1、江南大学硕士学位论文基于DSP的测速雷达数据采集和处理姓名：刘邹申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：施火泉;张建平20080301摘耍摘要近几年随着我国公路事业的蓬勃发展和汽车保有量的飞速增长，电子警察等高科技设备不断涌现在人们的视野当中，但是国内现有的电子警察测速或超速抓拍设备存在速度检测准确率不高，图片抓拍有效率太低，照片模糊不清晰等问题，影响了违章取证的公平和公正性。同时超速抓拍的方向固定只能针对来车目标，夜间配合闪光灯使用时强光会对迎面车辆的驾驶员视觉造成影响，诱发交通事故影响行车安全。本文的主要内容是研究设计一种有效的超速目标相关检测方法，即通过对双通道连续波多普勒
2、测速雷达的数据采集和处理后，实现从不同的方向对目标速度的准确检测，在锁定目标后及时自动触发图像采集设备，使抓拍到的图片有效率高，图片中车牌号码清晰，解决现有电子警察测速设备普遍存在的问题，特别是解决夜间使用闪光灯可以从车尾方向抓拍的问题。设计有效的超速目标相关检测方法，首先根据双通道连续波多普勒测速雷达通道信号的特性，建立一个用于速度检测系统的Matlab仿真模型，完成模拟数据输入、噪声处理、频谱变换分析和目标数据相关等检测计算方法的工作，实现对运动目标的行驶速度和运动方向测量的仿真，检验这种测速方法的可能性和准确性。利用已经建立的仿真模型在电子警察设备中设计一个基于DSP为核心的雷达控制系统
3、，用来采集雷达信号，设定工作状态参数，自动检测超速目标，发送目标超速状态信息和及时的触发信号，触发图片采集设备抓拍到有效的图片。同时要求雷达控制系统体积小，功耗低，性价比高和工作可靠性高。完成设计后，对系统设备进行现场的实车试验和调试，使电子警察系统可以对超速目标进行不同方向检测和抓拍，具有超速目标检测有效率高、速度检测精度高、抓拍图片的车牌号码识别率高、夜间配合闪光灯使用效果理想等优点，并检验系统工作的稳定性，最终完成对整个系统软硬件的测试，检测结果理想达到了相关的标准规范和技术要求。关键词：多普勒效应；雷达测速；DSP；FFT；同步采集；目标相关英义摘要AbstractWith the v
4、igorous development of our traffic condition and the rapidgrowing preserve ofautomobilemany high-tech equipments such嬲electron police are emerging in publicgradually in recent yearsHowever,there are many problems aS the lOW velocity accuracy,thelow e伍ciency and the blurting of images in the domestic
5、 speedmeasuring andoverspeedsnapshotting equipments now,which affects the fair and balance of discovery onregulation violationAt the same time，the direction of overspeed snapshotting iS fixedit carlonly aim at the incoming vehicles with flash lamp at nigllt。The intense flash light will haveimpact on
6、 the driverswhich will induce tra伍c accidences and influence the traffic safetyThe main content of this article is about studying and designing a effective correlationdetection method to measure the overspeed targets，namely through the acquisiton andprocessing of the double-channel CW Doppler speed
7、radar data to realize the accuratemeasure of the vehieleS velocity from different directionsSimultaneously after catching thetarget,it call automatically trigger the image acquisition equipment to make the Car licensenumber in picture clear，solving the widespread problems among the e-police speedmea
8、suring equipments，especially,it solves the problem of snapshotting with flash lamp fromthe rear at nightTo design the effective method of measuring overspeed，firstly we should establish aMatalab simulated model according to the eharacteristics of the signals of the Doppler speedradar,finish the inpu
9、t of the simulated dal【如the processing of the noisethe analysis of thespectrum transforrflation and some other tasks of target data measurement and calculatiorkachieving the measuring simulate of the vehicleS moving speed and direction，and examineits possibility and accuracyBy the simulated model ha
10、ve establishedwe design a radarcontrol system based on DSP in the e-police system to acquire the radar signalsset workingcondition patameter,examine the overspeed vehicle automatically and send the information ofthe overseeding condition and signal promptly to trigger image acquisition equipment tos
11、napshot useful photoAlso the radar control system should be with tiny size10W power,highcost performance and high working reliabilityAfter finishing the designwe will experiment and debug the system in real road conditionand make the electronic police system measure the overspeed vehicle from differ
12、ent directionto prove its lligh efficiency,high accuracy,eriective snapshoting of Car license number and itsideal condition of using with flash at nightThen examine its stabilityFinally flnish theexamination of software and hardware in the whole systemThe ideal result achieves thestandard regulation
13、s and the technical specifications relatedKeywords：Doppler Effect；speed radar；DSP；FFT；synchronous acquisition；target-correlationn独创性声明本人声明所呈交的学位论文是拳人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签 名： 日 期：
14、型量屋!宣!里日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库：进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。签 名：导师签名：壶l童叠垄讼髦：日 期：第一章序论11课题的背景和意义第一章 序 论随着国民经济的稳定增长，我国高速公路等国家基础设施建设在不断地完善，机动车等现代交通工具被广泛普及，在加强交通道路管理和科技强警的同时交通管
15、理部门提出了智能化的交通监理系统ITS(Intelligent Transportation Systems智能交通系统)，电子警察、测速雷达等概念渐渐被大家所熟悉。各式各样的电子警察超速取证抓拍设备出现在高速公路、城市高架路和快速公路的两侧或中心隔离带，配备电子警察测速设备的巡逻车也不断涌出现在城市的各个角落。但是目前国内多数超速取证抓拍设备的速度检测准确率不高，设备拍摄到的照片画面模糊，可以用于执法证据的有效率太低，影响了执法的公平、公正的原则。不能起到对违章超速行驶车辆严肃治理和对违章驾驶员警醒的作用，使广大驾驶员能够自觉地遵守交通法规，减少以至杜绝超速行为，最终达到减少交通事故，增加交
16、通安全性的目的。然而，由于测速雷达的控制处理装置硬件设计和软件算法的局限，道路上固定安装的电子警察设备多都是针对来车目标的检测，对车辆的车头位置的车牌进行抓拍，当夜间使用闪光灯时，瞬间强烈的光线会对迎面驶来车辆的驾驶员视觉造成一定的影响，诱发交通事故，影响行车安全，出现适得其反的效果。虽然有些安装在巡逻车上的设备可以从车尾方向对违章超速车辆进行拍摄，但那是在接收到超速信号后，对前方连续手动抓拍数张照片，然后再从中选取可以辨识出车尾位置车牌号码的照片用于执法取证，这种设备不能够自动完成违章车辆的抓拍功能，在光线较暗的情况下与闪光灯配合也不理想，采集到的图片难以用于执法取证。同时目前国内使用的电子
17、警察设备，进口产品的价格昂贵，国内产品价格虽然便宜但性能不稳定性价比较低，而且内产设备很多是采用国外的雷达和雷达处理器成品，然后进行系统集成，兼容性差。如何使国内同等设备提高工作性能的稳定性、速度检测的准确性和抓拍照片的效果，同时满足不同检测拍摄方向，自动抓拍超速车辆的要求，这些问题的出现提出了本课题的研究内容和方向【21。12我国城市电子警察系统从1996年北京市公安交通管理局科研所在北京市西四路口试验国内第一台“抢红灯自动拍摄器“获得成功至今口3，电子警察市场上出现了胶片式相机抓拍、数码相机抓拍、“数码+视频“和纯视频抓拍等多种产品。由于可以全天候工作，电子警察系统缓江南人学硕Ij学位论文
18、解了日益繁忙的道路交通管理任务与警力严重不足之间矛盾，一定程度上消除了道路交通管理在时间和空间上的“盲点”，扩大了交通管理的监控时段和范围，提高了交通参与者遵章守法的意识，得到了各级道路交通管理部门的认同，目前在国内许多城市都有广泛应用。121电子警察产品的类型电子警察中机动车测速技术大致有地感线圈测速、激光测速、雷达测速、精确视频测速和多车道实时视频测速，由于每一种测速设备的工作原理和性能不相同，要求的工作环境和安装方式也不相同，其中雷达测速是应用最为广泛的一种测速技术H1。地感线圈测速系统，一般用到两个地埋的感应线圈，两个线圈之间区域即为超速监测区域。当机动车进入第一个线圈时在电路中产生电
19、磁感应，同时触发计时器开始计时，走出第二个线圈后计时结束，根据两个线圈之间的距离和产生感应的时间差计算出车辆通过超速监测区域时的速度。有时为提高测速准确度，可以加入第三个线圈，取得车辆经过各线圈时的平均值，将其作为测量值。但是安装施工时会破坏路面，影响路面寿命，而且线圈在地下容易受环境影响而发生形状改变，还容易受重型车辆挤压和路面修理的破坏，使用寿命短维修养护费用高。 激光测速系统的工作原理是建立在光波测距的基础之上，利用运动物体的多次测距与时间之间比得出其速度。激光测速系统对测速的角度要求非常高，测速系统应该对正对运动物体的运动方向，测量偏差角度应很小。精确视频机动车测速系统采用目标识别与目
20、标跟踪技术，应用在机动车测速方面，保证在60米距离内不丢失目标，通过多路采集卡将测速及车牌摄像机的图像信号实时传送到计算机中，由计算机进行实时分析计算。对图像进行目标识别，当判别出真正的目标后进行目标锁定并对锁定的目标进行实时跟踪，同时计算出车辆的精确位置并可得出目标运动的矢量轨迹曲线，根据每幅图像采集时间的固定得到位移差和时间差。多车道实时视频测速是以精确视频机动车测速位基础，采用多目标跟踪技术。雷达测速系统采用了多普勒雷达体制，即根据多普勒频率与目标的移动速度的比例关系，通过检测目标的多普勒频率计算出目标的运动速度，关于雷达测速的具体原理将在本文的后续章节中作具体的阐述。雷达原理的监测系统
21、应用广泛，具有价格相对较低等优点，容易推广。目前国内广泛使用的交通测速雷达主要分为两大类：一类是采用微波技术的微波多普勒测速雷达，另一类是采用激光技术的激光测距测速雷达。与此同时，采用了数字控制技术的交通测速雷达系统与传统电路构建的测速系统相比，它具有体积小，携带方便，电路简单，功能性强等许多优点，解决了原有测速系统电路复杂、功能单一、不具备信号同步处理和接触式测量等问题，目前已经被广泛应用于道路交通的管理与监控之中。2第一章序论122电子警察系统的现状随着电子警察设备应用范围越来越广，人们对智能交通设备认识逐步加深，用户、厂商及经销商都希望国家能制定产品技术检测标准对智能交通市场的发展进行规
22、范和指导。但由于缺乏共同标准，各厂商按照自己的理解和偏好来进行产品的研发和实施，给交管部门的选型、实施和运行带来了很多问题，制约了电子警察系统的有序发展。1、无论固定式电子警察还是移动式电子警察设备，对道路交通安全管理进行执法监督时，一般只能对某一类别的违法行为进行监测、取证图片抓拍，技术延伸领域不足，功能单一。2、电子警察系统核心拍摄部件从光学胶片相机、数码相机到摄像机，数据格式不统一，资源难以实现共享，拍摄的图片质量良莠不齐，车牌号码的别识率低，不利于超速车辆的取证。3、电子警察市场混乱，厂家众多，技术实力参差不齐，部分厂家产品没有通过国家权威部门的检测，缺乏有效的质量监督和验收机制，尤其
23、在系统建设过程中没有专业人士为技术和质量把关。4、产品技术条件差别很大，没有统一标准，用户比选困难，厂商提供的专业维修服务离用户要求仍有距离。5、进口设备和国产设备差异较大，国内产品多为系统集成。由于测速雷达的制造工艺技术产量的限制和测速计量器具标准的要求，国内生产警用雷达测速的企业并不是很多，主要是原来研制雷达的军工单位和个别的公安部交通研究所，企业中能独立研发测速雷达设备的更是凤毛麟角。目前国内的电子警察测速产品中，多数的雷达控制器仍然采用16位单片机为主要处理芯片的设计，采用计数鉴频的方法，即给定一段时间T作为标准时基，测量在标准时基T内通过的多普勒信号的脉冲个数N，则可得多普勒频率厶为
24、厶=尝，从而求出车速但是计频法普遍存在测试精度不高，准确性较差，测量功能单一，限制了其进一步的推广应用。运算处理速度慢，抓拍的有效率不高，而且外围器件较多体积较大，不利于整体系统的安装。与国内情况相比，国外在测速系统的研发上有一定的领先优势，如德国的6F雷达测速系统性能卓越，但整套设备的价格昂贵，雷达和雷达控制器的体积较大，Iji端雷达是由多组小的雷达天线组成，不方便移动。现在国内的厂商多数是进行系统集成的研制，直接使用国外的雷达头和雷达控制器设备，根据设备之lIJJ的通信协议自己丌发上位机系统，存在兼容性差的问题，雷达控制器的核心技术没有掌握。国内多数厂家使用的雷达多是俄罗斯的火花雷达或金雕
25、系列雷达，但是这种雷达的功耗比较大，发射功率大，对外的电磁波辐射大，长时间使用对操作人员有一定的损害陆1。 另一方面现有的测速产品抓拍只是对车头进行，不能满足新的交通管理规则，即在夜间使用闪光灯时要对车尾进行抓拍，减小闪光灯在夜间使用时对驾驶员造成的副作江南人学硕j学位论文用，影响行车的安全。由于目前的雷达处理系统受到硬件处理速度和软件算法设计的局限，需要新的雷达控制设备来替代完成新的测速要求。在国内企业中波希科技公司拥有多年的ITS产品的研制、营销经验，根据客户和国家规范要求不断推陈出新，积累了丰富的产品开发经验和得天独厚的市场资源，产品品质日趋完善，确立了公司在警用雷达领域的技术领先地位。
26、为了满足新的交通管理规定，使监测管理更人性化合理化，公司需要对原有的产品进行改善。同时为了缩小原有产品的体积和减轻重量，需要改变原有的雷达控制器的设计结构和思想，在这方面做了大量的工作，需要采用新的技术提高雷达的数据信息采集和处理速度，能够使采集的速度更迅速，处理算法更简洁，准确率更高。由此而提出了本课题的研究内容，本文的研究采用基于DSP的测速方法，不但要提高系统精度和运算速度，更重要的是提高整机的可靠性，降低噪声的干扰，提高系统的信噪比，系统设备的兼容性好，可以胜任新的测速技术规范1。13DSP的发展应用DSP是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，主要用于实现实时快速的各种数字信
27、号处理的算法。在20世纪80年代以前，由于受实现方法的限制，数字信号处理的理论还不能得到广泛的应用。数字信号处理的实现是以数字信号处理理论和电子计算机计数为基础的，在其发展历程中有两个事件加速了DSP技术的发展。其一是在1965年库利(Cooley)和图基(Tukey)对离散傅里叶变换的有效算法的解密，发表了著名的快速傅里叶变换FFT极大地降低了傅里叶变换的计算量，从而为数字信号的实时处理奠定了算法的基础。另一个就是可编程数字信号处理器在20世纪60年代的引入，这种采用哈佛结构的处理器能在一个周期内完成乘法累加运算，与冯诺依曼结构的处理器相比有了本质的改进，为复杂数字信号处理算法和控制算法的实
28、现提供了良好的实现平台m。DSP芯片诞生于20世纪70年代末，至今已经得到了突飞猛进的发展，并经历了三个阶段。第一阶段，DSP的雏形阶段。在DSP芯片出现之前，数字信号处理只能依靠通用微处理器(MPU)等分立元件来完成，由于MPU处理速度较低，难以满足高速实时处理的要求。当时数字信号处理是-I-J高深的学科，对它的研究只局限在理论范围和医疗电子、生物电子及应用地球物理等狭窄的应用领域。伴随着FFT的解密和集成电路技术的发展，各大集成电路厂商都在为生产通用DSP芯片做了大量的工作。1978年AMI公司生产出第一片DSP芯片$2811，1979年美国Intel公司发布了商用可编程DSP器件Intd
29、2920，由于内部没有单周期的硬件乘法器，使芯片的运算速度、数据处理能力和运算精度受到了很大的限制。第二阶段，20世纪80年代后随着数字信号处理技术和计算机应用范围的扩大，迫切要求提高数字信号处理技术的处理速度，扩大实质性的应用范围，从而推动了DSP4第一章序论的诞生和发展进入了其成熟阶段。这个时期的DSP器件在硬件结构上更适合于数字信号信号处理的要求，能进行硬件乘法，硬件FFT变换和单指令滤波等处理功能，其单指令周期为80“lOOns。存储容量和运算速度成倍提高，为语音处理、图像硬件处理技术的发展奠定了基础，伴随着运算速度的进一步提高，其应用范围逐步扩大到通信、计算机领域。第三阶段是DSP的
30、完善阶段，20世纪90年代以来，数字信号处理技术获得了惊人的发展，这体现在DSP的性能和指标不断提高，而价格却不断下降。这一时期各DSP制造商不仅使信号处理能力更加完善，而且使系统开发更加方便，程序编辑调试更加灵活、功耗进一步降低、成本不断下降。尤其是各种通用外设集成到片上，大大地提高了数字信号处理能力。这一时期的DSP运算速度可达到单指令周期10ns左右，可在Wmdows环境下直接用C语言编程，使用方便灵活，目前使DSP芯片已经成为不少新兴科技的主要推动力，不仅在通信、计算机多媒体领域得到了广泛的应用，而且逐渐渗透到日常消费电子和医疗电子等领域。目前，DSP芯片的发展非常迅速。硬件结构方面主
31、要是向多处理器的并行处理结构、便于外部数据交换的串行总线传输、大容量片上RAM和ROM、程序加密、增加IO驱动能力、外围电路内装化，低功耗等方面发展。软件方面主要是综合开发平台的完善，使DSP的应用开发更加灵活方便。今天，随着全球信息化和Intemet网的普及，多媒体技术得以广泛应用，尖端技术向民用领域迅速转移，数字技术大范围地进入消费类电子产品等，使DSP不断更新换代，价格大幅度下降，各种开发工具日臻完善，从而使它成为最有发展和应用前景的电子期间之一。 。14本课题研究的目的和内容为了适应中国高等级公路的迅速发展和逐步实行现代交通法制化严格管理的要求，对现有交通测速雷达的准确性、可靠性、灵活
32、性、快捷性、多功能性等基本技术指标又提出了更高的要求。因此，采用先进的毫米波处理技术、数字信号处理技术等方法来提高现有国产交通测速雷达的准确性、可靠性、多功能性显得尤为重要。同时为适应新的测速规定，解决使用闪光灯时拍摄方向的上的问题，选用去车方向拍摄并更好的配合闪光灯的使用，成为本课题研究的主要目的和内容。综合调查我国雷达测速设备生产现状及国外雷达测速仪器的发展情况，分析他们的技术现状和发展特点，同时参阅国内外有相关内容的文献资料，总结发现虽然在电子警察测速设备中使用DSP芯片来采集处理数据作为雷达控制器的发展趋势，但文献资料对具体的实际应用涉及较少着重在理论方法的比较的阐述与分析，对去车方向
33、拍摄方案分析更是很少涉及。5江南人学硕：学位论文所以根据测速雷达通道信号的特性，本文研究一种测速的Matlab系统模型，仿真运动目标的速度方向测量，实现利用这种双通道雷达测速的可能性和准确性，保证测速性能改进和提高的同时解决从去车方向对车尾位置的车牌号码取证的问题。根据仿真模型设计一种雷达控制系统，采集和处理雷达通道信号，设定工作参数，自动检测超速目标，发送目标超速状态信息和触发信号，触发图片采集设备抓拍图片。同时要求系统体积小，功耗低，性价比高和工作可靠性高。最后完成整个系统的测试工作，进行现场实车试验，检验系统超速检测效果和系统工作稳定性，使其达到标准规范规定。6第二章雷达测速系统和多普勒
34、测速原理第二章 雷达测速系统和多普勒测速原理随着雷达技术的发展，雷达的任务不仅是测量目标的距离、方位和仰角，而且还包括测量目标的速度，以及从回波中获取更多有关目标的信息。飞机、导弹、人造卫星、各种舰艇、车辆、兵器、炮弹以及建筑物、山川、云雨等等，都可能作为雷达的探测目标，这要根据雷达用途而定。二次大战后，特别是20世纪70年代以来，雷达技术有了迅速的发展，雷达已在军事的各个方面获得应用。这些技术成果也同时在民用雷达方面发挥着日益增长的作用。交通测速雷达作为民用雷达的一个重要应用，目前广泛用于道路交通巡逻，车流速度检测等方面，特别是在交通管制方面起着重要的作用。随着公共交通、汽车应用电子技术的迅
35、速发展，测速雷达作为保障行车安全的一种有效的交通管制手段也得到了广泛应用，增加了交通监理的现代化与智能化水平。交通雷达的车辆速度测量与军事及民航方面的测量有所不同，它在性能方面的要求远低于军事上的应用，因此，交通雷达测速设备的设计主要着眼于可靠性高、测量范围适中、体积小携带方便、以及低廉的价格等方面n们n1。21雷达测速系统交通雷达测速设备是一种微波电子测量仪器，这种测量设备是依据多普勒原理及现代电子技术为基础设计的一种多普勒测速雷达，它主要用于公路、铁路及其他需要测速限速的场所。超速抓拍电子警察设备是测速系统的一种典型应用，由警用测速雷达系统监测超速行驶车辆，发现目标后立即发出超速信号并及时
36、触发图像拍摄装置自动抓拍目标的违章情况图片。测速雷达的信号通过雷达数据采集系统处理后将超速目标的有效信息送往上位机(工控机)，同时启动CCD摄像机将超速行驶的机动车目标抓拍下来，同时把自动抓拍到的图片送上位机进行图像信号的处理压缩，数据合成后通过专用网络与交管中心服务器相连，提供给交通管理部门作为执法依据。本课题所研究的测速雷达DSP数据采集系统，是整个电子警察超速抓拍设备的一个部分，在主要研究内容阐述之前先简要介绍一下完整的系统设备组成和工作流程。一套完整的设备主要有：雷达数据采集系统、CCD摄像机控制单元、工控机信息处理系统、无线传输系统四个大的系统组成。电子警察雷达测速系统组成如图21所
37、示，图中显示了各部分之间的数据连接传递情况。雷达数据采集系统以DSP芯片为处理器，完成雷达数据的采集、处理和数据交换。7江南人学硕l：学位论丈图2-I超速抓拍系统图Fig 2-1 0verspeed-。Snapshotting System交通指挥中心服务器无线传输、j诊现场执法便携电脑终端211雷达数据采集系统雷达数据采集系统的设计与分析是本课题的研究内容，雷达数据采集系统由多普勒测速雷达和雷达控制器组成。雷达的工作频率2415GHz，雷达回波经过天线接收正交混频放大后输出两路正交的信号，通过雷达控制器的两路AD采样后，进行相关的运算处理判断目标车辆的速度、方向和超速状态，并及时启动数码摄像
38、机抓拍以便使目标位于抓拍照片的中间位置，同时将有效信息经串口传送给工控机作最后的合成处理。雷达控制器是以高速的DSP处理芯片为核心设计，用于完成AD采样、运算、数据的通讯和工作参数设定。212CCD摄像机控制单元摄像机的控制器接收到雷达的触发信号后，开启快门抓拍图片，通1394线将图像数据传送到工控机做号牌的识别处理，摄像机带有光线自适应功能，也可以通过串口通讯接收工控机的调节命令。夜间使用时，还配备闪光灯的触发功能。213工控机信息处理系统信息处理系统足一台小型的工控计算机，用来处理雷达控制器和CCD摄像机传送上来的有效数据，将超速车辆的图片、超速状态、超速时间地点等信息合成，存入数据库。工
39、控配和无线传输系统，通过无线路由等方式将数据传送到交通管理控制中心或现场执法警察的笔记本电脑终端。214无线传输系统无线传输系统主要指无线路由器或无线调制解调器，工控机与无线路由器连接实现第二章雷达测速系统和多普勒测速原理短距离信息的传递，或是与一个拨号的无线调制解调器相连完成固定设备与交管控制中心远距离通信。安装到系统内部时要考虑到路由器在机箱内部对雷达回波的影响，严重时须加装屏蔽装置。22多普勒效应为了说明雷达测速仪的工作原理，首先应该了解什么叫多普勒效应这个物理概念，多普勒效应是指当发射源和接收者之间有相对径向运动时，接收到的信号频率将发生变化。大家都会有这样的体验：当鸣笛的火车迎面开过
40、来的时候，我们听到笛声音调是由低到高；在火车疾驰而过，向远离我们的方向运动时，我们听到的笛声音调进而由高到低。火车行驶的速度越快，我们听到笛声音调的高低变化也就越明显。这种音调变化实际上是由于火车与人之间的相对运动，声源(车笛)对空气介质振动的频率偏移了声源本身的振动频率所引起的。类似的这种现象在日常生活中是普遍存在的。这种现象最先是被奥地利物理学家多普勒(JDoppler)在1842年发现的。多普勒提出了“波的频率和波源与观察者之间的相对运动有关“的理论，称之为多普勒原理。汽车喇叭、火车汽笛在经过静止的观察者时，音调上有明显的变化。这是声波特性形成的结果，例如当汽车喇叭自身以固定的频率发生，
41、每秒振动250次。只要汽车静止不动，则观测到的喇叭音调为250次秒，如果汽车以55kmh的速度向观察者运动，观察者耳朵听到并不是250次秒的音调。因为虽然声波以恒速传播，但每个后续波传到观察者耳朵的距离变短了，波被压缩成较高的频率，因此听到了较高的音调，直到汽车经过观察者的瞬间为止。当汽车远离观察者时，波在频率上开始降低，因为离开喇叭的后续波传至观察者的耳朵距离变远了，这时声波实际被扩展了。此外，如果汽车的速度增大，则对波的压缩和扩展效应亦增大，观察者分别感到了较高或较低的音调。当两物体互相接近时，波的频率升高，分开时频率下降，这与两物体运动速度成正比。发射波的这种变化称为多普勒频移，变化量为
42、多普勒频率。上面是假定当波源处于静止不动，而物体相对微波源移动时的情形；反之，当物体处于静止不动，而微波源相对物体移动时，上面的结果也是成立的。也就是说，只要两者之间有相对运动，多普勒效应就会发生昭，。221雷达多普勒现象20世纪三十年代，多普勒规律开始运用到电磁波的范围中，随着雷达应用的日益广泛以及雷达性能和要求的不断提高，推动了利用多普勒效应来改善雷达工作质量的进程工作，并使多普勒效应在雷达中广泛应用起来。根据前面的多普勒原理，应用到雷达电磁波上，当雷达的电磁波在行进的过程中碰到物体时，该雷达波会被反弹，而且其反弹回来的波，其频率及振幅都会随着所碰到的物体的移动状态而改变。若雷达波所碰到的
43、物体是固定不动的，那么所反弹回来的雷达9江南人学硕1j学位论丈波其频率是不会改变的。222连续波雷达测速本课题中研究的内容是对连续波测速雷达的采集和处理，所以以雷达发射连续波的情况为例，说明当雷达与目标有相对运动时，雷达接收信号的特征，为方便计算设目标为理想“点“目标，即目标尺寸远小于雷达分辨单元n2儿协1。连续波时发射信号为s(f)s(t)=Acos(coot+伊) (21)式(21)中，国。发射角频率；矽为初相；A为振幅；由目标反射的回波信号Sr(f)为 一Sr(f)=魅(f-t，)=KAcoscooO-t，)+伊】 (22)式(22)中，f，=i2R，为回波滞后于发射信号的时间；R为目标
44、和雷达天线间的距离；C为电磁波在空气中的传播速度oK为回波的衰减系数；如果目标固定不动，则距离R为常数。回波与发射源之间的固定的相位差t，=2万厶等=2月等，(式中，名=丢)它是雷达电磁波往返雷达与目标之间所产生的相位滞后。当目标与雷达之间有相对运动时，则距离R随着时间的变化而变化。设目标以匀速相对雷达运动，则在时间t时刻目标与雷达之间的距离R(t)为R(t)=RoVrt (23)式(23)中，是t=0时刻的距离；v，为目标相对雷达的径向运动速度。通过式(22)可以得到在t时刻接收到的Sr(f)上的某点，是在tt，时刻发射的。由于通常目标和雷达间的相对运动速度v，远远小于电磁波的传播速度C，故
45、延时t，可以近似等于f，=型一石2C (一V，f) C” 10(24)m一幸4_I建最$*勒*憾mW回波信号与发射信号相比，则高频相位差妒=一of，=一。o圭(凡咋f)一2F(o一叶f) (2 5)p是时间t的函数，在速度咋为常量时产生频率差为厶=去警=磊1czz；V，=；vr cz e，这就是多普勒频率，它正比于相对运动的速度而反比于雷达波长。当目标接近雷达时，多普勒频率为正值，接收信号频率高于发射信号频率；而当目标远离雷达时，多普勒频率为负值接收信号频率低于发射信号频率。图2-2雷达渡的多普勒现象Flg 2-2 Rada r Doppl er phenomenon从图2 2中我们可以看到交
46、通道路测速时，连续波雷达的多普勒现象示意图。图22(幻中所示雷达的发射波频率为，若雷达波照射到的目标静止不动，被反射回来的雷达渡频率保持不变仍为矗如图2 2(b)中所示雷达的发射波和反射波频率没有发生变化；当雷达被照射到的目标驶向雷达时，反射回来的雷达波的频率被压缩，雷达反射波的频率增大t大与，当目标足远离雷达是，被反射回来的雷达的频率减小，在图2 2(c)和图22(d)中显示出了移动目标的发射波和反射波的对比情况。机动车是朝着测速雷达波发射的方向前进时，此时所反弹回柬的雷达波会被压缩，雷达波的率频会随着机动车行驶速度的不同而有所增加：反之机动车是朝着远离雷达波发射方向行驶时，则反弹州术的惯达
47、波频率则会随蔚远去叫的迷J!f：l俯扪l应的减小。、-发射波的波速遇到运动物体返回时，其回波有下面的关系式成立：=+三工 (2 7)L式(2 7)中为反射信号的频率：为雷达波的发射频率：江南人学硕1：学位论文y，为运动物体的径向速度分量；C为电磁波在空间的传播速度3105kms；从式(27)中可以看出，接收到的反射信号频率厶是由两部分组成的，一部分是微波源的发射频率，第二部分是由物体运动引起反射信号的频移。当运动物体驶近微波源时咋为正，当运动物体远离微波源时v，为负， 可将式(27)式表示成如下形式：厶：而一fo：掣(28)式(28)中，以为多普勒频率，由式(28)可求得运动物体的径向速度：v
48、，=三。 (29)咋。石CaL么了J二j 0由于C为电磁波在空气中的传播速度是一个常数，而厶是雷达的工作频率是一个已知量的常量，显然运动物体的径向速度v，与厶成正比，即测得厶就可求得目标运动物体的径向速度咋。 23双通道多普勒测速雷达交通测速中使用的双通道连续波多普勒测速雷达是一种体积小、性能稳定的测速雷达，便于系统的组装安放和携带，速度检测准确度高。它包含有两路正交的LQ雷达通道，正交混频后输出的两路通道Q信号正交，信号的频率为运动目标的多普勒频率，相位的关系反映目标的运动方向，工作时相位正交一致性好。雷达天线由圆锥体I；端加透镜组成，保证雷达波束的波瓣宽度为12度角，发射与接收天线共用一个
49、天线。本振频率2415GHz工作在Ku波段，反射波由天线接收后在振荡腔中正交混频，得到两路正交的IQ通道信号。如图23所示为双通道连续波多普勒测速雷达示意图。锥体+透镜天线I双通道连续波测速雷达头 I 雷达数据处理图2-3双通道连续波多普勒测速雷达Fig2-3 Doublechannel CW Doppler Speed Radar12第一二章 雷达测速系统和多普勒测速原理雷达的两路通道(I通道和Q通道)信号是目标的多普勒频率，经过中频放大后输出频率从数百赫兹到数数千赫兹，根据车速的大小从lOkmh到240kmh，对应的频率在890(89444)Hz到10750(1073333)Hz之间变化，IQ通道信号的相位差根据目标的运动方向在80。110。和-80。一110。两个区间中变化。两路通道信号经过AD同步采样后进行一系列的运算处理，可以判断出目标车辆的速度和运动方向。在系统设计时由于抓拍目标是高速运动的，一般在80kmh以上，高速公路上严重超速违章车辆有的可以达到180k
