基于微波技术的实时交通信息检测

发布时间:2021-10-29 00:06:34

基于微波技术的实时交通信息检测 一、引言 实时交通信息是智能交通系统(ITS)的最基本的信息源之一,只有对各道路实时交通信息有了 准确地掌握才能有效地实施和发挥诸如交通诱导之类的ITS功能, 因此对交通信息的实时检测技术是 ITS技术中最核心也是最基本的技术之一。 实时交通信息包括很多方面,不同应用环境的需求也不相同。主要包括:各车道单位时间车流 量、车辆即时速度、单位时间车辆*均速度、单位时间车辆占有率、车头时距以及车辆分型等。这 里的单位时间根据需要设定,一般为20秒,也可以以5分钟、半小时,甚至1小时为单位时间,不过, 单位时间越长,车辆*均速度越没意义。 交通信息采集技术有很多种,可以分为路面接触式与路面非接触式。最先开始发展的是接触式 的交通信息采集技术,其主要代表是压电、压力管探测、环行线圈探测和磁力式探测。这些采集装 置都有共同特点,就是埋藏在路面之下,当汽车经过采集装置上方时会引起相应的压力、电场或磁 场的变化,最后采集装置将这些力和场的变化转换为所需要的交通信息。经过多年发展,路面接触 式的交通信息采集技术已经很成熟,其测量精度高,易于掌握,一直在交通信息采集领域中占有主 要地位。但是这种路面接触式的交通采集装置有着不可避免缺点。首先是安装维护困难,必须中断 交通、破坏路面;其次随着车辆增多,车辆对道路的压力导致这类装置的使用寿命也越来越短;现 在道路扩张很快,各种环境下的道路日益增多,而路基下沉、盐碱和冰冻等条件将严重影响路面接 触式交通信息采集装置的使用。所有这些都带来了其使用成本的极大上升。另外由于路面的特殊性, 有些地段(如桥面上、隧道内)不容许或者难以对路面进行破坏性施工,因而无法安装需破坏路面 的检测装置。 新*发展起来的路面非接触式交通信息采集装置不存在安装维护困难、使用寿命短等缺点,主 要分为波频探测和视频探测两大类。波频探测又可分为微波、超声波和红外三种,其中除了超声波 探测只能进行单车道交通信息采集外,其余都可同时进行多车道交通信息采集。由于安装维护简单, 路面非接触式交通信息采集技术发展非常迅速。视频探测是利用车辆进入检测区域导致背景灰度变 化的原理来进行检测,直观可靠,但受光度,气候条件的影响很大。而波频探测则是利用车辆经过 检测区域时引起的电磁波的返回时间或频率的变化进行检测,其中红外检测对车型分辨清晰,但受 天气的影响很大;超声检测对于车速和车型的判定准确,但受安装条件限制只能顶部正向安装,只 能采集一个车道的信息,并且检测距离很小;微波受风雨雷电以及光照等外界条件影响可以忽略, 并且既可以侧向安装同时采集多车道交通信息,也可以正向安装对单车道车流量、车辆实时速度和 车型等进行精确判断。 由以上介绍的各种交通信息采集技术来看,微波检测有着安装维护方便、使用寿命长、受天气 气候影响小,既能同时进行多个车道检测(侧向安装),也能对单一车道交通信息精确检测(正向 安装)等诸多特点和优势,因此基于微波技术的交通信息检测将是最具生命力的! 二、微波交通信息检测技术原理 将微波雷达技术应用于交通信息采集时关键要解决从雷达回波信号中提取车辆信息问题。简单 来说,就是如何利用微波雷达技术所具有测速与测距功能来实现交通信息的实时检测。 1、速度检测 微波雷达对运动物体的精确速度检测基于微波多普勒(Doppler)效应。微波在行进过程中,碰 到*锾迨被岱瓷洌曳瓷浠乩吹牟ǎ淦德始罢穹蓟崴孀潘龅降奈锾宓囊贫刺谋洹 若微波所碰到的物体固定不动,那么所反射回来的波其频率不变。若物体朝着无线电波发射的方向 前进,此时所反射回来的无线电波会被压缩,因此该电波的频率会随之增加;反之,若物体朝着远 离无线电波方向行进,则反射回来的无线电波其频率会随之减小。这就是Doppler效应。 基于Doppler效应原理,可以对运动目标的速度进行精确测量。将相对运动所引起的接收频率与 发射频率之间的差频称为Doppler频率,用fd表示,表达式为 fd = 2fo*V*cosΘ/c 其中fo表示雷达前端发射的微波信号频率(一般为24GHz或者35GHz);V为被检车辆速度; c表示 电磁振荡在空气中的传播速度,Θ表示微波波束方向与运动方向的夹角。 从上式可以看出,只要测得了Doppler频率fd ,就可以获得运动物体的速度,这就是Doppler 测速原理。具体做法是,利用Doppler收发(T/R)组件产生单频高频微波,并接收目标的反射信号,

由于反射信号的频率与发射信号的频率相比已经有了一个变化,经混频后输出的中频(IF)信号频 率即为发射频率与接收频率之差,也就是fd。利用fd就可以测量出车辆的速度。 基于Doppler效应原理的测速精度极高。其测量误差主要来源于以下因素:T/R组件的发射频率 fo的误差,Doppler频率的fd测量误差。由fo引起的误差可通过提高其输出稳定度来解决,比如使用 低相位噪声的谐振腔,也可以采用锁相(PPL)的方式实现;由fd测量引起的误差则依据不同的检测 方式而采用不同的检测方法。简单的检测方式是检测单位时间内IF信号的周期数,目前的测速雷达 大多采用这种方式,其特点是结构简单、成本低,但是精度一般都不高,虽然可以在硬件和软件上 下功夫,但难以有突破性的进展;另一种很精确的方法是利用数字信号处理芯片DSP对IF信号进行 Fourier(傅立叶)变换以求得信号频率,这种方法的特点是测量精度足够高,缺点是结构复杂,成 本相对较高。 2、 车辆流量检测 利用Doppler效应只能检测具有一定速度运动的物体,并且只能检测单一目标,因此在智能交通 系统中, 如果要利用Doppler效应对车辆进行存在性检测将会面临只能检测单一车道高速运行车辆的 困境,因此不合适该应用。 除Doppler效应外,微波雷达还具有距离检测功能。利用测距功能通过测量车辆与雷达之间的距 离就可以判别车辆处于哪一条车道;对于同一车道,有无车辆存在时回波信号强度相差很大,这样 就可以判定车辆的存在,综合起来就可以同时获得多车道实时车辆存在信息而不用担心此时道路是 否拥挤(低速甚至停止情形)。 采用调频连续波(FMCW)体制的雷达可以很好地实现上述雷达测距功能。 FMCW是受一定频率周期性线性连续波调制的微波,雷达通过天线向外发射一系列连续调频波, 并接收目标的反射信号。发射波的频率随时间按调制电压的规律变化。一般调制信号为三角波信号 或者锯齿波,发射信号与接收信号的频率变化如下图1所示。反射波与发射波的形状相同,只是在时 间上有一个延迟 t, t与目标距离R的关系可表示为

其中T为调制三角波周期, F为调频带宽。 也就是说,目标距离与雷达前端输出的中频频率成正比。不同车道的车辆由于距雷达发射端口的距 离不同,所产生的IF信号频率也不相同,因而可以同时检测多车道车辆的存在。

调频连续波雷达的特点如下: (1)能测量很*的距离, 一般可测到数米, 而且有较高的测量精度。 (2)雷达线路简单,且可做到体积小、重量轻。

3、 其他交通信息参数检测 除了车流量和速度以外,另外几个主要交通信息参数是车型、占有率和车头时距。对于微波来 说,虽然不同类型的车辆其微波反射截面不同,但是这一特点无法用于车辆分型应用之中,因为影 响反射截面的因素异常复杂,形状、大小、反射面材料等等都会起作用。由于车辆通过检测区域所 需时间是可以测量的,如果准确速度知道了,利用速度与通过时间相乘就可以推算出车辆的长度, 因而基于简单微波技术的雷达只能提供基于长度的车辆分类(比如长车、中长车、短车等)。如果 需要利用微波技术对车辆进行准确分型,则需要利用车辆轮廓诊断技术,成本将大幅度增加。一般 的ITS应用不需要对车辆进行严格分型,按长度分类就可以了。 车道占有率以及车头时距通过检测车辆进入和离开微波雷达监测区域的时刻来计算。对于侧向

安装微波雷达来说,这两个时刻难以准确测量,因为不同的检测灵敏度将对应不同的时刻,所以只 能起到参考作用。而正向安装微波雷达却能非常准确的测量。 三、目前流行的微波交通信息检测技术 微波交通信息检测技术的发展已有十多年历史,最早是采用单波束侧向安装体制,*年又开发 出了双波束侧向安装体制雷达,随着科技的发展,最*出现了单波束正向安装体制雷达以及双波束、 双体制正向安装雷达。它们之间的比较如下表所示。 1、 单波束侧向 "单波束侧向"是指检测雷达发射出单一微波束,检测装置安装于道路侧面立杆上的交通信息检 测雷达。该装置在所需检测的多车道道路断面上投下椭圆形的"微波阴影"区域,利用微波FMCW原理 对各车道车辆进行检测。 该类雷达的主要优点:安装维护方便(不需要中断交通和破坏路面)、能同时检测多达10个车 道的车流量信息、道路畅通时准确率很高,拥堵时的检测准确性就要看雷达内部的检测算法的合理 性了,不同厂家的产品差别会很大。 缺点:其他交通信息参数(如速度、占有率等)均不准确,只能用于参考,并且同时测10车道 时,最外侧的2个车道车流量准确率会下降。 这些缺点是其检测原理的必然结果。

正向安装类型雷达一般采用一个数据处理单元同时处理1~12个雷达收发(T/R)前端的方式,即每 个车道上方安放一个T/R单元,所产生的IF信号传回到道路侧面的控制盒进行集中处理,这样配置灵 活,将极大地节省成本,同时维护也要简单得多。

对于侧向安装的雷达,只能检测出车辆进入和离开雷达投射在路面的"微波阴影"区域的时刻, 而该时刻与所设定的检测阈值关系极大。要理解该检测阈值或者说是检测灵明度,先得了解一下有 关微波信 号处理的内容。常规的处理过程是,雷达回波信号经混频产生中频时域信号,该信号经过数字信号 处理单元的FFT(快速富利叶变换)后变成频域信号(即频谱),从前面关于FMCW的原理可以知道, 不同车道由于距雷达距离不同而使得回波信号的频率不同,因此一个车道对应于该中频信号频谱的 某一频段内,有车存在时的回波信号强度明显大于无车时的强度,因此根据该频段内的信号强度的 变化就可以知道该频段所对应的车道内是否有车辆。所谓的检测阈值或者说是检测灵明度就是这样 一个设定的值,当频谱强度高于该值时就认为有车存在,否则就认为没有车。提高该值就会少检测, 降低该值就会多检测,这也就是检测灵明度的由来。而车辆的进入和离开监测区域时刻是以频谱强 度是否超过检测阈值而定的,显然这两个时刻均受检测阈值的极大影响。由于同时检测多车道,各 车道之间一定存在相互干扰,为避免干扰就得调整相应的检测灵明度,这样车辆通过时间就必然无 法准确检测。

关于速度和车型,FMCW原理一点办法也没有,只能建立模型,因而只能给出所谓的*均速度, 车型也只能提供参考,其准确度依据模型而定。

2、 双波束侧向

*年来,在侧向单波束雷达技术的基础上,研发出来了一种双波束侧向雷达。"双波束侧向"是 指检测雷达发射出两束具有一定夹角的微波束,检测装置安装于道路侧面立杆上的交通信息检测雷 达。该装置在所需检测的多车道道路断面上投下2个具有一定夹角的椭圆形"微波阴影"区域,利用微 波FMCW原理对各车道车辆进行检测。

该类雷达的主要优点:安装维护方便(不需要中断交通和破坏路面);能同时检测多达10个车 道的车流量信息;由于双波束之间具有关联性,因而道路畅通时准确率较"单波束侧向"高,拥堵时 的检测准确性就要看雷达内部的检测算法的合理性了,不同厂家的产品差别会很大;其他交通信息 参数(如速度、占有率等)也较准确。

缺点:侧向单波束雷达所具有的检测阈值(检测灵敏度)问题依然存在。也就是说车辆进入与 离开雷达"阴影区域"的时刻无法准确探测,因而导致该类型雷达所探测到的所有交通信息参数的准 确度(特别是实时速度)都不如正向安装的雷达类型,并且同时测10车道时,最外侧的2个车道交通 信息检测准确度都会下降。

3、 单波束正向

"单波束正向"是指检测雷达发射出单一微波束,雷达传感装置(T/R组件)安装于道路上方的交 通信息检测雷达。该装置在所检测的单一车道上投下极窄的椭圆形"微波阴影"区域,利用微波FMCW 原理或者Doppler效应对该车道车辆进行检测。

该类雷达的主要优点:交通信息参数检测很准确(不同体制侧重点不同)、同时检测多达12个

车道时准确率也不受影响。

缺点:安装维护困难(需要新装或者利用已有的龙门架,需要中断某一车道交通)。

基于FMCW体制的单波束正向安装雷达。该体制雷达的侧重点是高速、低速以及走走停停等车流 环境下车流量、占有率、车头时距的高准确度检测,速度检测准确度则相对较差,具体情况依据模 型而定。由于只检测单一车道,微波投影区域极窄且边沿锐利,因而相邻车道之间不存在干扰,因 此不存在侧向FMCW体制中的由于检测阈值而导致的车辆进入和离开检测区域时刻不准确的问题,也 正是由于上述原因使得正向FMCW雷达交通信息参数检测准确率远高于侧向FMCW雷达。

基于Doppler体制的单波束正向安装雷达。该体制雷达的侧重点是高速(>10km/h)车流环境下 交通信息的高准确度检测,低速情况下检测准确度则明显下降,特别是走走停停情形,具体情况依 据算法而定,各厂家产品会有很大不同。 基于Doppler体制的雷达还有一个突出特点, 由于其速度检测非常准确, 因而可以用于超速抓拍触发。

4、 双波束双体制正向

从对"单波束正向"的分析可以看出,Doppler体制能极好的解决低速情形下的问题,但是速度测 量不准确,而Doppler体制则可以极高的解决高速时的交通信息检测问题,但是难以处理低速情形, 因此最佳办法是二者的结合,这就是"双波束双体制正向"安装雷达。

该类雷达优点非常明显,能极准确地检测任何情况下的交通信息,并且可以用于超速抓拍触发。

缺点方面,安装维护困难,另外成本相对较高


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