交通測(cè)速雷達(dá)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

劉泉華, 宋媛媛, 丁澤剛， 陳雅珍

(北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院, 北京 100081)

實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新

交通測(cè)速雷達(dá)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

劉泉華, 宋媛媛, 丁澤剛， 陳雅珍

(北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院, 北京 100081)

為了加快雷達(dá)學(xué)科創(chuàng)新型實(shí)踐人才培養(yǎng)進(jìn)度和提高人才培養(yǎng)質(zhì)量,按照理論與實(shí)踐相結(jié)合的原則,針對(duì)本科高年級(jí)學(xué)生設(shè)計(jì)了交通測(cè)速雷達(dá)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以讓學(xué)生提早接觸工程實(shí)踐,不僅提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力,還幫助學(xué)生加深了對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)基本原理的理解,鍛煉了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神與任務(wù)拆分能力,為今后參與科研奠定一定基礎(chǔ)。

交通雷達(dá)； 創(chuàng)新型實(shí)踐； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 信號(hào)處理

雷達(dá)是一種無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距的電子系統(tǒng)。雷達(dá)全天時(shí)、全天候工作的特點(diǎn)使得這項(xiàng)技術(shù)廣泛地應(yīng)用于軍用和民用領(lǐng)域[1-3]。隨著雷達(dá)應(yīng)用的不斷深入,國(guó)家對(duì)于雷達(dá)人才的需求日益增大。但是僅僅依靠課堂書(shū)面?zhèn)魇诘慕虒W(xué)方法,雷達(dá)人才的培養(yǎng)水平會(huì)受到限制。雷達(dá)作為一門(mén)工程應(yīng)用背景的學(xué)科[4],基本理論與工程實(shí)際結(jié)合緊密,大量的難點(diǎn)在于工程實(shí)現(xiàn)中。不同雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與信號(hào)處理算法都不一樣,這些知識(shí)難以通過(guò)書(shū)面講學(xué)方式傳授給學(xué)生。

為解決上述問(wèn)題,北京理工大學(xué)雷達(dá)技術(shù)研究所課題組(以下簡(jiǎn)稱“課題組”)通過(guò)在雷達(dá)教學(xué)的不斷探索與實(shí)踐中,總結(jié)了雷達(dá)人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng),主要通過(guò)理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)和學(xué)位論文研究緊密結(jié)合的3個(gè)環(huán)節(jié)[5-7]。本課題組目前承擔(dān)了“雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論”和“高分辨雷達(dá)”等研究生雷達(dá)專業(yè)課程教學(xué)以及“遙感成像信息處理概論”本科生選修課教學(xué)。在這些教學(xué)中,課題組已經(jīng)在新體制雷達(dá)教學(xué)平臺(tái)下構(gòu)建了合成孔徑雷達(dá)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、相控陣實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。已構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)屬于單臺(tái)套設(shè)備,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可容納實(shí)驗(yàn)教學(xué)的人數(shù)有限,系統(tǒng)龐大、不易搬移、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和收尾工作量大,且系統(tǒng)維護(hù)成本較高。因此,結(jié)合測(cè)速雷達(dá)原理簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn),課題組開(kāi)展了測(cè)速雷達(dá)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā),通過(guò)改造市面上通用的測(cè)速雷達(dá),使改造后的測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)可以采集和存貯雷達(dá)回波數(shù)據(jù),讓學(xué)生有機(jī)會(huì)利用采集和存貯的雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)踐雷達(dá)信號(hào)處理理論知識(shí)。交通測(cè)速雷達(dá)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以為學(xué)生提供接觸、設(shè)計(jì)和構(gòu)建雷達(dá)系統(tǒng)的機(jī)會(huì),使學(xué)生快速了解雷達(dá)專業(yè)研究?jī)?nèi)容,掌握雷達(dá)專業(yè)科研和工程實(shí)踐的基本方法[6-10]。

1 交通測(cè)速雷達(dá)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

交通測(cè)速雷達(dá)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)面向信息領(lǐng)域?qū)W生的學(xué)習(xí)和科研進(jìn)行建設(shè),系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單,配置靈活,采用了模塊化設(shè)計(jì),主要由CSR-IK雷達(dá)、數(shù)字模塊和上位機(jī)模塊組成。

1.1 基本原理

多普勒測(cè)速原理是交通測(cè)速雷達(dá)實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ),其基本原理如下式[11]:

(1)

其中f0為發(fā)射頻率,fdoppler為多普勒頻率,c為光速,v為車輛徑向速度。顯然,由式(1)可得到車輛速度為:

(2)

已知發(fā)射頻率f0,光速c,在測(cè)試得到多普勒頻率fdoppler后可以求得目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的徑向速度分量。

1.2 主要模塊

交通測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)要求構(gòu)建一套基于CSR-IK型雷達(dá)的測(cè)速雷達(dá)信號(hào)處理開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

(1) CSR-IK雷達(dá)。該雷達(dá)為連續(xù)波雷達(dá),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉,工作頻率為24.15 GHz。

(2) 數(shù)字模塊。數(shù)字模塊包括ADC芯片、FPGA芯片和DSP芯片。學(xué)生首先需要進(jìn)行合理的測(cè)速指標(biāo)設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)等工作,然后在這些模塊的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)完成多普勒信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換、傳輸、存儲(chǔ)、信號(hào)的處理等工作。

(3) 上位機(jī)模塊。此次雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)的上位機(jī)模塊開(kāi)發(fā)環(huán)境為Visual Studio,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與DSP建立socket連接,實(shí)時(shí)接收DSP上傳的數(shù)據(jù),并通過(guò)作圖和列表的方式進(jìn)行顯示。

該測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)組成圖

2 教學(xué)內(nèi)容

課程教學(xué)內(nèi)容如圖2所示,主要分為理論知識(shí)教學(xué)和軟件設(shè)計(jì)培訓(xùn)。理論知識(shí)教學(xué)主要針對(duì)高年級(jí)本科生具備的知識(shí)儲(chǔ)備體系,結(jié)合雷達(dá)系統(tǒng)的知識(shí)需求,對(duì)學(xué)生已學(xué)的概率論、信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理等課程進(jìn)行梳理,以此為基礎(chǔ)講授雷達(dá)原理、信號(hào)處理算法等相關(guān)理論知識(shí),并指導(dǎo)學(xué)生在Matlab上完成雷達(dá)信號(hào)處理算法仿真。軟件開(kāi)發(fā)培訓(xùn)主要以學(xué)生掌握的C/C#語(yǔ)言和Verilog語(yǔ)言為基礎(chǔ),分組開(kāi)展DSP軟件設(shè)計(jì)、FPGA軟件設(shè)計(jì)、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)相關(guān)培訓(xùn),需要學(xué)生掌握常用語(yǔ)法,具備完成程序設(shè)計(jì)能力[12]。通過(guò)課程內(nèi)容學(xué)習(xí),學(xué)生能掌握該系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí),以此為基礎(chǔ)查閱相關(guān)文獻(xiàn),提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新思路。

3 實(shí)驗(yàn)案例

學(xué)生根據(jù)擬定的系統(tǒng)測(cè)試方案,可分別開(kāi)展音叉振動(dòng)測(cè)量和移動(dòng)車輛速度測(cè)量。測(cè)速雷達(dá)信號(hào)處理平臺(tái)與CSR-IK型雷達(dá)相連構(gòu)成測(cè)試平臺(tái),測(cè)速結(jié)果與CSR-IK型雷達(dá)測(cè)得的速度進(jìn)行對(duì)比。

音叉振動(dòng)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)案例中,首先通過(guò)測(cè)速雷達(dá)獲取標(biāo)準(zhǔn)音叉的回波信號(hào),再通過(guò)信號(hào)處理獲得音叉振動(dòng)對(duì)應(yīng)的速度,并對(duì)比分析測(cè)量的速度值與音叉標(biāo)定頻率值對(duì)應(yīng)的速度值的偏差獲得測(cè)速雷達(dá)測(cè)速精度。實(shí)驗(yàn)中,音叉的振動(dòng)頻率為1 kHz,音叉的振動(dòng)對(duì)應(yīng)的速度為22.36 km/h,利用此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量音叉振動(dòng)對(duì)應(yīng)的速度為22.71 km/h,實(shí)際速度和測(cè)量速度有偏差主要是由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的0.87 km/h的速度測(cè)量精度導(dǎo)致的,速度測(cè)試值和實(shí)際值偏差在誤差容許范圍內(nèi),如圖3所示。

圖2 理論知識(shí)講解內(nèi)容

移動(dòng)車輛速度的實(shí)驗(yàn)案例中,首先利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲取移動(dòng)車輛的雷達(dá)回波數(shù)據(jù),再通過(guò)信號(hào)處理獲得汽車運(yùn)動(dòng)速度,最后對(duì)比分析測(cè)量的速度和汽車儀表盤(pán)顯示速度差異驗(yàn)證數(shù)據(jù)獲取和信號(hào)處理方法的正確性。圖4是實(shí)際移動(dòng)車輛速度測(cè)量的實(shí)例。

4 教學(xué)效果

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)開(kāi)展2年,超過(guò)100名學(xué)生從中受益,實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后,課題組對(duì)所有參與該課程的學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示,55%的學(xué)生表示能夠在課堂上完全理解課程內(nèi)容,45%的學(xué)生可以在課后通過(guò)教師輔導(dǎo)和討論理解課程內(nèi)容。90%以上的學(xué)生能夠獨(dú)立或者在教師指導(dǎo)下完成課程作業(yè),極少數(shù)學(xué)生在他人幫助下完成課程作業(yè)。理論算法部分由于初步接觸,有30%左右的學(xué)生需要通過(guò)討論和幫助完成算法仿真。絕大部分學(xué)生認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)課程結(jié)合算法學(xué)習(xí)，軟件、硬件開(kāi)發(fā),即能加深對(duì)理論的理解,又能鍛煉個(gè)人動(dòng)手實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神,對(duì)提升學(xué)生的學(xué)科認(rèn)知,掌握科研流程具有重要意義。

圖3 音叉測(cè)試

圖4 汽車測(cè)試

5 結(jié)語(yǔ)

雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程以交通測(cè)速雷達(dá)開(kāi)發(fā)為基礎(chǔ),通過(guò)理論教學(xué)和實(shí)踐開(kāi)發(fā)的方式,充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的積極作用,從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)到最終測(cè)試考核,使學(xué)生全面體會(huì)科研流程,鍛煉學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力,激發(fā)創(chuàng)新意識(shí),培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神,為學(xué)生能更快更好地融入科研隊(duì)伍和工程實(shí)踐打下良好基礎(chǔ)。

References)

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Practice on innovation-oriented experimental teaching for traffic speed-measuring radar

Liu Quanhua, Song Yuanyuan, Ding Zegang, Chen Yazhen

(School of Information and Electronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

In order to speed up the cultivation of the innovation-oriented practical talents, and improve the quality of talent cultivation in the radar discipline, and according to the principle of combining theory with practice, the teaching links for the experimental course of Traffic Speed-Measuring Radar are designed for the senior undergraduate students. This experimental teaching enables the students to contact with engineering practice early, which not only improves their practical ability, but also helps them to deepen the understanding of the basic principles of radar systems, and train their team spirit and ability, laying a certain foundation for their future participation in scientific research.

traffic radar; innovation-oriented practice; system design; signal processing

G642.0;TN953

: A

: 1002-4956(2017)09-0009-03

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.003

2017-04-07

國(guó)家青年自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61001189)

劉泉華(1982—),男,福建永定,博士,副教授,研究方向?yàn)楦叻直胬走_(dá)及分布式雷達(dá).

E-mail:liuquana