提高被动式毫米波测速精度的方法

张 松，张 亚，蔡亦清

(中北大学机电工程学院,山西 太原 030051)



提高被动式毫米波测速精度的方法

张 松，张 亚，蔡亦清

(中北大学机电工程学院,山西 太原 030051)

针对被动式毫米波测速系统对测速信号处理不精确导致测速精度不高的问题，提出了改善系统硬件电路和软件程序以提高被动式毫米波测速精度的方法。该方法根据辐射计输出模拟信号的电压及频率规律，设计出合理的硬件电路对信号进行相关处理以增强信号的可读性，然后利用TMS320F28335芯片对处理后的信号进行特征提取、设置对应的判别门限阈值以及对采集的数据进行快速计算。实验表明采用该方法对输出的模拟信号具有较好的处理能力，使得直接检波式辐射计的输出信号在示波器中有良好的可识别波形，利用该信号测得移动金属速度误差小于2%。

被动式毫米波;测速系统;特征提取;判别门限

0 引言

毫米波的研究逐渐得到重视，无论是在军事还是在民用中都得到较好的应用。被动式毫米波是毫米波众多应用中的一种，即不主动发射毫米波信号，检测接收外界物体辐射的微波[1-2]。被动式毫米波测速便是采用这一原理探测金属目标的移动速度。如何提高被动式毫米波测速的精度便是研究的重点[3]。文献[4]通过确定多重特征门限的方法来提高被动式毫米波目标识别的精度，方法较为繁琐，且适用范围有限。文献[5—6]是重点对辐射计硬件的功能进行分析，注重辐射计本身的信号处理能力，而忽略了对输出信号的后续处理过程,影响了毫米波测速精度。不难看出，上述研究中均存在着被动式毫米波测速系统对测速信号处理不精确导致测速精度不高的问题，本文针对此问题，提出了改善系统硬件电路和软件程序以提高被动式毫米波测速精度的方法。

1 被动式毫米波测速原理

被动式毫米波测速系统是利用被测目标物体与背景之间的毫米波辐射的细微差异从而探测及识别目标[7]。本测速系统主要针对金属物体在空气中运动进行测速，即利用金属物体和空气发射毫米波波束的差异进行检波测速。当系统工作时，探测目标及周围的场景所发射的毫米波波束只要是在天线的照射区域内都会被天线接收，并有相应的信号产生[8-9]。

直接检波式辐射计如图1，它的主要功能是将接收到的探测目标及周围的场景所发射的毫米波波束进行一系列处理得到后续信号处理中理想的模拟信号[10]。由图2直接检波式辐射计硬件框图可知其工作原理。毫米波波束辐射到接收机时信号十分微弱，必须先在低噪声放大器中将其转换为电压并进行放大，然后在衰减器中进行相应的衰减调整，通过检波器区分低频电压信号和干扰信号，最后信号在视频放大器中放大，输出所需的模拟信号。

图1 直接检波式辐射计实物图Fig.1 Direct detection radiometer physical map

图2 直接检波式辐射计硬件框图Fig.2 Direct detection radiometer hardware diagram

当金属物体进入系统探测范围时直接检波式辐射计会产生一个峰值脉冲，当金属物体完全离开系统探测范围时直接检波式辐射计会产生一个谷值脉冲，此时利用示波器可以清楚地观察到波形的变化[11]。如图3所示，已知测速系统距离金属物体的垂直距离为D,直接检波式辐射计的探测角度为θ，金属物体的自身长度为d，则金属被探测时的实际运动的距离L：

(1)

图3 被动式毫米波测速原理图Fig.3 Schematic diagram of passive millimeter wave velocity measurement

2 系统设计

2.1 硬件电路设计

文献[4]等利用被动式毫米波测速的重点是对辐射计硬件的功能进行分析，但是直接检波式辐射计自身的能力有限，如信号放大能力等，输出信号在示波器上的电压仅有20 mV左右，利用芯片对如此小的信号进行处理误差较大，因此要想处理这个模拟信号必须适当放大。

测速系统选用TI公司的TMS320F28335芯片作为采样信号的处理芯片，外设和存储器高度集成在芯片内部，降低成本，节约空间，提高了整个测速系统的可靠性[12-13]。选择芯片上的ADCINA0引脚作为外界模拟信号的输入端，完全满足测速系统高速采样转换的要求。芯片的ADCINA0引脚上输入的模拟信号电压值必须控制在0～3 V之间，否则会对芯片造成损坏。因此需要在模拟信号输入芯片之前增加一个电压偏置电路，将输入的模拟信号电压控制在0～3 V的范围。

简单的硬件电路增强了直接检波式辐射计输出信号的可读性，良好的信号波形减轻了系统芯片的运算量，为下一步波形的特征提取打下基础。

2.2 软件程序设计

被动式毫米波测速的硬件电路相对简单，主要负责TMS320F28335最终可以采集到信号，后续的回波信号处理对于测速系统能否实现快速精确的测速至关重要。软件程序主要分为三大部分，信号波形的特征提取、设置对应的判别门限阈值及对采集的数据进行快速计算。

2.2.1 信号波形的特征提取

金属物体进入和离开探测范围时均会产生脉冲，脉冲波形特征的准确提取是提高测速精确的第一步。系统为了避免同时采样时的干扰以及减少功耗，选择通道ADCINA0作为工作通道，采样转换后的数字量被存放在相对应的转换结果寄存ADCRESUL Tn中。测速系统的回波信号的频率在5～10 Hz[6]，已知系统采样的频率必须大于模拟信号最高频率的2倍，即fc>2f0，工程中通常取3～5倍，为了更加具体的反应信号的波形，本系统采样频率取信号最高频率的20倍,在级联模式下，每隔5 ms对ADCINA0S上的一路模拟信号采样一次。

经过芯片A/D转换后的数字量能够最大限度的反映出信号波形的特征，同时6.25 MSPS的采样速率也保证了测速系统的实时性。

2.2.2 设置对应的判别门限阈值

不同于文献[4]采用多重门限的设定方法来提高测速精度，在已经获得信号波形特征的前提下采用简单门限便可以起到保证数据精度，滤除干扰的作用。

ADC每隔5 ms读取一个数，将一次测速所收集到的数据全部存放在设置的数组a[i]中，实时判断这组数据中的最大值和最小值，实验的峰值应在2～3 V之间，谷值应在0～1 V之间，因此为了减少干扰造成的误差，数组中的最大值应该大于2 V,最小值应该小于1 V。找出此时所测物体开始进入被动式毫米波探测范围时峰值所对应的时刻T1以及离开探测范围时谷值所对应的时刻T2，记录两值之间的时间间隔t，由式(1)得金属位移距离L，从而计算出所测物体的移动速度v。

(2)

3 测试实验

被动式毫米波测速电路的实验采用将模拟仿真和实物实验相结合的方法，Multisim仿真验证各电路是否能达到预期的放大、滤波、偏置效果。实物实验验证测速系统的整体性能效果，包括测速实时性、信号抗干扰性以及系统稳定性等。

3.1 Multisim仿真

信号发生器(Function Generator)模拟测速回波信号，生成频率为10 Hz，电压在10～30 mV的正弦波，输入被动式毫米波测速系统的放大、滤波、偏置电路中。各电路的仿真结果如图4—图6所示。

图4 二级信号放大电路仿真结果Fig.4 Simulation results of two stage signal amplifying circuit

图5 10 mV回波信号偏置电路仿真结果Fig.5 Simulation results of 10mV echo signal bias circuit

图6 30 mV回波信号偏置电路仿真结果Fig.6 Simulation results of 30mVecho signal bias circuit

仿真结果证实二级放大电路将30 mV信号放大50倍，使信号的振幅不大于3 V,满足放大要求。偏置电路将所有回波信号的电压向上偏置1.5 V，保证输入ADCINA0引脚的模拟信号电压大于0 V，避免芯片损坏。模拟仿真实验结果验证了电路的可行性。

3.2 室外测试

仿真后的电路做成PCB电路板与直接检波式辐射计和TMS28335的ADCINA0引脚相连，构成完整的被动式毫米波检测系统。将测速系统与汽车的测试距离D从5 m推至22 m，汽车长度为4.5 m，检测部分距离回波信号的波形如图7—图10所示。测试结果如表1所示。

图7 5 m测速波形 Fig.7 5 m Velocity waveform

图8 7 m测速波形Fig.8 7 m Velocity waveform

图9 17 m测速波形Fig.9 17 m Velocity waveform

图10 19 m测速波形Fig.10 19 m Velocity waveform

测速距离/m所测车速/(m/s)实际车速/(m/s)相对误差/%测速距离/m所测车速/(m/s)实际车速/(m/s)相对误差/%515.515.311.21514.414.300.7715.315.220.51715.815.670.8914.314.240.41913.413.480.61114.914.820.52015.715.481.41313.513.440.42215.215.562.3

4 结论

本文提出了提高被动式毫米波测速精度的方法，该方法根据辐射计输出模拟信号的电压及频率规律，设计出合理的硬件电路对信号进行相关处理以增强信号的可读性，然后利用TMS320F28335芯片对处理后的信号进行特征提取、设置对应的判别门限阈值以及对采集的数据进行快速计算。实验表明采用该方法对输出的模拟信号具有较好的处理能力，使得直接检波式辐射计的输出信号在示波器中有良好的可识别波形，最终测得移动金属速度误差小于2%。但是在实际应用上还存在不足之处，如供电电池较笨重，不易携带，测速系统需要专门的支架等，由于本系统只是验证测速电路的可用性，因此测速距离均是提前已知而后计算速度，不具备变化场地实时测速的能力。

[1]宋崧,王学田,邓甲昊.被动毫米波成像系统的发展状况及其关键技术[J].科技导报，2011，29(19):74-79.

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[3]时翔，娄国伟，李兴国.毫米波被动探测与目标辐射特性的控制[J].探测与控制学报，2006，28(2)：10-12.

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[5]李海军，张亚，李世中，等.基于被动毫米波目标检测装置[J].四川兵工学报，2010，13(7)： 98-100.

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Enhancement of Passive Millimeter Wave Velocity Measure Precision

ZHANG Song, ZHANG Ya, CAI Yiqing

(School of Electromechanical Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Aiming at passive millimeter wave velocity measuring system for speed signal processing inaccurate result in speed measuring precision is not high, a system of hardware circuit and software program in order to improve the passive millimeter wave speed measuring precision was proposed. According to the radiometer output analog signal voltage and frequency regulation, a reasonable hardware circuit of signal processing was designed to enhance the readability of the signal, then the TMS320F28335 chip was used for featuring extraction of the signal processing, corresponding discriminant threshold and fast calculation of data acquisition was set. Experiments showed that, by using the method of output analog signal, the method had a good ability to make direct detection radiometer output signal in the oscilloscope, which had good identifiable waveform, and the signals of measured mobile metal velocity error was less than 2%.

passive millimeter wave; speed measuring system; characteristic extraction; judgement threshold

2016-04-25

张松(1991—)，男，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向：机电系统控制技术。E-mail:1461669880@qq.com。

TP242

A

1008-1194(2016)05-0064-04