具有GPRS通訊的FMCW雷達道路運動目標探測系統

張浩源，秦會斌

（杭州電子科技大學 新型電子器件與應用研究所，浙江 杭州310018）

0 引言

對重要交通道路實現無人值守自動監控，可以節省人力，降低成本，有較高的實施應用價值。同時，紅外、微波雷達等具有探測距離遠、全天候運行、抗干擾能力強、隱蔽性高等優點，能夠自動監控重要路口，滿足無人值守的需要。非接觸探測技術在其他方面也都有廣闊的應用前景，如橋梁監控、倉庫監視、環境監測等。目前，大多數交通監視系統都只采用攝像頭來采集車輛信息，若攝像頭出現故障或者遭受惡劣天氣影響，必然會導致探測系統無法采集相關數據。由于不同的工作原理、特征，不同的運動目標檢測傳感器有不同的應用范圍，因此應該盡量讓其處于符合其特征的環境中進行探測，否則會導致探測到的數據出現誤差甚至是錯誤。而多傳感器，如被動式紅外技術和雷達技術的聯合使用，可以適應更多的環境，提供高精確度的車輛數目、距離的識別。同時，使用GPRS模塊，確保了通訊穩定性，服務器端遠程接收雷達監控數據，節省了人力，降低了成本。

1 系統總體設計

本文設計了采用紅外、微波和GPRS三種技術的運動目標探測系統。主要由微波、紅外和GPRS模塊以及單片機主控模塊組成。其結構如圖1所示。

圖1 運動目標探測系統總體結構

2 微波探測模塊

FMCW雷達利用雷達發射頻率調制的微波信號。由介質振蕩器發出一個頻率為f的微波信號，f受調制波控制，一部分發射出去，另一部分進入混頻器作為本振信號。隨后，天線將回波信號傳遞到混頻器，和此時頻率已經變化為f′的實時本振信號進行混頻，混頻后得到差頻信號f0，通過對差頻信號進行采樣，判斷目標的距離與運動速度。

FMCW雷達的調制信號普遍選用的是鋸齒波和三角波[1]。其中，鋸齒波只能測量距離，無法測量目標速度信息。三角波可以同時獲得這兩種信息，因此選用三角波作為調制信號。其目標距離R的計算公式如式（1）所示：

其中R是目標距離，c為光速，ΔF為在三角波調制下微波信號頻率變化差值，fd為差頻信號的頻率，T為回波信號時間延遲。由此，可以對差頻信號進行FFT算法計算，得到其頻譜，確定差頻信號的頻率，進而獲得目標的距離信息[2]。

硬件設計主要是對差頻信號的濾波放大，如圖2為雷達模塊的整體框圖。

圖2 雷達模塊整體框圖

本設計采用的FMCW雷達為瑞士Rfbeam公司的K-LC1a雷達收發器。該收發器利用TLV5616產生三角波作為調制信號，控制K-LC1a發射線性掃頻信號，當有反射信號時，反射信號與收發器泄漏的本振信號在混頻器中混頻后產生攜帶距離信息的差頻信號。差頻信號經過初級放大電路和次級放大電路，作為輸出信號供單片機分析。為減少噪聲信號干擾，需要設計帶通濾波器，本文使用通頻帶的頻率響應曲線平滑的巴特沃斯濾波器。利用LM324運算放大器設計了一個二階低通濾波器和一個二階高通濾波器，從而形成帶通濾波器。經過處理的差頻信號提供給單片機采樣分析，使用FFT算法計算目標的距離與速度信息。

具體設計中，斬波穩零式運算放大器噪聲較小，故利用斬波穩零式運算放大器作為處理電路中的第一個設備，可以順利減小噪聲對信號的影響。但是，由于斬波穩零式運算放大器一般會選擇高增益的設計，對于外部干擾的抵抗能力也會變弱。由于運算放大器會放大所有接收的信號，所以需要在放大過程中添加濾波器，組成帶通濾波器實現只通過期望的目標信號。利用REF5025提供基準電壓，精密運算放大器ICL7650對雷達信號進行初級放大。如圖3所示，其放大增益約為33倍，同時抑制了高頻噪聲，滿足對雷達信號初級處理的要求。

圖3 雷達信號初級放大電路

次級放大電路中，由于雷達差頻信號的電壓輸出范圍較大（20～200mV），在次級放大過程中，容易出現信號飽和，為了實現信號的歸一化，便于單片機對差頻信號采樣，需要使用壓控運算放大器。利用壓控信號對次級運算放大器的放大倍數進行調節，保證信號歸一性，便于單片機對信號進行識別，使用了壓控運算放大器VCA820對信號進行二次放大，如圖4所示。

圖4 雷達信號次級放大電路

通過控制VCA820的2引腳的電壓即可實現增益倍數的控制，由此可以實現總增益10～100倍的次級放大器設計。基于差頻信號的輸出，通常控制其增益為10～30倍，在差頻信號經過初級放大電路和次級放大電路處理后，其增益最大約可至60dB，可將雷達信號轉換為0～3.3V模擬信號輸出，滿足ADC對雷達信號采集的要求。

帶通濾波電路的目的是抑制所有的在通頻帶之外的信號，只保留所需的頻率信號。利用帶通濾波器來限制信號帶寬，必須考慮濾波器元件的頻率響應、功率和損耗。計算得出，如果使用600Hz的三角波作為調制信號，可知對于1～20m以內的探測物體，差頻信號輸出頻率約為2k～40kHz。所以設計了通頻帶為1k～100kHz的的帶通濾波器。其仿真頻率響應曲線如圖5所示，滿足抑止噪聲信號需求。

圖5 雷達濾波器頻率響應曲線

故基于運算放大器LM324設計了二階巴特沃斯濾波器，該類型濾波器通頻帶平坦，并且通頻帶之外頻率響應逐漸變化。通過高通濾波器和低通濾波器結合，構成了帶通濾波器，降低了噪聲對差頻信號的干擾。

雷達探測程序流程如圖6所示，在喚醒之后，利用串口控制TLV5616生成600Hz的三角波，通過DMA接收ADC采樣的雷達差頻信號，并用FFT分析，確定其頻率的最集中處，根據距離公式算出目標距離。

圖6 雷達探測流程

3 紅外探測模塊

紅外探測具有很強的隱蔽性，同時具有較強的穿透能力和全天候能力，已成為現代光電子技術的重要組成部分。紅外小目標探測在紅外報警和國防等大量重要工程中發揮了不可或缺的作用[3]。通過將紅外信號作為預警信號，在預警后開啟微波模塊，減少了系統功耗，為遠程監控提供更長時間的支持。

本文利用了芯片EG4002組成紅外信號放大電路，同時包含了電壓比較電路，將報警信號傳輸給單片機。如圖7所示為整體電路框圖。

圖7 紅外探測模塊整體電路框圖

由于PIR傳感器輸出的信號為10Hz左右，幅值為幾毫伏的低頻信號，而噪聲信號一般高達數十kHz，所以設計了具有抑止高頻噪聲能力的放大比較電路。設計的電路如圖8所示。

圖8 紅外信號放大電路

圖9 EG4002結構

其中，EG4002內部自帶定時功能和30倍的電壓增益，便于在紅外信號處理電路中使用，簡化了設計。其外部增益可通過R1調節。EG4002內部結構如圖9所示。在經過內部初級放大后，紅外電路產生的信號仍為模擬信號，為了便于后續單片機接收，內置了電壓比較電路。電壓比較器通過運算放大器比較兩端電壓，如果輸入電壓不符合預設端口的閾值電壓范圍，運算放大器將會產生電壓反轉，從而將模擬信號轉為數字信號，作為預警信號輸出。

設計中選用了型號為7703-1的菲涅爾透鏡，如圖10所示，其探測距離大于24m，可視角度為70°，大大增強了系統的探測距離[4]。

圖10 菲涅爾透鏡

4 GPRS模塊通信設計

GPRS模塊使用了GA6模塊，在接入GPRS網絡后，利用TCP/IP協議可以實時將本地模塊的報警信息傳輸給服務器端，實現了對道路信息的遠程監控。STM32F103利用串口同GA6進行通訊，雷達所探測到的報警信息經過STM32的處理，通過串口發送給GA6，如圖11所示。

圖11 STM32與GPRS模塊的通訊

GA6將接收到的串口數據封裝為TCP/IP數據包，發送給GPRS網絡，通過GPRS網絡和互聯網將數據包傳遞給服務器端，服務器端通過數據包獲得串口數據，并將串口數據顯示在頁面上，從而實現了系統探測數據的遠程傳輸[5]，整個流程如圖12所示。

圖12 GPRS模塊發送數據流程

在PC端，使用Windows sockets來接收數據包，該傳輸協議可以通過TCP/IP來收發數據，利用winsock來接收數據包，獲取雷達探測系統數據。

5 系統測試

紅外信號在有移動車輛或人經過時將產生方波預警信號，通過外部觸發將紅外信號傳輸給單片機，在預警后開啟微波模塊，減少了系統功耗，為遠程監控提供更長時間的支持。其預警信號如圖13所示。

圖13 紅外預警信號

微波模塊正常工作時，在三角波調制下會產生約2kHz～40kHz的差頻信號，微波雷達的差頻信號在運動目標出現時，頻率會發生 變化，經過電路處理之后傳輸給單片機的信號如圖14。

圖14 雷達差頻信號

圖15 LCD顯示

其頻率經過單片機FFT分析后，主要集中在約6kHz處，需要使用顯示模塊顯示目標距離和經過的數量，其顯示如圖15所示，第一行為探測到的距離，第二行為經過探測區域車輛數量。

通信顯示模塊接收雷達發送的探測信息，如圖16所示。從通訊數據中可以得到發現道路目標的最近距離，并可以根據雷達系統編號來查詢系統所處地點，實現了遠程無人的道路運動目標監控。

圖16 服務器接收到的報警信息

6 結語

本文利用GPRS模塊，將FMCW雷達和紅外傳感器探測到的道路運動目標信息遠程傳輸，實現了遠程無人的道路運動目標監控。其中對于FMCW雷達，進行了三角波調制電路、差頻信號的信號處理放大濾波電路的設計；設計了紅外預警信號電路，利用GPRS模塊通過TCP/IP協議將雷達測到的運動目標數據傳輸給服務器端，并在頁面上顯示報警信息。利用GPRS模塊具有的遠程通訊功能、紅外系統的預警功能，減少了人力、能源消耗，降低探測系統成本，在現實生活、工業等方面具有實用價值。