所需的微波信號。

3 測試結果

為了驗證設計的正確性，分別使用頻譜分析儀MS2668C和計數器CNT?90對輸出信號進行了測量，結果如圖7所示。測量結果表明，該信號源中心頻率為12.06 GHz、調頻帶寬為120 MHz、調頻周期為0.24 ms，各項指標均與設計相符，滿足雷達測量設備的需求。

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圖7 信號源測試結果

4 結 論

該波形產生信號源已經設計完畢，可輸出鋸齒波調頻的連續波信號，并成功應用某型交通信息測量雷達。該測量雷達可同時測量車輛的速度、所處的車道、行駛的方向、車輛的長度等多個指標，滿足了省道、國道、高速公路交通信息采集的準確性要求，且安裝方便，工作不受天氣因素影響，取得了非常好的測量結果，為公路交通的智能化管理提供了有力的手段。

參考文獻

[1] 蔣鐵珍.數字雷達技術在車流量檢測雷達中的應用[D].上海：中國科學院上海微系統與信息技術研究所，2006.

[2] 奈存亮，張浩，余穩，等.微波交通信息檢測雷達信號處理系統設計[J].微計算機應用，2009，30（11）：60?64.

[3] 李申陽，蘇廣川.基于DDS技術的高性能雷達信號源的設計[J].軍民兩用技術與產品，2006（9）：41?43.

[4] 許加楓，劉抒珍，劉小紅.高性能DDS芯片AD9954及其應用[J].國外電子元器件，2004（11）：23?26.

[5] 張龍，陳世釵，劉光聰，等.結構參數對微波介質濾波器電性能的影響[J].壓電與聲光，2011，33（5）：743?745.

[6] 章冠，李棟，郭建強.基于磁感線圈的車流量檢測的研究[J].現代電子技術，2012，35（14）：131?132.