《汽车电子学》课程实验
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——多普勒雷达测速试验
专业________________
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学号________________
2010-10-11
多普勒雷达测速实验
一、实验目的：
1、掌握雷达测速的原理
2、了解雷达的安装、使用方法和注意事项
3、验证雷达测速的效果
二、实验原理：
1、基于多普勒效应的雷达测速原理
雷达的工作原理：雷达发射某一固定频率的微波，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差，称为多普勒频移（Doppler shift）。根据多普勒频移的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。
现简单描述一下多普勒效应：
多普勒效应——波源与观察者有相对运动时，观察者接收到的频率与波源发射频率不相同的现象。如当鸣笛的火车开向站台，站台上的观察者听到的笛声变尖，即频率升高；相反，当火车离开站台，听到的笛声频率降低。现讨论以下三种情况。
（1）设波源的频率为
，观察者接收到的频率
，波的频率
，波速为
。
相对于媒质，波源不动，观察者以速度
向着波源运动 ，如图1a。(波长不变、等效的波速变化) 。
则
（2）相对于媒质观察者不动，波源以速度
向着观察者运动，如图1b。因为波源所发出的相邻的两个同相振动状态是在不同地点发出的，这两个地点相隔的距离为
，其中为波源周期
。如果波源是向着观察者运动的，这后一地点到前方最近的同相点之间的距离是现在媒质中的波长
。
波源运动，在媒质中的波长：
对应波的频率为：(波速不变，等效的波长变化)
由于观察者静止，所以他接收到的频率就是波的频率：
，
（3）相对于媒质，波源和观察者同时运动，则有如下：
仅观察者运动时，观察者所接收到的频率如（1）式，
仅波源运动时，介质中波的频率如（3）式，
将（3）式中的
代入（1）式，得
，
2 多普勒雷达测量拖拉机对地速度原理
在农业机械的研究和鉴定试验中，许多的参数都与农机具的行走速度有关。例如，计算谷物产量时，需要检测联合收割机的速度；分析排种均匀性时，需要借助播种机的行走速度，等等。因此，人们在不断研究新的测量方法和新的测量仪器，以满足不同场合的测速需要，而且把直接测量运动物体的相对速度作为主要的研究方向。非接触测量方法有多种，如基于视频的测速、红外线等方法测量速度；但是每种方法都有各自的优缺点。超声波常应用于高速测量，激光测速法对测量角度的要求比较严格，基于视频的速度测量，是测定固定时间间隔的两幁连续序列图像中目标的相对位移实现速度测定，这种方法一般要求摄像机要固定不动，但目前在国内这方法还没应用于农业。在农业作业机械自动控制系统中，对于对地行走速度的测量是一个非常重要的方面。
如图2所示，雷达安装角度为
，发射的微波信号频率是
，速度为光速
，车辆前进速度为
，设地面反射的回波频率为
，此时可看作波源运动，观察者静止的情况。则有
微波反射回来时，设雷达接收到的频率为
，此时可看作是波源静止，观察者运动的情况，则有
故多普勒频移
，而车辆对地速度
附注：如果车辆行驶过程中产生俯仰变化时，要准确测量车辆相对地面速度，需要在车辆上安装两个多普勒雷达，一个向前发射微波信号另一个向后发射，得到的两个不同值的多普勒频移
，取平均后再求速度即为当前车辆相对地面行驶速度。如图3所示。
三、实验设备
1. 美国帝强DjRVS Ⅱ雷达测速传感器介绍
此雷达测速传感器如图3所示，其固有的微波频率是24.125 GHz ±50 MHz，工作电压范围是9V～16V，输出的是幅度+12V的频率信号，其测速范围在0.53 到 107 km/h，实际的速度测量误差：<±5%（0.53 to 3.2 km/h），<±3%（3.2 to 107 km/h）。雷达在车辆上的安装图如图4所示：
2. 测速电路与连接框图
由于雷达输出电压为12V，而实验中使用的单片机stm32103ve端口承受电压不超过5V，故需要降低输入电压，这里采用一个2K电阻和1K电阻串联方式，1K电阻靠近输入电压端电压为3V，作为单片机的输入信号。雷达、单片机与电脑的连接示意图如下图5所示。
图 5 器件连接框图
四、实验内容：
1. 实验1
1 在实验场地（土槽楼前平地），用激光测距仪测量一段直线段ab；
2 接好电源线路；
3 将车辆加速到一定速度匀速通过ab段；用秒表记录车辆经过此直线段的时间，过程中读取雷达频率数据并保存；
4 测量另一长度距离，重复步骤3；
5 重复步骤4。
将试验数据填入下表（数据处理可参考 2．实验数据处理）。
表格 1 实验数据
距离s
时间t
平均速度v
雷达所测的平均速度
第一次
第二次
第三次
2．实验数据处理
实验数据处理有两种常用方法，利用Excel表格或Matlab处理。下面简单说一下Excel表格处理的方法。
1 新建一个Excel表格；
2 点击“数据”菜单，再点弹出的下拉菜单“导入外部数据”，选择“导入数据”；
3 导入数据后，选择数据组，点击“插入”菜单中的“图表”项，工作区将会出现“图表向导”；
4 选择“标准类型”中的“折线图”，再在“子图表类型”中选第一个，得到类似图6 中的图形。
图 6 Excel表格处理数据得到的图形
图 7 Matlab处理数据得到的图形
2. 实验2
1 用激光测距仪测量一段直线段ab；
2 拖拉机以变速经过ab直线段，期间记录雷达发出的频率数据；
请描绘出拖拉机速度变化波形（附纸）。
五、思考题
请详看附注并简述一下其原因（即为什么两个雷达能够测量拖拉机有俯仰变化时的对地速度）。
浙公网安备 33021202002483