提高被動式毫米波測速精度的方法

張 松，張 亞，蔡亦清

(中北大學機電工程學院,山西 太原 030051)

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提高被動式毫米波測速精度的方法

張 松，張 亞，蔡亦清

(中北大學機電工程學院,山西 太原 030051)

針對被動式毫米波測速系統對測速信號處理不精確導致測速精度不高的問題，提出了改善系統硬件電路和軟件程序以提高被動式毫米波測速精度的方法。該方法根據輻射計輸出模擬信號的電壓及頻率規律，設計出合理的硬件電路對信號進行相關處理以增強信號的可讀性，然后利用TMS320F28335芯片對處理后的信號進行特征提取、設置對應的判別門限閾值以及對采集的數據進行快速計算。實驗表明采用該方法對輸出的模擬信號具有較好的處理能力，使得直接檢波式輻射計的輸出信號在示波器中有良好的可識別波形，利用該信號測得移動金屬速度誤差小于2%。

被動式毫米波;測速系統;特征提取;判別門限

0 引言

毫米波的研究逐漸得到重視，無論是在軍事還是在民用中都得到較好的應用。被動式毫米波是毫米波眾多應用中的一種，即不主動發射毫米波信號，檢測接收外界物體輻射的微波[1-2]。被動式毫米波測速便是采用這一原理探測金屬目標的移動速度。如何提高被動式毫米波測速的精度便是研究的重點[3]。文獻[4]通過確定多重特征門限的方法來提高被動式毫米波目標識別的精度，方法較為繁瑣，且適用范圍有限。文獻[5—6]是重點對輻射計硬件的功能進行分析，注重輻射計本身的信號處理能力，而忽略了對輸出信號的后續處理過程,影響了毫米波測速精度。不難看出，上述研究中均存在著被動式毫米波測速系統對測速信號處理不精確導致測速精度不高的問題，本文針對此問題，提出了改善系統硬件電路和軟件程序以提高被動式毫米波測速精度的方法。

1 被動式毫米波測速原理

被動式毫米波測速系統是利用被測目標物體與背景之間的毫米波輻射的細微差異從而探測及識別目標[7]。本測速系統主要針對金屬物體在空氣中運動進行測速，即利用金屬物體和空氣發射毫米波波束的差異進行檢波測速。當系統工作時，探測目標及周圍的場景所發射的毫米波波束只要是在天線的照射區域內都會被天線接收，并有相應的信號產生[8-9]。

直接檢波式輻射計如圖1，它的主要功能是將接收到的探測目標及周圍的場景所發射的毫米波波束進行一系列處理得到后續信號處理中理想的模擬信號[10]。由圖2直接檢波式輻射計硬件框圖可知其工作原理。毫米波波束輻射到接收機時信號十分微弱，必須先在低噪聲放大器中將其轉換為電壓并進行放大，然后在衰減器中進行相應的衰減調整，通過檢波器區分低頻電壓信號和干擾信號，最后信號在視頻放大器中放大，輸出所需的模擬信號。

圖1 直接檢波式輻射計實物圖Fig.1 Direct detection radiometer physical map

圖2 直接檢波式輻射計硬件框圖Fig.2 Direct detection radiometer hardware diagram

當金屬物體進入系統探測范圍時直接檢波式輻射計會產生一個峰值脈沖，當金屬物體完全離開系統探測范圍時直接檢波式輻射計會產生一個谷值脈沖，此時利用示波器可以清楚地觀察到波形的變化[11]。如圖3所示，已知測速系統距離金屬物體的垂直距離為D,直接檢波式輻射計的探測角度為θ，金屬物體的自身長度為d，則金屬被探測時的實際運動的距離L：

(1)

圖3 被動式毫米波測速原理圖Fig.3 Schematic diagram of passive millimeter wave velocity measurement

2 系統設計

2.1 硬件電路設計

文獻[4]等利用被動式毫米波測速的重點是對輻射計硬件的功能進行分析，但是直接檢波式輻射計自身的能力有限，如信號放大能力等，輸出信號在示波器上的電壓僅有20 mV左右，利用芯片對如此小的信號進行處理誤差較大，因此要想處理這個模擬信號必須適當放大。

測速系統選用TI公司的TMS320F28335芯片作為采樣信號的處理芯片，外設和存儲器高度集成在芯片內部，降低成本，節約空間，提高了整個測速系統的可靠性[12-13]。選擇芯片上的ADCINA0引腳作為外界模擬信號的輸入端，完全滿足測速系統高速采樣轉換的要求。芯片的ADCINA0引腳上輸入的模擬信號電壓值必須控制在0～3 V之間，否則會對芯片造成損壞。因此需要在模擬信號輸入芯片之前增加一個電壓偏置電路，將輸入的模擬信號電壓控制在0～3 V的范圍。

簡單的硬件電路增強了直接檢波式輻射計輸出信號的可讀性，良好的信號波形減輕了系統芯片的運算量，為下一步波形的特征提取打下基礎。

2.2 軟件程序設計

被動式毫米波測速的硬件電路相對簡單，主要負責TMS320F28335最終可以采集到信號，后續的回波信號處理對于測速系統能否實現快速精確的測速至關重要。軟件程序主要分為三大部分，信號波形的特征提取、設置對應的判別門限閾值及對采集的數據進行快速計算。

2.2.1 信號波形的特征提取

金屬物體進入和離開探測范圍時均會產生脈沖，脈沖波形特征的準確提取是提高測速精確的第一步。系統為了避免同時采樣時的干擾以及減少功耗，選擇通道ADCINA0作為工作通道，采樣轉換后的數字量被存放在相對應的轉換結果寄存ADCRESUL Tn中。測速系統的回波信號的頻率在5～10 Hz[6]，已知系統采樣的頻率必須大于模擬信號最高頻率的2倍，即fc>2f0，工程中通常取3～5倍，為了更加具體的反應信號的波形，本系統采樣頻率取信號最高頻率的20倍,在級聯模式下，每隔5 ms對ADCINA0S上的一路模擬信號采樣一次。

經過芯片A/D轉換后的數字量能夠最大限度的反映出信號波形的特征，同時6.25 MSPS的采樣速率也保證了測速系統的實時性。

2.2.2 設置對應的判別門限閾值

不同于文獻[4]采用多重門限的設定方法來提高測速精度，在已經獲得信號波形特征的前提下采用簡單門限便可以起到保證數據精度，濾除干擾的作用。

ADC每隔5 ms讀取一個數，將一次測速所收集到的數據全部存放在設置的數組a[i]中，實時判斷這組數據中的最大值和最小值，實驗的峰值應在2～3 V之間，谷值應在0～1 V之間，因此為了減少干擾造成的誤差，數組中的最大值應該大于2 V,最小值應該小于1 V。找出此時所測物體開始進入被動式毫米波探測范圍時峰值所對應的時刻T1以及離開探測范圍時谷值所對應的時刻T2，記錄兩值之間的時間間隔t，由式(1)得金屬位移距離L，從而計算出所測物體的移動速度v。

(2)

3 測試實驗

被動式毫米波測速電路的實驗采用將模擬仿真和實物實驗相結合的方法，Multisim仿真驗證各電路是否能達到預期的放大、濾波、偏置效果。實物實驗驗證測速系統的整體性能效果，包括測速實時性、信號抗干擾性以及系統穩定性等。

3.1 Multisim仿真

信號發生器(Function Generator)模擬測速回波信號，生成頻率為10 Hz，電壓在10～30 mV的正弦波，輸入被動式毫米波測速系統的放大、濾波、偏置電路中。各電路的仿真結果如圖4—圖6所示。

圖4 二級信號放大電路仿真結果Fig.4 Simulation results of two stage signal amplifying circuit

圖5 10 mV回波信號偏置電路仿真結果Fig.5 Simulation results of 10mV echo signal bias circuit

圖6 30 mV回波信號偏置電路仿真結果Fig.6 Simulation results of 30mVecho signal bias circuit

仿真結果證實二級放大電路將30 mV信號放大50倍，使信號的振幅不大于3 V,滿足放大要求。偏置電路將所有回波信號的電壓向上偏置1.5 V，保證輸入ADCINA0引腳的模擬信號電壓大于0 V，避免芯片損壞。模擬仿真實驗結果驗證了電路的可行性。

3.2 室外測試

仿真后的電路做成PCB電路板與直接檢波式輻射計和TMS28335的ADCINA0引腳相連，構成完整的被動式毫米波檢測系統。將測速系統與汽車的測試距離D從5 m推至22 m，汽車長度為4.5 m，檢測部分距離回波信號的波形如圖7—圖10所示。測試結果如表1所示。

圖7 5 m測速波形 Fig.7 5 m Velocity waveform

圖8 7 m測速波形Fig.8 7 m Velocity waveform

圖9 17 m測速波形Fig.9 17 m Velocity waveform

圖10 19 m測速波形Fig.10 19 m Velocity waveform

測速距離/m所測車速/(m/s)實際車速/(m/s)相對誤差/%測速距離/m所測車速/(m/s)實際車速/(m/s)相對誤差/%515.515.311.21514.414.300.7715.315.220.51715.815.670.8914.314.240.41913.413.480.61114.914.820.52015.715.481.41313.513.440.42215.215.562.3

4 結論

本文提出了提高被動式毫米波測速精度的方法，該方法根據輻射計輸出模擬信號的電壓及頻率規律，設計出合理的硬件電路對信號進行相關處理以增強信號的可讀性，然后利用TMS320F28335芯片對處理后的信號進行特征提取、設置對應的判別門限閾值以及對采集的數據進行快速計算。實驗表明采用該方法對輸出的模擬信號具有較好的處理能力，使得直接檢波式輻射計的輸出信號在示波器中有良好的可識別波形，最終測得移動金屬速度誤差小于2%。但是在實際應用上還存在不足之處，如供電電池較笨重，不易攜帶，測速系統需要專門的支架等，由于本系統只是驗證測速電路的可用性，因此測速距離均是提前已知而后計算速度，不具備變化場地實時測速的能力。

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Enhancement of Passive Millimeter Wave Velocity Measure Precision

ZHANG Song, ZHANG Ya, CAI Yiqing

(School of Electromechanical Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Aiming at passive millimeter wave velocity measuring system for speed signal processing inaccurate result in speed measuring precision is not high, a system of hardware circuit and software program in order to improve the passive millimeter wave speed measuring precision was proposed. According to the radiometer output analog signal voltage and frequency regulation, a reasonable hardware circuit of signal processing was designed to enhance the readability of the signal, then the TMS320F28335 chip was used for featuring extraction of the signal processing, corresponding discriminant threshold and fast calculation of data acquisition was set. Experiments showed that, by using the method of output analog signal, the method had a good ability to make direct detection radiometer output signal in the oscilloscope, which had good identifiable waveform, and the signals of measured mobile metal velocity error was less than 2%.

passive millimeter wave; speed measuring system; characteristic extraction; judgement threshold

2016-04-25

張松(1991—)，男，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向：機電系統控制技術。E-mail:1461669880@qq.com。

TP242

A

1008-1194(2016)05-0064-04