CN101520510A - 一种公路车辆监测用窄波束测速雷达组 - Google Patents

Abstract

一种应用于交通安全管理的测速雷达组，将多个雷达合理地组合在一起，从体系结构、数据处理、信息传输等方面充分发挥成组的优点，达到全功能、高性能、低价格的综合优势。选用更先进的窄波束天线和与之相配合的雷达前端设计，以及更先进的信号处理方法，使得成组测速雷达在性能上优胜于市场上现有的同类产品，能够胜任超速管理、卡口管理、闯红灯管理、交通流量统计等全功能的应用要求，作为现代交通安全管理系统的基础设备。

Description

一种公路车辆监测用窄波束测速雷达组

技术领域

本发明涉及电子信息和交通安全领域，提出一种用于监测公路车辆的窄波束测速雷达组。

技术背景

现代交通安全管理要求限制在道路上行驶车辆的速度；要求对闯红灯车辆实施管理控制；要求为交通信号控制提供道路交通信息。为了满足交通科学管理和严肃执法的全面要求，在道路管理设施中已经出现了多种车辆速度和交通信息传感器，典型地，有地感线圈和基于视频、激光、声学和微波的传感器。在城市道路上破路安装地感线圈会带来一系列不良问题。因此在现代城市中，非植入传感器受到更多的重视。其中微波测速雷达和微波车流量检测器具有测量精度高，非植入，全天候，高可靠等一系列优点，具有最好的竞争力。

虽然市场上出现了多种用于交通管理的雷达传感器，应用中最需要的雷达传感器应该是高性能、多功能和低价格的。超速管理要求准确检测各车道上单个车辆的速度；卡口管理要求雷达对各种车辆提供一致性好的触发位置；闯红灯管理要求将雷达的敏感区域限定在止行线前几个小区域内；车流量检测要求在提供车流量统计数据的同时，还要提供车辆平均速度、车辆类型统计和道路占用率统计等数据。现有的雷达传感器功能比较单一，难以同时完成以上这些功能。而在窄波束测速雷达的基础上发展成组雷达可以实现所有上述功能，并且达到低价格的目标。这正是本发明的内容。

在超速管理和卡口管理中使用测速雷达的实践表明，雷达天线波束在高低向的—3dB宽度需要进一步减小，同时对天线波束的形状有较高的要求。具体地说，要求—10dB波束宽度和—3dB波束宽度的比值应该小于3，以及天线旁瓣的电平应该低于—14dB。只有这些要求得到满足，才能使雷达提供出一致性好的触发位置，保证摄像系统对大车和小车都能产生出足够清晰的车牌照片。闯红灯管理中，雷达照射区域沿车道纵向的尺寸通常限定在4～5米以内。当雷达处于止行线后13米处时，要求雷达天线波束在高低向的—3dB宽度为6.80，同时有良好的波束形状。如果要求雷达的安装位置后移到20米处，雷达天线的波束的—3dB宽度应在4⁰～4.5⁰以内。由此可见，为了满足交通管理的全面要求，在成组雷达中，天线的设计是最重要的关键。

在交通安全管理领域中，市面上几种有代表性的雷达产品如下：俄罗斯Olvia公司的测速雷达，波束宽度5⁰×7⁰。这种雷达接近全功能的要求，但价格偏高，不大适合于成规模应用。此外，该雷达使用Gunn振荡源，发射频率有跳模现象，可能使测量的速度数据受到置疑。德国Robot公司推出的测速雷达，波速宽度5⁰×20⁰。此雷达适合于路旁的超速管理应用，不适合于卡口和其他管理应用。美国Wavetronix公司的车流量检测器，波速宽度7⁰×65⁰。此种检测器不适合于超速管理、卡口管理等应用。本发明提出的雷达具有全功能、高性能的特点，可以取代所有上述产品。同时，低价格是雷达传感器能否在交通管理领域中获得推广应用的最后瓶颈。成组雷达的概念为系统的低价格创造了条件。在本发明中将通过具体的实现技术来体现这些概念。

发明内容

本发明的窄波束测速雷达组的主要技术要求如下：

雷达工作频率：24.15GHz±30MHz；

天线—3dB波束宽度：5.5⁰×6⁰、4⁰×4.5⁰、4⁰×7⁰、4⁰×12.5⁰(可选)

雷达测速距离：≥50米

测速范围：2km/H～245km/H

测速误差：≤1km/H

工作温度范围：—20℃～+70℃

测速方向性：单向

电源：12VDC

每只雷达功耗：～2.5W

成组方式：主从式。一套雷达组包括：

主雷达一只

从雷达1～3只(可选)

本发明充分考虑了降低雷达组制作成本的问题。从雷达中含有天线、微波收发部分和中频通道，不含模数转换器(ADC)和数字信号处理器。主雷达含天线、微波收发部分、中频通道、模数转换器(ADC)和数字信号处理器。各个从雷达的多普勒信号汇集到主雷达的ADC输入端，一起进行模拟信号到数字信号的转换。这样最多有4个雷达的多普勒信号被汇集到一起。使用两个双道串行ADC，每个ADC的输出包含两路独立的多普勒数字化信号，两路多普勒数字信号交替地安排，形成一个数据串进入数字信号处理器。选用的数字信号处理器具有两个通用串行接口。这样，一个数字信号处理器最多能同时接受4路多普勒信号，使得一只主雷达可以同时带动最多达3只从雷达。图1是本发明雷达组的示意图。该图中示出了成组测速雷达系统中含一个主雷达和3个从雷达的情况。图1中标号1表示天线；标号2表示微波收发电路；标号3表示多普勒中频电路；标号4和5表示两个模拟数字变换器；标号6表示高速数字信号处理器；标号7表示串行接口电路。

本发明中的天线是专门设计的微带阵列天线。选择了4种典型的天线特性，可以覆盖大多数的应用需求。用户可以根据实际的应用需求来选用这些天线。这4种天线分别具有以下特性：

(1)—3dB波束宽度约为5.5⁰×6⁰，天线微波介质板的外廓尺寸166mm×148mm，金属图形的H面最大尺寸152±0.5是特征尺寸。辐射单元个数为284个。

(2)—3dB波束宽度约为4⁰×4.5⁰，天线微波介质板的外廓尺寸212mm×196mm，金属图形的H面最大尺寸202.5±0.5是特征尺寸。辐射单元个数为524个。

(3)—3dB波束宽度约为4⁰×7⁰，天线微波介质板的外廓尺寸216mm×132mm，金属图形的H面最大尺寸203±0.5是特征尺寸。辐射单元个数为332个。

(4)—3dB波束宽度约为4⁰×12.5⁰，天线微波介质板的外廓尺寸216mm×151mm，金属图形的H面最大尺寸203±0.5是特征尺寸。辐射单元个数为190×2个。此天线由两个天线构成，两个天线中任何一个可单独使用，也可以合起来用于收发天线需要分离的场合，例如双向测速雷达。

本发明中的数字信号处理器将两路实型多普勒数字信号组合成一路复型信号进行快速傅立叶变换。待变换完成后，可以分拆获得两路各自的傅立叶变换。原理如下。如果用F来记合成复型数据的傅氏变换，两个信道信号分别的傅氏变换可以通过下列的简单计算得到：

$F_1\left(k\right)=\frac{1}{2}(F\left(k\right)+F*(N-K))$

$F_2\left(k\right)=-j\frac{1}{2}(F\left(k\right)-F*(N-k))$

由于两路数据分别是实型的，它们的傅氏变换幅度在0——2π上关于π是对称的。因此，只需要计算幅度谱|F₁|和|F₂|的前面一半，即N/2点数据。由此可见，虽然雷达数量达到最多4套，各雷达彼此独立工作，但一只数字信号处理器需要处理的主要计算即FFT计算只是一套雷达的加倍，而不是4倍。在实际情况下，例如选择32位浮点处理器TMS320C6713B就能够满足实时性的计算要求。当6713B使用200MHz的内部时钟频率，用32位字长计算1024点复型FFT，计算时间在0.1ms量级。24GHz测速雷达的多普勒频率在20kHz以内。使用40kHz的数据采样率可以保证不失真地分析有用的多普勒频率信号。在这些条件下，积累1024点数据的时间是25.6ms。这个时间也是DSP处理器每个处理循环容许使用的时间。与这个时间相比，两次复型1024点FFT需要的时间只占很少的部分。由此可见，最多4只雷达使用一只数字信号处理器完全能够胜任工作，这可以节省系统成本。

本发明所述的每个雷达前端各个功能电路和所述的微带阵列天线在结构和电气上进行一体化设计，雷达前端的输出是模拟形式的多普勒信号。由于模拟形式多普勒信号的频率不高于20kHz，使用低频屏蔽电缆进行从雷达和主雷达之间的信号传递就容易可靠地实现。雷达前端使用厚度为4mm左右的硬质铝合金板，一面承载微带阵列天线，另一面直接贴装微波电路。微波电路的尺寸小，铣制一个小尺寸的硬质铝合金盖扣在微波电路上，保证微波正常传递需要的空间路径，防止微波信号向外辐射，同时防止微波电路受到外界干扰。多普勒中频信号放大滤波电路板底面附加一个隔离薄板，一起贴紧安装在天线板背面。中频电路板可以使用简单的屏蔽盖罩起来。在主雷达中需要增加A/D电路板和DSP电路板。这两个板可以使用支撑架和天线板结合成一个整体。看出，这种结构十分紧凑，有利于提高雷达的整体性能；雷达的厚度很小，容许减小总的外形尺寸；机械加工量很少，能够降低加工成本；主雷达和从雷达的主要部件和结构可以相同，适合于成量生产。

本发明所述成组雷达使用一个232接口信道向下位微机传送独立的4路雷达检测信息是一个优点，省去了在多路雷达信号和微机之间附加合成串口的必要性，给系统集成带来方便。使用简单的通信协议就可以将4路独立的串行信号合成一路。本发明提出的一种通信协议如下。串行数据的帧结构包括帧头和数据段两部分。成组雷达可以只有一只雷达，也可以是2只、3只、4只雷达。数据段的长度可以根据实际应用情况进行调整。图2中示出了系统中只有一只雷达和共有4只雷达的两种情况下成组雷达数据的帧结构。

在最简单的情况下，每路数据采用8位无符号数。当速度数据量化误差限定在1km/H情况下，8位二进制数可表示的最大速度值是255km/H。我们约定速度的上限值为247km/H(F8h)，留下8个数用于帧头。帧头占8位，安排如下：

F9h～FAh保留

FBh——命令帧标识，后接数据段长度为8位，用于安排雷达联机调整的各种命令。

FCh——数据帧标识，表明系统中只有一只雷达，后接数据段长度为8位，记载单路雷达获得的无符号速度数据。

FDh——数据帧标识，表明系统中有2只雷达，后接数据段长度为2个8位，分别记载两路雷达获得的无符号速度数据。

FEh——数据帧标识，表明系统中有3只雷达，后接数据段长度为3个8位，分别记载3路雷达获得的无符号速度数据。

FFh——数据帧标识，表明系统中有4只雷达，后接数据段长度为4个8位，分别记载4路雷达获得的无符号速度数据。

可以看出，基于这种安排，在系统中含4个雷达的情况下，每个信息帧的最大长度为40比特。在更复杂的应用环境中，需要雷达提供量化误差更小的速度数据，同时提供某些附加的信息，如车辆的运动方向信息，信号强度信息等，8位数据段的长度不足，可以将每路雷达的数据段长度增加到16。可以使用例如其中的11位表示精度更高的带符号(方向)的速度值，其余5位可以记载关于车辆目标的其他信息。在这种情况下，每个信息帧的最大长度是72比特。在25.6ms时间段内传送72比特相应的数据率只有2812.5bps。在实际应用中，还必须考虑DSP同时需要作计算和接受数据输入，DSP并行性不一定完善。另外，为了提高数据传送的抗干扰性，可以增加帧尾和检校位。因此，实际使用的数据率比这个数据率要高。但无论如何，使用232接口容许的典型数据率，例如19200bps或38400bps，是完全可以将最多4路雷达信号用一个单路232接口信道进行传送的。这种方法也意味着整个系统硬件成本的节省。

当成组雷达用于卡口管理及超速管理时，同时能够实现交通流量传感器可以实现的全部功能，并且提供的统计数据更准确。首先，成组雷达可以消除交通流量检测雷达可能发生的大车对小车的横向遮挡。其次，成组雷达通过测量车辆的真实速度，利用速度和车辆经过照射区的时间来估计车长和车型。交通流量检测雷达通常利用双波速测量经历时间、估计速度、估计车长和车型。这两种技术对比，成组雷达技术应该更好。第三，成组测速雷达可以测量的速度下限值已能达到1km/H或更低，同时窄波速的使用使雷达能够对沿车道纵向提供更高的分辨率，这使得成组雷达更能适应车辆比较拥堵的市区应用。此外，车流量检测雷达的实现代价较高，一套(多只)成组雷达的价格不比一套车流量检测雷达的价格高。

本发明所述成组雷达将多个雷达合理地组合在一起，从体系结构、数据处理、信息传输等方面充分发挥成组的优点。与多只雷达按常规的组合应用相比，在价格和性能方面的优势是明显的。成组雷达选用更先进的窄波束天线和与之相配合的雷达前端设计，使得成组雷达在性能上可以优胜于市场上现有的同类产品。因此，成组雷达可以作为公路交通管理系统中具有全功能的基础传感器，为公路交通管理和准确执法提供物质手段，其社会经济意义是积极的。

附图说明

图1成组测速雷达结构示意图

图2成组测速雷达数据的帧结构

图3使用带横臂立柱安装成组测速雷达的一种方式

具体实施方式

为了保证雷达的可靠性和环境适应性，成组雷达设计中进一步将机芯设计和壳体设计结合成一个整体。壳体的基体采用2mm厚的钢板，采用密封型结构和焊接方法。成形后，先经镀锌氧化处理，再喷塑。壳体的前面板使用工程塑料注塑成型。前面板的厚度是在测试试验的基础上选择的，保证有足够的机械强度，同时将前面板造成的微波损耗限制在合理范围内。如果前面板造成的微波损耗过大，就需要将面板材料改用聚四氟乙烯板。使用聚四氟板会增加不少材料成本，同时密封设计和加工要复杂一些，这意味着壳体的成本会增高。在满足应用需求的条件下，尽可能采用工程塑料面板能够达到低价格目标。面板和壳体的基体采用不可拆的密封结合，它们之间需要使用橡胶密封条进行填充。壳体与外部的电气连接通过小型密封多芯接头来实现。这些方法和技术的使用，可以保证成组雷达能够满足高等级的环境试验要求，使雷达在恶劣天气环境下能长期保持正常工作。

成组雷达在交通管理系统中使用时，如果能够借用跨路的横架结构自然是最方便的。如果没有跨路横架可用，系统的安装可以采用安装交通信号灯或交通指示牌常用的带横臂立柱。市面上采用的这类立柱，高度通常在6.5米左右，其横臂的长度大致在3米到13.5米范围内。成组雷达中每只雷达的安装位置最好在每个车道中线的正上方，使用长臂立柱有利于这种安装模式的实现。对于路面宽、每方向达到4车道或更多的情况，对于从路旁数起的第4车道，要将雷达安装到中线的正上方不大现实。事实上，雷达不安装在车道中线正上方也能正常工作(避免邻车道车辆干扰，同时雷达对本车道车辆的分辨能力无明显降低)。图3是使用长臂立柱安装成组雷达的示意图，各个雷达不必处于各车道中线的正上方。当使用4⁰×4.5⁰天线的雷达时，简单的几何计算可以确认以下安装容许条件：雷达距地面高度6米或更高，雷达照射区与雷达安装位置的纵向(沿车道方向)距离为20米或更小，在这种条件下，容许雷达安装位置偏离车道中线不大于13米。对典型的每个方向4车道的情况，每个车道的典型宽度为3.5米，第1车道边线到立柱的距离按4米计算，使用7米到11米的横臂都可以适应成组雷达的安装。如果雷达照射区与雷达安装位置的纵向距离减小到12米，容许雷达安装位置偏离车道中线不大于17米。这种情况下，如果使用4⁰×4.5⁰天线的雷达，只需要2米的横臂就可以适应成组雷达的安装。

成组测速雷达中各个天线的波束宽度可以根据实际需要进行选择。例如在闯红灯管理中，如果直行车道不止一道，所有直行车道可以共用一只波速宽度为4⁰×7⁰或4⁰×12.5⁰的雷达。这种情况下，可以将雷达个数减少，或者用多出的雷达实现更多的系统功能。

Claims (4)

1.一种测速雷达组的概念和方案，其特征在于雷达组由一只主雷达和一到多只从雷达构成；各个雷达的测速工作是相互独立的；从雷达不含数字信号处理器，各个雷达的数字信号处理由主雷达中的一只高速数字信号处理器分时地完成。

2.权利要求1所述的测速雷达组的概念和方案，其特征在于采用窄波束天线和与之配合的一体化微波收发电路。天线基板一面粘贴微带阵列天线；另一面承载微波收发电路和其他电路。

3.权利要求1所述的测速雷达组的概念和方案，其特征在于主雷达中使用两个双道串行模拟数字变换器。这两个模拟数字变换器的输出分别连接到数字信号处理器的两个通用串行接口的输入端。

4.权利要求1所述的测速雷达组的概念和方案，其特征在于数字信号处理器将各个雷达的输出速度数据组合成一个单路的串行数据，并由一个串行接口线路输出。

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