一種雙CPU主從式毫米波雷達系統(tǒng)

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(1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院， 山東濟南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司， 山東濟南 250001；3.山東魯能智能技術(shù)有限公司， 山東濟南 250101)

0 引言

我國國土遼闊，人口數(shù)量居世界首位，為了保障人民群眾的安全用電，電力設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速。根據(jù)統(tǒng)計資料，2012年底，全國35 kV及以上輸電線路回路長度達到102.1×104km，居世界第一；2016年底，我國35 kV及以上輸電線路總里程達到175.6×104km，增幅達到72%。當(dāng)前，我國已經(jīng)成為世界電網(wǎng)發(fā)展的絕對引領(lǐng)者。電網(wǎng)規(guī)模增長與運檢人員配置的矛盾日益突出，如贛西供電公司輸電班組人均運維線路長度42.5 km，嚴格按照輸電線路狀態(tài)巡視周期要求，要完成巡視任務(wù)，每個班組每個月平均耗時需28個工作日，狀態(tài)巡視難以按周期完成[1]。

目前，國網(wǎng)公司正逐步采用無人機技術(shù)來提高架空輸電線路的運行效率和質(zhì)量，無人機已成為電網(wǎng)巡檢的重要技術(shù)手段。無人機作業(yè)的優(yōu)點是在無需拉閘斷電的情況下，即可對輸電線路進行近距離檢測。與傳統(tǒng)人工巡線方式相比，該技術(shù)不僅能大幅度提高工作效率，有效保障巡線作業(yè)人員的人身安全，降低巡線成本，而且還能大大縮短系統(tǒng)反應(yīng)時間[2]。據(jù)美國相關(guān)機構(gòu)統(tǒng)計，每10 000 h飛行任務(wù)中，經(jīng)常低空作業(yè)的直升機平均會發(fā)生10次事故，而高空飛行的固定翼飛機僅為大約0.3。飛控手在地面對無人機進行遙控操作，僅僅通過飛控手肉眼觀察，很難從根本上解決無人機撞機電力線等障礙物。為了提高無人機的防撞性能，需要增強無人機感知障礙物與及時避讓障礙物的能力。

電力巡檢無人機作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，為避免無人機飛行中碰撞障礙物或線路，確保飛行安全，必須要考慮無人機自動檢測障礙物并避讓的技術(shù)[3]。目前，用于無人機避障的技術(shù)手段主要有光學(xué)探測器、紅外探測器、激光雷達和毫米波雷達[4]。光學(xué)探測器基于視覺基礎(chǔ)探測目標，天氣因素對探測效果影響很大，環(huán)境光線過強會大大減弱光學(xué)傳感器的探測距離，霧天、霧霾天氣下由于空氣中漂浮微小顆粒物，會阻礙光線傳播，從而使光學(xué)傳感器性能大幅度降低。紅外探測器價格便宜，實現(xiàn)原理簡單，但測量距離近，方向性較差，并且容易受到太陽光的干擾。激光雷達測量的準確性和測距的精度高，但雨霧天氣對它的測距會有影響，在沙塵天氣中無法使用。毫米波雷達成本低，測量距離比紅外探測器大，毫米波波長大于光波，可以繞過空氣中的霧粒，雖然精度略低于光學(xué)傳感器，但能滿足無人機的避障精度要求，是唯一一種可滿足無人機全天候工作要求的避障傳感器。

1 毫米波雷達測距原理

毫米波雷達測距可分為發(fā)射、接收、處理三部分。連續(xù)調(diào)頻毫米波信號通過發(fā)射天線發(fā)出，電磁波遇到障礙物以后會反射回來，之后被雷達接收天線接收，雷達接收機把接收到的回波信號和參考信號混頻，從而得到一個差頻信號，把差頻信號進行放大、濾波等處理后，通過采樣變?yōu)閿?shù)字基帶信號，把數(shù)字信號進行FFT頻譜分析后，就可以提取出目標的距離信息，如圖1所示。

去斜率處理方法的原理如圖2所示，其基本原理是采用與發(fā)射信號相同的線性調(diào)頻信號作為本振信號，與目標回波信號進行差拍處理。毫米波在n個發(fā)射周期的發(fā)射信號復(fù)數(shù)形式可以表示為

(1)

t=0時，假設(shè)有一個距離為R的點目標徑向速度為v，第n個調(diào)制周期的接收信號可以表示為

(2)

(3)

(4)

對差拍信號進行傅里葉變換，得到其頻譜：

(5)

化簡后計算出正單邊譜：

(6)

(7)

假設(shè)點目標在靜止?fàn)顟B(tài)時的差頻信號表示為

(8)

式中,τ0=2R/c。差頻頻率為

(9)

由式(9)可得差頻頻率fb和距離R成正比關(guān)系[5]，所以傅里葉變換后頻率為f1的譜線對應(yīng)的目標距離為

R1=f1cτ/2B

(10)

2 基于DSP28335/STM320F103的毫米波雷達系統(tǒng)設(shè)計

主處理器選擇TI公司設(shè)計的TMS320F28335，這是業(yè)界首款浮點數(shù)字信號控制器，具有150 MHz的高速處理能力，具備32 bit浮點處理器，6個DMA通道支持ADC，McBSP和EMIF,有多達18路的PWM輸出，其中6路為TI特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM)。系統(tǒng)采用主從設(shè)計，DSP28335與STM32F103通過雙口RAM實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，STM32F103在系統(tǒng)功能上負責(zé)控制毫米波雷達的發(fā)射、外接LCD顯示屏的顯示，以及對外通信接口的控制，可以通過通信指令對雷達進行參數(shù)設(shè)置，外接顯示屏用于實時顯示與當(dāng)前參數(shù)查詢。DSP28335則充分節(jié)省資源，用于進行回波信號的處理計算，最終獲得距離信息，之后將距離信息存儲于雙口RAM中，STM32F103通過雙口RAM獲得距離信息并用于LCD屏幕顯示與串口距離信息的發(fā)送。

如圖3所示，在功能劃分上，DSP28335僅用于回波信號經(jīng)功率放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)處理，由于運算量較大，盡可能地節(jié)約DSP28335的片內(nèi)資源，障礙物的距離信息最終在DSP28335中運算獲得，之后通過操作地址總線與數(shù)據(jù)總線存儲于雙口RAM中。STM32F103相對于DSP28335運算能力較差，因此在該系統(tǒng)中分配為LCD顯示、串口通信、參數(shù)儲存、信號發(fā)射等對運算速度要求相對較低的功能。目標的距離信息在DSP28335存儲到雙口RAM后，STM32F103可以實時獲取該輸入值，雙口RAM可供DSP28335與STM32F103同時讀寫，方便快捷。

如圖4所示，STM32F103控制壓控振蕩器產(chǎn)生本振信號，之后經(jīng)過功分器、倍頻器產(chǎn)生兩路相同的發(fā)射波，其中一路作為本振信號用于接收電路比較，另一路則經(jīng)過功率放大通過發(fā)射天線發(fā)射。其中VCO選型芯片為TGV2240，經(jīng)測試該芯片在18.640～19.040 GHz之間線性度最高。倍頻器芯片選型為HMC579，該芯片是ADI公司研制的一款寬帶有源倍頻器，采用GaAs PHEMT技術(shù)。由3 dBm信號驅(qū)動時，該倍頻器提供13 dBm的典型輸出功率，在32～46 GHz的頻率下工作。功率放大器選擇TriQuint公司的TGA4522芯片，這是一款性能優(yōu)良的商用MMIC放大芯片，采用0.15 μm pHEMT技術(shù)工藝，能在33～47 GHz頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)15 dB以上的增益。

圖5為毫米波雷達接收模塊的組成，其中低噪放大器管芯采用XL1000芯片，該芯片具有噪聲低、增益高的特點；混頻器選用Hittite公司的HMC329管芯，尺寸僅為0.85 mm×0.55 mm，是一款高性能寬帶雙平衡混頻管芯。

3 程序處理

該系統(tǒng)為雙CPU處理系統(tǒng)，DSP28335與STM32F103均需一套程序獨立運行，二者的合理配合是整體系統(tǒng)性能優(yōu)秀的保障。程序處理流程如圖6所示。

系統(tǒng)程序運行方式如圖6所示，系統(tǒng)上電以后，兩個CPU系統(tǒng)進行初始化，STM32系統(tǒng)進行系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)取，并進行相應(yīng)配置，隨時監(jiān)控是否有外部數(shù)據(jù)請求，并負責(zé)發(fā)射毫米波信號。同時，以DSP28335為主的單片機系統(tǒng)進行毫米波信號的接收處理，最終計算出距離信息存儲于雙口RAM中，供STM32進行調(diào)取。

4 結(jié)束語

由電力線所引起的無人直升機事故頻頻發(fā)生， 因而確保無人機飛行安全一個很重要的方面就是對電力線的檢測[6]，無人機避障技術(shù)的應(yīng)用是無人機安全巡檢輸電線路的保證。毫米波雷達系統(tǒng)能滿足無人機避障全天候的工作要求，在成本和通用性上優(yōu)于其他避障技術(shù)。本文的創(chuàng)新點在于將調(diào)頻連續(xù)波應(yīng)用于無人機避障雷達，并通過雙CPU主從搭配架構(gòu)設(shè)計，主CPU最大程度保證回波信號的運算處理，從CPU負責(zé)人機交互與上位機通信，并可通過從機設(shè)置報警上限及其他系統(tǒng)參數(shù)，主從CPU通過雙口RAM進行數(shù)據(jù)共享，最大程度保證數(shù)據(jù)利用效率。