侧向两波束车载多普勒测速雷达设备
阅读说明：本技术 侧向两波束车载多普勒测速雷达设备 (Lateral two-beam vehicle-mounted Doppler velocity measurement radar equipment ) 是由 解宝同 沈波 刘杰 利晓芸 陈晓东 张泽宇 郑翕文 刘志强 舒锐 王得帅 李楠 于 2021-01-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种侧向两波束多普勒测速雷达设备,主要解决现有技术不能同时进行车辆前向速度和侧向速度测量及测量精度低的问题。其包括：天线(1)、收发机(2)、信号处理单元(3)、电源组件(4)。收发机产生K波段连续波信号进入发射天线,发射天线对地辐射产生带有多普勒频移的回波信号,接收天线接收到回波信号后进入收发机进行放大和正交混频,输出正交的多普勒频移信号；信号处理单元对多普勒频移信号进行采样,通过频率跟踪算法解算多普勒频移并结合波束指向角度信息,计算出雷达前向速度和侧向速度。本发明消除了车辆振动颠簸引起的随机误差,减小了测速均值误差,避免了累积误差,可用于测量车辆相对于地面的前向速度及侧向速度。(The invention relates to lateral two-beam Doppler velocity measurement radar equipment, which mainly solves the problems that the prior art can not simultaneously measure the forward velocity and the lateral velocity of a vehicle and has low measurement precision. It includes: the antenna comprises an antenna (1), a transceiver (2), a signal processing unit (3) and a power supply component (4). The transceiver generates K-waveband continuous wave signals and enters a transmitting antenna, the transmitting antenna generates echo signals with Doppler frequency shift by ground radiation, the receiving antenna receives the echo signals and then enters the transceiver for amplification and orthogonal frequency mixing, and orthogonal Doppler frequency shift signals are output; the signal processing unit samples Doppler frequency shift signals, calculates Doppler frequency shift through a frequency tracking algorithm and calculates the forward speed and the lateral speed of the radar by combining beam pointing angle information. The invention eliminates the random error caused by vehicle vibration and bump, reduces the speed measurement mean error, avoids the accumulated error, and can be used for measuring the forward speed and the lateral speed of the vehicle relative to the ground.)
技术领域
本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种多普勒测速雷达，可用于测量车辆相对于地面的前向速度及侧向速度。
背景技术
常见的车载测速设备主要为里程计，里程计借用车辆轮胎的转动圈数直接测量车辆在地面上行驶的路程和速度，属于机械式测速。一般里程计装在车辆的传动轴上，车辆行驶时会驱动里程计进行圈数计数，结合车辆的直径参数就可以得出精确的速度和路程信息。但在车辆打滑，车轮空转，横向漂移等情况时，无法精确测量实时速度，也无法提供侧向速度数据，且里程计还面临车轮磨损，胎压变化的问题。
多普勒测速雷达通过多普勒效应，以非接触式测量方式可以测出载体自身相对于地面的速度，解决里程计测速时出现的打滑、横向漂移状况下的测速问题及车轮磨损及胎压变化出现的积累误差。
现有的车载多普勒测速雷达设备包括：汽车防撞雷达、列车测速雷达。其中：
车载防撞雷达，用于测试载体与障碍物的相对位置信息及相对速度信息，对速度精度要求不高，大多数采用一发多收天线体制，雷达使用线性调频模式以获取多目标的速度及距离信息。该雷达特点是多目标监测，关注的重点是目标与载体的相对位置信息和距离信息而非载体相对地面的速度信息，因此无法获取载体对地面的高精度速度信息。
列车测速雷达，用于测量列车在固定轨道上行驶的前向速度，其采用固定单波束天线对轨道辐射以获取多普勒频，通过匹配轨道强反射目标算法获取速度信息。由于该模式采用单波束，波束照射方向沿列车运行方向，无法解算出侧向速度。同时车辆颠簸引起的垂直速度会叠加到前向速度，引入测速误差，导致测量误差大。
上述两种雷达测速精度相对低，均不适用于安装在车辆上，不能满足对汽车相对于地面的前向速度和侧向速度进行测量的要求。
发明内容
本发明的目的针对上述现有技术的不足，提出一种侧向两波束车载多普勒测速雷达设备，以实现在复杂环境下雷达对地面前向速度和侧向速度的测量。
为实现上述目的，本发明的侧向两波束车载多普勒测速雷达设备，包括天线、收发机、信号处理单元和电源组件，电源组件分别与收发机、信号处理单元连接，其特征在于：
所述天线，设为收、发两个天线，每个天线有两个馈电端，通过向不同馈电端施加信号实现前向发射波束、后向发射波束、前向接收波束、后向接收波束的切换；
所述收发机，用于产生K波段低相位噪声连续波信号，通过发射波束选择开关两个射频输出端输出，分别连接发射天线的两个馈电端，产生不同指向的对地辐射信号，并经地面反射后产生带有多普勒频移的回波信号；接收天线接收相应指向回波信号后，由接收天线相应两个馈电端输出，经接收波束选择开关两个射频输入端进入收发机，依次经过低噪声放大和零中频正交混频，输出两路正交的多普勒频移信号给信号处理单元；
所述信号处理单元，用于对两路正交的多普勒频移信号依次进行FFT变换、匹配滤波和解算，得出多普勒频移值，并依据该多普勒频移和天线波束指向角解算出当前载体前向和侧向的速度值，同时对收发机的收发时序和波束切换时序进行控制。
进一步，天线前向波束与后向波束在天线H面两侧对称分布，E面天线波束指向角α为16°～24°，波瓣宽度≤4°；该天线前向波束与后向波束在天线E面同侧分布，H面天线天线波束指向角β为10°～12°，波瓣宽度≤6°。
进一步，所述发射天线的两个馈电端分别为前向波束馈电端I11和发射后向波束馈电端I12，该发射前向波束馈电端I11与收发机的第一射频输出端O21连接，该发射后向波束馈电端I12与收发机的第二射频输出端O22连接；所述接收天线的两个馈电端分别为接收前向波束馈电端O11和接收后向波束馈电端O12，该接收前向波束馈电端O11与收发机的第一射频输入端I21连接，该接收后向波束馈电端O12与收发机的第二射频输入端I22连接。
进一步，所述的收发机包括：100MHz温补晶振、锁相源、功分器、发射波束选择开关、接收波束选择开关、低噪声放大器、正交混频电路、电源处理功能电路；温补晶振产生100MHz基准信号，进入锁相源进行倍频锁相，以产生24.2GHz低相位噪声发射信号和锁相指示电压，并由锁相指示端O25输出；发射信号经功分器后一路通过发射波束选择开关分别由第一射频输出端O21和第二射频输出端O22输出，另一路作为正交混频的本振进入正交混频电路；雷达回波经第一射频输入端I21和第二射频输入端I22进入收发机接收波束选择开关，经低噪声放大器和正交混频电路，产生正交的I、Q两路信号。
进一步，所述信号处理单元包括：A/D采样电路、ARM微控制器和RS422接口电路，A/D采样电路对输入的两路I和Q信号进行数字采样，并将采样数据送入ARM微控制器，ARM微控制器对该数据进行FFT和匹配滤波，解算出多普勒频移值，并依据该频移和当前控制的波束状态及相应波束角度信息，计算出当前载体前向速度VX和侧向速度VY，将该数据通过RS422接口电路送外部上位机，同时ARM微控制器接收外部上位机指令完成雷达自检、波束控制和电源控制。
该信号处理单元设有三个输出端，分别为时序控制输出端O31、422串口输出端O32、电源控制输出端O33，该时序控制出端O31与收发机时序控制输入端I23连接，该422串口输出端O32与外部的上位机连接，该电源控制输出端O33与电源组件连接第二输入端I42。；所述信号处理单元设有四个输入端，分别为I路中频输入端I31、Q路中频输入端I32，电源输入端I33，锁相指示输入端I34，该I路中频输入端I31与收发机I路中频输出端O23连接，该Q路中频输入端I32与收发机Q路中频输出端O24连接，该电源输入端I33与电源组件第二输出端O42连接，该锁相指示输入端I34与收发机锁相指示输出端O25连接。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明天线由于采用了侧向前后对称两波束配置，不仅能同时测量载体前向速度和侧向速度，消除车辆振动、颠簸带来的前向测速随机误差，而且可以自由安装于载体车辆的侧面，底部，无波束遮挡，
2、本发明由于采用K波段发射载频频率，因而在同波束宽度下，天线尺寸小，利于产品小型化要求，频率高，对应波长小，同速度对应多普勒频移大，速度分辨率高；
3、本发明由于采用双天线连续波载波信号，可使回波有效利用率达到最大，数据处理时间积累长，提高了多普勒频率的测量精度，进而提升测速精度；
4、本发明由于收发机采用了零中频正交混频方案，避免了多级变频，降低了收发机的成本，并可通过正交比相区分正速度和负速度；
5、相比于传统测速设备，本发明具有以下优点：
相比于里程计设备，本发明可同时测量载体的前向速度、侧向速度，无累积误差；
相比于惯导设备，本发明平均速度信息非常精确，测速误差稳定，无累积效应，无需标定、无预热准备时间；
相比于GPS，本发明测速是完全自主的，不需要地面站或者卫星发射机；
相比于激光测速，本发明是一种全天候系统，各种气象条件均可以工作，不受雨、雪和沙尘环境影响。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中的收发机原理示意图；
图3为本发明中的波束配置示意图；
图4为本发明中的信号处理单元原理示意图；
图5为本发明的安装位置示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1，本发明的车载多普勒测速雷达设备包括天线1、收发机2、信号处理单元3、电源组件4。其中：
天线1分为发射天线和接收天线，该发射天线，其有二个输入端，即发射前向波束馈电端I11和发射后向波束馈电端I12，接收机产生的K波段连续波信号分别通过发射前向波束馈电端I11和发射后向波束馈电端I12形成不同指向对地辐射，雷达相对于地面运动时，产生带有多普勒频移的回波信号。该接收天线有两个输出端，即接收前向波束馈电端O11和接收后向波束馈电端O12。接收天线接收地面特定角度的回波信号，并通过接收前向波束馈电端O11和接收后向波束馈电端O12输出到收发机。
收发机2，其有四个输入端和五个输出端，即第一射频输入端I21、第二射频输入端I22、时序控制输入端I23、电源供电输入端I24，第一射频输出端O21、第二射频输出端O22、I路中频输出端O23、Q路中频输出端O24和锁相指示输出端O25；该收发机用于产生低相位噪声K波段发射信号，并通过发射波束选择开关后分别由第一射频输出端O21、第二射频输出端O22输出，再通过射频同轴电缆分别与发射天线发射前向波束馈电端I11和发射后向波束馈电端I12连接，以对发射天线进行激励；第一射频输入端I21和第二射频输入端I22通过同轴电缆分别与接收天线接收前向波束馈电端O11和接收后向波束馈电端O12连接，将接收到的不同指向回波信号通过波束选择开关进行分时处理，随后经过低噪声放大和零中频正交混频，最终产生两路正交的多普勒频移信号，分别由I路中频输出端O23、Q路中频输出端O24输出。收发机还可产生用锁相指示电压，用于判断发射信号输出频率是否正常，该信号由锁相指示输出端O25输出。
信号处理单元3，其有四个输入端和三个输出端，即I路中频输入端I31、Q路中频输入端I32、电源输入端I33、锁相指示输入端I34、时序控制输出端O31、422串口输出端O32和电源控制输出端O33。该信号处理单元I路中频输入端I31和Q路中频输入端I32分别与收发机I路中频输出端O23、Q路中频输出端O24连接，用于对收发机输出的正交多普勒频移信号依次进行A/D采样、频率解算和速度解算，并将速度解算结果通过422串口输出端O32输出到上位机；时序控制输出端O31通过离散信号线与收发机时序控制输入端I23连接，控制收发机发射波束选择开关和接收波束选择开关的工作时序；该锁相指示输入端I34与收发机锁相指示输出端O25连接，用于监测收发机锁相指示电压；该电源控制输出端O33与电源组件连接，用于根据上位机指令控制电源组件的电压输出，进而控制收发机工作电源。
电源组件4，其有二个输入端和两个输出端，即I41、I42、O41、O42，该第一输入端I41与上位机连接，用于将上位机提供的车载工作电源电压变换至收发机和信号处理组件工作所需电压，该第二输入端I42与信号处理单元电源控制输出端O33连接，用于接收信号处理组件电压输出控制指令，其第一输出端O41与收发机电源供电输入端I24连接，用于提供收发机所需供电电压，其第二输出端O42与信号处理单元电源输入端I33连接，用于提供信号处理单元所需供电电压。
参照图2，所述的收发机2，其包括：100MHz温补晶振21、锁相源22、功分器23、发射波束选择开关24、接收开关波束选择开关25、低噪声放大器26、正交混频电路27、电源处理功能电路28；温补晶振产生100MHz低相位噪声信号，进入锁相源进行倍频锁相，以产生24.2GHz低相位噪声发射信号和锁相指示电压，当锁相源锁定，即输出24.2GHz信号时，锁相指示电压为高电平，当锁相源无输出或输出其他频率时，锁相指示电压为低电平，该锁相指示电压由锁相指示端O25输出。频率为24.2GHz的发射信号Fo,经功分器分后输出两路信号，其中一路进入发射波束选择开关后，由第一射频输出端O21和第二射频输出端O22分时输出，发射波束选择开关工作状态受时序控制输入端I23施加的控制信号控制；另一路作为正交混频的本振进入正交混频电路，进行正交移相，产生等幅正交的两路本振Fo 0°和Fo 90°。带有多普勒频移FD的回波信号Fo+FD经第一射频输入端I21和第二射频输入端I22进入收发机接收波束选择开关，该开关同样受时序控制输入端I23施加的控制信号控制，开关分时输出各通道回波信号，经低噪声放大器放大后进入正交混频电路，在正交混频电路中首先对回波进行等幅同相功分，产生频率为Fo+FD两路相同信号，再将该信号分别与两路正交的本振信号Fo 0°和Fo 90°进行混频，消除载频频率Fo，然后进行低通滤波，滤除混频产生的高阶混频分量，最终输出正交的两路多普勒频移信号FD 0°和FD90°，分别由I路中频输出端O23和Q路中频输出端O24输出。
为了提高速度测量精度，对天线波束指向角和配置关系进行优选，该天线前向波束与后向波束在天线H面两侧对称分布，E面天线波束指向角α为16°～24°，波瓣宽度≤4°；该天线前向波束与后向波束在天线E面同侧分布，H面天线天线波束指向角β为10°～12°，波瓣宽度≤6°，如图3所示。
参照图4，所述信号处理单元包括：A/D采样电路31、ARM微控制器32和RS422接口电路33。
该A/D采样电路31对输入的两路I和Q信号进行数字采样，并将采样数据送入ARM微控制器32；
该ARM微控制器32对采样数据进行FFT和匹配滤波，解算出多普勒频移值，并依据该频移和当前控制的波束状态及相应波束角度信息，计算出当前载体前向速度VX和侧向速度VY，其计算原理及公式如下：
根据多普勒效应，电磁波在相对运动的物体间会产生多普勒频移FD，当远离目标时，多普勒频移取负值，靠近目标时，取正值。由此可根据多普勒频移与电磁波波长，相对运动速度和方向有关的基本公式得出普勒频移：其中λ表示载波的波长，V表示相对运动速度，γ表示电磁波传播方向与相对运动速度方向的夹角。
根据图3所示的雷达天线波束指向及配置关系可知，天线前向波束与地面交汇于A点，天线后向波束与地面交汇于B点，且A、B对称分布，α为天线E面波束指向角，β为H面天线波束指向角，θ为波束对地入射角，且满足：sin2θ＝sin2α+sin2β，
由图4几何关系和多普勒效应原理可得到多普勒频移表达式：
其中Vx为载体前向速度分量，Vy表示载体侧向速度分量，Vz表示载体垂向速度分量，λ表示载波的波长，fA表示前向波束对应的多普勒频移，fB表示后向波束对应多普勒频移，这两个波束的多普勒频移值均正比于雷达三轴向速度VX、VY、Vz在波束指向方向的投影，反比于载波波长λ。
通过上式得出计算雷达前向速度VX和侧向速度VY的如下公式：
由前向速度VX和侧向速度VY可看出，用该波束配置可以消除垂向速度对VX的影响，但在VY方向会带来约两倍的垂向速度误差，但实际使用中，车辆在路面行驶，垂向速度均值为零，因此不影响速度均值误差，但车辆振动和颠簸会增大侧向测速的瞬时误差。
计算出的雷达前向速度VX和侧向速度VY通过RS422接口电路33送给外部上位机，同时ARM微控制器32接收外部上位机指令完成雷达自检、波束控制和电源控制。
参考图5，本实例的雷达安装于载体车辆的侧面，安装高度为1m～2.5m，雷达平行于车辆安装，由螺钉定位安装。由上位机供电并发出指令进行工作/静默，工作时，雷达实时输出前向速度和侧向速度信息，静默时，雷达无输出，无电磁辐射。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些是基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
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