CN101806891A - 雷达车辆侦测器判断车种、车速及侦测区域宽度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种雷达车辆侦测器判断车种、车速及雷达侦测区域宽度的方法，其是向追踪的车辆发射无线电波，并接收车子所反射的无线电波讯号，对同一车辆的雷达波讯号作多普勒频率对时间变化分布作图。由于反射无线电波受到多普勒效应影响，在同一车辆的多普勒频率对时间分布图中，反射波讯号呈现平行四边形或近于平行四边形的连续轮廓图形。通过此连续轮廓图形，可获得追踪车辆的车长、车速及雷达侦测区宽度等资讯。

Description

雷达车辆侦测器判断车种、车速及侦测区域宽度的方法

技术领域

本发明是有关取得行驶于道路上车辆的物理资讯的方法，尤其是一种以雷达技术判断车种、车速及侦测区域宽度的方法。

背景技术

在习知技术中，雷达技术常应用于侦测车速、气象变化或航空追踪等方面专业领域，而雷达技术是利用无线雷达是结合无线电波发送器与无线电波接收器，无线雷达向追踪物发送一无线电波，并撷取此追踪物的反射无线电波，根据多普勒效应(Doppler Effect)原理，当追踪物向雷达靠近时，反射无线电波频率会高于原无线电波频率，当追踪物向雷达离去时，反射无线电波频率则低于原无线电波频率，如此，可通过分析反射讯号其频率的改变量，得知追踪物速度，换言之，当具有足够相对速度的车子发生多普勒效应的情况下，其反射无线电波的频率会发生多普勒频移(Doppler Shift)，而记录此反射无线电波的多普勒频率对时间的变化，经由计算可求得追踪物与雷达的相对速度。

请参考图10所示，是为雷达监测车辆速度的简易系统，无线雷达34发送无线电波分布于某特定范围，而将车辆的反射视为一单纯点目标38具有固定速度进入该范围内而产生反射讯号，雷达装置是撷取该点反射的无线电波，并采用撷取雷达产生的多普勒效应的影响，可用来推算该点38速度。由于已知该点38速度与多普勒频移关系式是为

为图10中所示的角度40，其随该点38移动而改变，若很小，则

可视为

其中，t为该点38至与无线雷达垂直位置的时间，R为该点38行进至与无线雷达垂直位置的距离。

因此

$\mathrm{DopShift}\≈\frac{{2v}^{2}t}{\mathrm{\λR}}---\left(a\right)$

亦即

$\frac{\mathrm{DopShift}}{t}\≈\frac{{2v}^2}{\mathrm{\λR}}$

从上述公式可知，若该点38速度固定，则其多普勒频移与时间是呈现线性相关，如图11所示。根据上述方法，先前技术利用撷取与分析追踪物的反射雷达频率，取得追踪物的多普勒频移对时间分布图形，可获得该单点目标物的行进速度，即车速，但无法据以进一步获知车长及侦测区域宽度等资讯。

然而，上述观点在目标物距离雷达很远反射讯号可视为单点或目标物距离很近且为单一理想(isotropic)反射物时才能适用。若以雷达侦测器侦测车辆，目标车辆距离雷达约在数十公尺的短距离内。车辆目标物已不是单纯的理想点目标，因而实际上雷达撷取车辆造成的反射无线电波讯号，其多普勒频移对时间分布谱图并不会呈现单一直线44，而为一连续几何图形：平行四边形42(请参见图12)。而会有此平行四边形图形，乃因追踪物通常为在三维空间中占有体积的物体，而频谱图所得讯号是整个体积所反射的无线电波，因而造成取得讯号是为平行四边形。而习知技术目前却未对此图形进一步了解，且未认知此连续图形隐含了测量系统的空间物理意义，视车子为一单一理想反射物，因而在习知技术中时常在所测得的平行四边形上强寻一直线44，而该寻获的直线44也不一定是正确的平行四边形斜边46，如图12所示，若再据而求得车速，常造成所求车速，时而误差小，时而误差很大，极不稳定。有鉴于此，本发明提出一种方法，是通过分析上述的连续图形：平行四边形，来求得更精确稳定的车速、进而求得精确的车长及侦测区域宽度，以提供相关技术领域的人士应用的。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种雷达车辆侦测器判断车种、车速及雷达侦测区域宽度的方法，运用雷达技术而取得车子的反射无线电波，从反射无线电波的多普勒频率与时间图上的连续轮廓图形意义，而可获得车种、车速及侦测区域宽度等资讯。

为达到上述的目的本发明揭示一种雷达车辆侦测器判断车种、车速及雷达侦测区域宽度的方法，其步骤顺序是为先将雷达车辆侦测器架设于路侧，由路侧向车道上发射无线电波，在车子行驶过车道时产生反射电波，并接收反射电波讯号。其中，此车辆讯号在多普勒频率对时间变化分布呈现一平行四边形或近近于平行四边形的连续轮廓图形，透过多普勒速度与频率的公式，计算出车长、车速及侦测区域宽度，进而再判断其车种。

其中，更包括一步骤是为根据该车长判断该车种。

其中，连续轮廓图形是为平行四边形或近于平行四边形。

其中，从平行四边形或近于平行四边形的连续轮廓图形的四顶点得知车头进入侦测区域、车头离开侦测区域、车尾进入侦测区域或车尾离开侦测区域的复数个时间值以及四顶点间的多普勒频率变化量。

其中，根据连续轮廓图形计算得车速、车长及侦测区域宽度的步骤，是利用多普勒效应速度对时间的关系式

求得车速，Δt是为车尾进、出侦测区域的时间差值，Δf是为车尾进、出侦测区域的频率差值，λ是为发射电波波长，R是为无线雷达与车道的垂直距离。

其中，根据连续轮廓图形计算得车速、车长及侦测区域宽度的步骤，是利用车速与该车尾进、出侦测区域的时间差值，以计算推得侦测区域长。

其中，根据连续轮廓图形计算得车速、车长及侦测区域宽度的步骤，更包括利用多普勒效应速度对时间的关系式

求得车速，Δt是为车头进、出侦测区域的时间差值，Δf是为车头进、出侦测区域的频率差值，λ是为发射电波波长，R是为无线雷达与车道的垂直距离。

其中，根据连续轮廓图形计算得车速、车长及侦测区域宽度的步骤，是利用求得的车速与车头进、出侦测区域的时间差值，以计算推得侦测区域长。

其中，利用车速与车头及车尾进入侦测区的时间差值，或车速与车头及车尾离开侦测区的时间差值，计算求得车长。

其中从平行四边形或近于平行四边形的连续轮廓图形与一多普勒频率0轴两交点得知该车头离雷达最近点、该车尾离雷达最近点的两个时间值以及该两点间的多普勒频率变化量。

其中，利用车速与车头离雷达最近点及车尾离雷达最近点的时间差值，计算求得车长。

底下通过具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1是为本发明的方法较佳实施例的步骤流程示意图；

图2是为本发明较佳实施例中无线电波分布于车道的示意图；

图3是为本发明较佳实施例中车头进入无线电波分布区域的示意图；

图4是为本发明较佳实施例中车尾进入无线电波分布区域的示意图；

图5是为本发明较佳实施例中车头与雷达最接近的示意图；

图6是为本发明较佳实施例中车尾与雷达最接近的示意图；

图7是为本发明较佳实施例中车头离开无线电波分布区域的示意图；

图8是为本发明较佳实施例中车尾离开无线电波分布区域的示意图；

图9是为本发明的反射无线电波其多普勒频率对时间分布图；

第10图是为习知监测速度系统示意图；

第11图是为单点的多普勒频移与时间关系分布图；

第12图是为无线雷达撷取车辆造成的反射无线电波讯号的多普勒频移对时间分布谱图。

附图标记说明：

10-无线雷达；12-车道；14-车子；16-反射无线电波；18-无线电波分布区域；20-无线电波讯号多普勒频率对时间分布图；22-连续轮廓图形；34-无线雷达；36-道路；38-目标物；40-

角角度；42-平行四边形；44-直线；46-平行四边形斜边。

具体实施方式

一般雷达测速原理是根据多普勒的理论，在无线电波行进中碰到追踪物体时，无线电波会被反弹，而且反弹回来的波，其频率及振幅都会受到追踪物体的移动状态影响。所以，若追踪物体固定不动，则反弹的无线电波频率是不改变，无多普勒频移现象产生。然而，若追踪物体是朝着无线电线发射的方向前进时，此时反弹的无线电波的频率会增加；反之，若物体是朝着远离无线电波方向行进时，则反弹回来的无线电波，其频率则会减小；此时就产生了多普勒频移现象。

而，本发明是揭示一种雷达车辆侦测器判断车种、车速及雷达侦测区域宽度的方法，亦是利用上述多普勒原理来推断出追踪车子的车长、车速以及雷达侦测区域宽度。请参见图1所示，本发明的第一步骤S10是为路边侧向位置的无线雷达10发送无线电波于至少一车道12上，在实施例是以一车道为例，此车道上形成无线电波分布区域18，为一侦测区域18，如图2所示。第二步骤S12是为一车子14以固定速度行驶经过车道12的无线电波分布区域18，亦即雷达侦测区域，立即产生反射讯号，其为反射无线电波16，第二步骤的过程包含车头进入无线电波分布区域18(图3)、车尾进入无线电波分布区域18(图4)、车头与雷达最接近的垂直距离时(图5)、车尾与雷达最接近的垂直距离时(图6)、车头离开无线电波分布区域18(图7)以及车尾离开无线电波分布区域18(图8)六种状况，其中，由于车子14在相对无线雷达10的垂直方向高速行驶下可导致反射无线电波16频率发生多普勒频移。

接续，第三步骤S14是为由无线雷达10撷取反射无线电波16，并且利用计算处理器将此反射无线电波16讯号作适当窗型滤波及快速傅利叶转换，再取其讯号多普勒频率对时间分布图20，再经适当讯号处理，可得如图9所示的平行四边形。之所以成为平行四边形，是由于在讯号理想状况下，车子14上其中一小点所产生的反射讯号在频率对时间分布图20上是呈现一条斜线段，而若将雷达距离解析度(Range Resolution)调整至与车宽相当且天线水平(Azimuth)视角很小时，车子14可视为无限个小点所组成的一个线段，车子经过侦测区域的过程，可视为线段上的连续小点进出同一侦测区域的过程。线段上每个小点从进、出侦侧区域，皆会造成一条斜线段，且每一小点进入位置、出去位置、速度v、距离d皆相同，所花时间t也相当，由公式(a)得知，每条斜线段有相同的斜率及都普勒位移频率值。亦即，每个点目标造成的各条斜线段有相同的斜率、多普勒位移频率的最大值及最小值也相同。若将这些连续点目标造成的相同的斜率、相同都普勒位移频率最大值及最小值的斜线段，组合在一起，即成为一平行四边形或近于平行四边形，即在一定容差范围内，可以近似看作是平行四边形。因此，在固定距离的频率对时间的分布图20上，车子14所产生的所有反射讯号是呈现平行四边形或近似平行四边形的连续轮廓22，如图9所示。

请参见图1与图9所示，第四步骤S16是为根据上述的平行四边形22所提供的物理资讯，计算可得车速或车长。该步骤中，首先须了解平行四边形各顶点及交点的物理意义。请一同参阅第3-9图，其中，图9的平行四边形22的a顶点的坐标值分别代表图3中车头进入车道上无线电波所分布区域18时，车头开始反射的无线电波16时间与多普勒频率值；而图9的b顶点的坐标值分别为图4中车头离开无线电波分布区域18时，车头所反射的无线电波16时间与多普勒频率值；图9的c顶点的坐标值分别是为图4中车尾进入无线电波分布区域18时，车尾所反射的无线电波16时间与多普勒频率值；图9的d顶点的坐标值分别则为图8中车尾离开无线电波分布区域18时，车尾所反射的无线电波16时间与多普勒频率值；图9的e交点的坐标值分别是车头与雷达最接近的垂直距离时的时间与多普勒频率值，该点多普勒频率值为0，如图5所示，因此，可知从图9中该平行四边形22与一多普勒频率0轴两交点得知该车头离雷达最近点、该车尾离雷达最近点的两个时间值以及该车经过该两点的多普勒频率变化量；图9的f交点的坐标值分别是车尾与雷达最接近的垂直距离时的时间与多普勒频率值，该点多普勒频率值为0，如图6所示。

在了解平行四边形各顶点及交点的物理意义后，藉平行四边形的斜边，即可计算出正确的车速。由上述物理意义可知平行四边形22的a、b点的时间差值Δt₁代表车头进入、车头离开车道上的无线电波分布区域(即雷达侦测区域)18的时间差值，另外，并取得利用的a、b两点多普勒频率差值Δf，及多普勒效应速度对频率的关系式

$\mathrm{\Δf}=\frac{{2v}^2\mathrm{\Δt}}{\mathrm{R\λ}}---\left(1\right)$

其中λ为发射电波波长，且R为无线雷达10与车道12的垂直距离。可知车速v：

$v=\sqrt{\frac{\mathrm{\ΔfR\λ}}{2{\mathrm{\Δt}}_1}}---\left(2\right)$

又假设车速v在此时为固定，则车头进入至车头离开所行驶的路径长，亦即为无线电波在车道上分布的区域长L_D，因此

L_D＝Δt₁×v                  (3)

再将(2)式代入(3)式，可计算出侦测区域长L_D

$L_D={\mathrm{\Δt}}_1\×\sqrt{\frac{\mathrm{\ΔfR\λ}}{{2\mathrm{\Δt}}_1}}=\sqrt{\frac{1}{2}\mathrm{\Δf\Δ}{t}_1\×\mathrm{R\λ}}---\left(4\right)$

而上述计算过程中Δt₁、Δf亦可分别从图9中的c、d两点时间差取得，以相同计算方法最后亦可求得L_D，其细节在此不赘述。

接续，利用平行四边形22的a、d点的时间差值Δt₂代表车头进入、车尾离开车道上的无线电波分布区域(即雷达侦测区域)18的时间差值。再利用下列公式，计算得到车长L_v

L_v＝(Δt₂-Δt₁)v                       (5)

并且，若从图9中得知e、f两点的时间差、a、c两点的时间差或b、d两点的时间差，上述三者其中的一时间差与求得的车速相乘，皆亦可计算出车长L_v。

并且，本发明提出另一实施例，其是利用例外一种计算方法取得车长或车速。首先，同样通过多普勒效应速度对频率的关系式

$\mathrm{\Δf}=\frac{{2v}^2\mathrm{\Δt}}{\mathrm{R\λ}}---\left(5\right)$

可知下式

$v=\sqrt{\frac{\mathrm{mR\λ}}{2}}---\left(6\right)$

其中

其是为平行四边形22的斜边斜率，以及λ为发射电波波长，且R为无线雷达10与车道12的垂直距离。而从取得车子所反射的电波讯号于频率对时间分布图20，如图9所示，求得平行四边形22的斜边斜率m，代入(6)式，即可得知车速v。得知车速v后，再利用L_v＝(Δt₂-Δt₁)v，求得车长L_v，而利用L_D＝Δt₁v，亦可求得侦测区域宽。

最后，在推测出车子12长度值后，即可判断经过无线电波分布区域18的车子其车种，如图1的第五步骤S18所示。

通过上述本发明的判断车种、车速及侦测区域宽度的方法，可对于被撷取的反射无线电波进行分析，利用车辆所反射无线电波其多普勒频率与时间分布图20上，所呈现的平行四边形22，计算取得平行四边形22的特征点，则可获得车长值与车速值及侦测区域宽度。相对于习知技术的雷达测速技术仅能得知不精确的车速资讯，而本发明的方法可获得更精确稳定的车速资讯及多一项的追踪物长度资讯及侦测区域宽度，并且此技术可应用在交通工程领域，以便警方或研究人员对某车道或某路段上统计的车种数量。

以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以的限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (11)

1.一种雷达车辆侦测器判断车种、车速及雷达侦测区域宽度的方法，其特征在于，步骤包含：

发送无线电波于至少一车道的一侦测区域上；

一车行经该车道，且产生反射讯号；

撷取该反射讯号的多普勒频率对时间的图形，其为一连续轮廓图形；以及

根据该连续轮廓图形计算得该车的车速、该车的车长及该侦测区域宽度。

2.根据权利要求1所述的雷达车辆侦测器判断车种、车速及雷达侦测区域宽度的方法，其特征在于，更包括一步骤是为根据该车长判断该车种。

3.根据权利要求1所述的雷达车辆侦测器判断车种、车速及雷达侦测区域宽度的方法，其特征在于，该连续轮廓图形为平行四边形或近于平行四边形。

4.根据权利要求3所述的雷达车辆侦测器判断车种、车速及雷达侦测区域宽度的方法，其特征在于，从该平行四边形或近于平行四边形的连续轮廓图形的四顶点得知该车头进入该侦测区域、该车头离开该侦测区域、该车尾进入该侦测区域或该车尾离开该侦测区域的复数个时间值以及该四顶点间的多普勒频率变化量。

5.根据权利要求4所述的雷达车辆侦测器判断车种、车速及雷达侦测区域宽度的方法，其特征在于，根据该连续轮廓图形计算得该车的车速、该车的车长及该侦测区域宽度的步骤，是利用多普勒效应速度对时间的关系式

求得该车速v，Δt是为车尾进、出该侦测区域的时间差值，Δf是为车尾进、出该侦测区域的频率差值，λ是为发射电波波长，R是为无线雷达与该车道的垂直距离。

6.根据权利要求4所述的雷达车辆侦测器判断车种、车速及雷达侦测区域宽度的方法，其特征在于，根据该连续轮廓图形计算得该车的车速、该车的车长及该侦测区域宽度的步骤，是利用该车速与该车尾进、出该侦测区域的时间差值，以计算推得该侦测区域长。

7.根据权利要求4所述的雷达车辆侦测器判断车种、车速及雷达侦测区域宽度的方法，其特征在于，根据该连续轮廓图形计算得该车的车速、该车的车长及该侦测区域宽度的步骤，更包括利用多普勒效应速度对时间的关系式

求得该车速v，Δt是为车头进、出该侦测区域的时间差值，Δf是为车头进、出该侦测区域的频率差值，λ是为发射电波波长，R是为无线雷达与车道的垂直距离。

8.根据权利要求4所述的雷达车辆侦测器判断车种、车速及雷达侦测区域宽度的方法，其特征在于，根据该连续轮廓图形计算得该车的车速、该车的车长及该侦测区域宽度的步骤，是利用求得的该车速与该车头进、出该侦测区域的时间差值，以计算推得该侦测区域长。

9.根据权利要求4所述的雷达车辆侦测器判断车种、车速及雷达侦测区域宽度的方法，其特征在于，利用该车速与该车头及该车尾进入该侦测区的时间差值，或该车速与该车头及该车尾离开该侦测区的时间差值，计算求得该车长。

10.根据权利要求3所述的雷达车辆侦测器判断车种、车速及雷达侦测区域宽度的方法，其特征在于，从该平行四边形或该近于平行四边形的连续轮廓图形与一多普勒频率0轴两交点得知该车头离雷达最近点、该车尾离雷达最近点的两个时间值以及该两点间的多普勒频率变化量。

11.根据权利要求10所述的雷达车辆侦测器判断车种、车速及雷达侦测区域宽度的方法，其特征在于，利用该车速与该车头离雷达最近点及该车尾离雷达最近点的时间差值，计算求得该车长。

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