車流量檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)處理研究

李秦君， 黨宏社

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引 言

智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation Systems)是一種基于無(wú)線或者有線電子信息技術(shù)的新型現(xiàn)代交通系統(tǒng)，它的涵蓋范圍極其廣泛，包括信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)、控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù).道路交通信息采集作為輸入信息來(lái)源應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)中，擔(dān)負(fù)著提供準(zhǔn)確可靠信息源以使整個(gè)智能交通系統(tǒng)得以順利準(zhǔn)確運(yùn)行的重任.車流量檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)作為智能交通系統(tǒng)用于獲取路面信息的一種方式，具有非常廣闊的應(yīng)用前景.

車流量檢測(cè)系統(tǒng)是ITS的一個(gè)子系統(tǒng)，是交通管理系統(tǒng)的重要組成部分.它通過(guò)數(shù)據(jù)采集和設(shè)備監(jiān)控等方式，在道路上實(shí)時(shí)地檢測(cè)交通量、車輛速度、車流密度和時(shí)空占有率等各種交通參數(shù)，這些智能交通系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的參數(shù)是道路狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控、出行者動(dòng)態(tài)信息系統(tǒng)不可缺少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 車流量檢測(cè)雷達(dá)原理及系統(tǒng)組成

車流量檢測(cè)雷達(dá)有正向安裝和側(cè)向安裝兩種方式，應(yīng)用中多采用從側(cè)向安裝的方式設(shè)計(jì)，這樣一套設(shè)備可同時(shí)檢測(cè)雙向8車道.微波車流量雷達(dá)工作在24 GHZ頻段，受2 kHz的三角波調(diào)制，采用零差型線性調(diào)頻連續(xù)波(FMCW，F(xiàn)requency Modulated Continuous Wave)體制.實(shí)際使用時(shí)，檢測(cè)器被安裝在馬路邊的豎直高桿上，俯向下往各車道發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波，并接收各車道上車輛反射回來(lái)的微波.盡量使得微波傳播方向與車輛運(yùn)動(dòng)方向達(dá)到垂直，以最大程度的減小多普勒頻移對(duì)車流量統(tǒng)計(jì)帶來(lái)的影響.各車道上車輛和雷達(dá)之間距離不同，反射回來(lái)的電磁波與當(dāng)前雷達(dá)發(fā)射的電磁波頻率之差也不同，雷達(dá)通過(guò)對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，判斷各車道對(duì)應(yīng)頻率分量的強(qiáng)弱，從而知道各車道有沒(méi)有車存在，進(jìn)一步進(jìn)行車流量信息統(tǒng)計(jì)[1].

在車流量檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)中，硬件主要由3大部分組成：前端天線射頻單元、中頻信號(hào)處理單元、信號(hào)綜合處理單元.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其中收發(fā)天線部分采用環(huán)行器使發(fā)射、接收隔離，使用標(biāo)準(zhǔn)的零拍型FMCW接收/發(fā)射機(jī)平臺(tái).由于本系統(tǒng)的雷達(dá)作用距離在60 m左右，使中頻信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍達(dá)70 dB，對(duì)于這樣寬的中頻動(dòng)態(tài)范圍，中頻信號(hào)處理中采用AGC(自動(dòng)增益控制)放大器，以保證模擬信號(hào)能夠在信號(hào)處理機(jī)內(nèi)經(jīng)A/D變換成數(shù)字信號(hào)后處理.中頻處理單元主要負(fù)責(zé)對(duì)射頻前端混頻器輸出的代表路面信息的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等，中頻信號(hào)處理單元主要由低噪聲放大器和匹配濾波器組成.由于回波信號(hào)很小，經(jīng)混頻后的中頻信號(hào)需要經(jīng)過(guò)低噪聲放大后才能作進(jìn)一步處理.由于有用信號(hào)頻率處于一定帶寬內(nèi)，并且存在幅度較大的三角波泄露信號(hào)，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行AGC(自動(dòng)增益控制)處理，最終輸出-1 V～+1 V之間的模擬信號(hào)給綜合信號(hào)處理單元.綜合信號(hào)處理單元以TI公司的TMS320系列DSP為核心處理器，通過(guò)信號(hào)調(diào)理，A/D，F(xiàn)FT變換等處理計(jì)算和判別出目標(biāo)距離，并根據(jù)汽車行駛過(guò)雷達(dá)照射區(qū)域的時(shí)間和波形的變化以及信號(hào)處理單元內(nèi)部定時(shí)器記錄的數(shù)值計(jì)算出車流量、車速、車道占有率、車型等.同時(shí)DSP還產(chǎn)生用于收發(fā)前端信號(hào)調(diào)制的三角波經(jīng)由D/A芯片轉(zhuǎn)換后饋入前端[2].

2 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

2.1 程序總體框架

總體上，系統(tǒng)是利用高速DSP芯片的定時(shí)器產(chǎn)生一定時(shí)間間隔的中斷，同時(shí)DSP芯片對(duì)由ADC采樣的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，由于雷達(dá)檢測(cè)器安裝在固定的位置，其覆蓋區(qū)域的背景比較固定，因此可以在頻域上完成雜波的消除算法，將有車輛通過(guò)時(shí)的頻譜與無(wú)車輛通過(guò)的頻譜進(jìn)行頻域消干，再根據(jù)頻譜的幅度位置判定車輛所屬車道，分別記錄車輛通過(guò)的次數(shù)，然后除以定時(shí)器的中斷周期，就可得到車流量的統(tǒng)計(jì)信息[3].

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)首先對(duì)DSP芯片的各內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化，然后對(duì)系統(tǒng)中用到的定時(shí)器0和定時(shí)器1以及計(jì)數(shù)器等常數(shù)賦初始值，接下來(lái)在軟件中將定時(shí)器0, 1開(kāi)啟，兩個(gè)定時(shí)器分別用來(lái)控制微波波束每次檢測(cè)車輛的周期和統(tǒng)計(jì)車流量的周期.DSP的工作流程主要是一個(gè)主循環(huán)，在每次主循環(huán)中，首先檢測(cè)串口通訊標(biāo)志變量comflag是否為0，若為0，表示目前沒(méi)有與計(jì)算機(jī)界面進(jìn)行串口通信，比如雷達(dá)剛上電，界面還沒(méi)有發(fā)出連接雷達(dá)命令時(shí)，這時(shí)依次進(jìn)行信號(hào)采集，頻譜分析，判斷各車道有無(wú)車存在(用函數(shù)Vexist實(shí)現(xiàn))，車流量統(tǒng)計(jì)(用函數(shù)flowcount實(shí)現(xiàn))，發(fā)送車道信息，這些工作在36 ms內(nèi)完成，由定時(shí)器0來(lái)控制；然后查詢串口接收緩沖區(qū)有無(wú)界面發(fā)過(guò)來(lái)的命令幀，若沒(méi)有則繼續(xù)執(zhí)行主循環(huán)，若有則先將串口通訊標(biāo)志變量comflag置1，再?gòu)拇诮邮站彌_區(qū)中讀取命令并執(zhí)行，比如連接雷達(dá)，然后繼續(xù)主循環(huán).如果主循環(huán)在開(kāi)始檢測(cè)到串口通訊標(biāo)志變量comflag為1，說(shuō)明還在串口通信當(dāng)中，跳過(guò)車流量統(tǒng)計(jì)繼續(xù)和界面通信，執(zhí)行界面的命令比如用戶參數(shù)設(shè)置等，直到界面最后發(fā)出接受車道信息命令時(shí)，DSP執(zhí)行的操作就是將comflag變?yōu)?，表示不再和界面進(jìn)行串口通信，下一次主循環(huán)在開(kāi)始檢測(cè)到comflag為0，于是又進(jìn)行車流量統(tǒng)計(jì)，并發(fā)送車道信息.程序的統(tǒng)計(jì)時(shí)間設(shè)定為30 s，由定時(shí)器1控制.

若達(dá)到了統(tǒng)計(jì)時(shí)間則計(jì)算每分鐘的車流量，進(jìn)行平均車速、車道占有率和長(zhǎng)車流量的計(jì)算并與計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行通信，將車流量信息傳至交通管理系統(tǒng)進(jìn)行交通的管理調(diào)度，然后進(jìn)入新一輪大循環(huán)并進(jìn)行新一輪車流量監(jiān)測(cè)；若未到達(dá)30 s則程序轉(zhuǎn)入小循環(huán)，累計(jì)當(dāng)前車數(shù).整個(gè)程序每30 s重新顯示一次當(dāng)前的車流量信息，周而復(fù)始實(shí)時(shí)檢測(cè).程序流程圖如圖2所示[4，5].

2.2 車流量統(tǒng)計(jì)

void Vexist (int a [8])，此函數(shù)根據(jù)FFT的結(jié)果判斷本次檢測(cè)周期內(nèi)(36 ms)各車道有無(wú)車存在，入口參數(shù)和出口參數(shù)都是a [8]，a數(shù)組中某一個(gè)元素為0表示本次檢測(cè)周期該元素對(duì)應(yīng)的車道沒(méi)有車，反之，為1表示有車存在.它的流程圖如圖3所示.

圖2 主程序流程圖

圖3 檢測(cè)周期內(nèi)車道有無(wú)車輛判斷流程圖

其中，lane_ index是車道指針, nLane是車道數(shù)，f_index是頻率指針，freq[16]是車道頻率點(diǎn)，fft_squ[]是幅度譜的平方數(shù)組，level [8]提車道門限.此子程序就是對(duì)于每個(gè)車道，都判斷該車道對(duì)應(yīng)的幾根譜線中有沒(méi)有值超過(guò)門限的，若有則認(rèn)為本次檢測(cè)周期內(nèi)該車道有車存在，否則認(rèn)為無(wú)車.

void flowcount(int a [8])，此函數(shù)對(duì)總車流量等車道信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì).每次車流量統(tǒng)計(jì)主循環(huán)都會(huì)得出本次檢測(cè)周期車道有無(wú)車存在的結(jié)論，僅以第一車道為例，用一個(gè)變量REGIST1來(lái)表示:為0表示無(wú)車，為1表示有車，而車道狀態(tài)用REGIST11表示：為0表示無(wú)車狀態(tài)，為1表示有車狀態(tài).容易想到車流量計(jì)數(shù)的一般方法是：每次主循環(huán)都將得出的REGIST1值賦給REGIST11，即車道狀態(tài)隨本次檢測(cè)周期的結(jié)果而改變:本次檢測(cè)時(shí)間里判斷有車存在，車道狀態(tài)變成有車狀態(tài)，本次檢測(cè)時(shí)間里判斷沒(méi)有車存在，車道狀態(tài)變成無(wú)車狀態(tài).當(dāng)車道狀態(tài)從無(wú)車變到有車時(shí)，即有車進(jìn)入雷達(dá)檢測(cè)區(qū)域時(shí)，車流量才加一[6，7].

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)FMCW體制雷達(dá)，采用中頻處理單元和DSP處理器，設(shè)計(jì)了微波雷達(dá)車流量檢測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用相關(guān)算法對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，獲得車道信息并進(jìn)行車流量統(tǒng)計(jì)，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)信號(hào)處理、車流量統(tǒng)計(jì)及串口通信的軟件系統(tǒng).

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