CN101858924A - 一种利用弱磁信号相关分析的汽车测速方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用弱磁信号相关分析的汽车测速方法及装置，属于机械检测技术领域。本发明采用两路高灵敏度磁敏元件作为传感器，采用抗干扰和高共模抑制比的仪用放大电路，将微弱的车体及主要铁磁构件表面磁场强度信号进行高倍数放大，利用两路磁敏传感器接收的弱磁信号的高度相似性，将通过模数转换后的数字信号进行相关性分析，从而确定汽车通过两个传感器的时间差。再利用两个磁敏传感器之间的给定距离，计算出汽车的运动速度。本发明的装置具有耗能低、体积小巧、使用方便等优点，难以被探测仪器发现，具有广阔的应用前景和实用价值。

Description

一种利用弱磁信号相关分析的汽车测速方法及装置

技术领域

本发明涉及一种利用弱磁信号相关分析的汽车测速方法及装置，属于机械检测技术领域。

背景技术

汽车速度检测装置是现代交通监测系统的重要组成部分，目前应用较多的雷达、激光、电磁线圈法测速。雷达测速法是采用多普勒效应：当汽车驶近和离开时，雷达波的频率会产生变化，汽车速度越快，这种频率变化差值越大，通过测出频率变化差值，即可知道汽车行驶速度；该方法造价高、易被反雷达测速装置感知，从而有效规避交通监控，增加司机违法超速行驶的侥幸心理。激光测速法是采用激光测距原理，通过对被测物体发射激光光束，并接收该激光光束的反射波，记录该时间差，来确定被测物体与测试点的距离；该方法造价昂贵，且测量时必须瞄准车辆上激光反射点，难以实现自动检测。线圈法通过电磁感应原理进行测速，一般将线圈埋于交通要道的地下，当汽车通过时，根据线圈电感量的变化，可以测得汽车的位移，再通过信号处理电路，可以转变为速度信号；其主要缺点是应用不灵活，耗电量大。

新型磁敏电阻器件具有体积小巧、价格便宜等优点，可以应用到汽车测速领域，利用其研制成本更低、体积更小、应用更灵活、耗电量低的新型测速装置。

发明内容

本发明的目的在于为解决现有汽车测速方法及装置应用不灵活、易被发现、耗电量大、造价昂贵的缺点，提供一种利用弱磁信号相关分析的汽车测速方法及装置。

本发明所述的利用弱磁信号相关分析的汽车测速方法的设计原理为：采用两路高灵敏度磁敏元件作为传感器，采用抗干扰和高共模抑制比的仪用放大电路，将微弱的车体及主要铁磁构件表面磁场强度信号进行高倍数放大，利用两路磁敏传感器接收的弱磁信号的高度相似性，将通过模数转换后的数字信号进行相关性分析，从而确定汽车通过两个传感器的时间差。再利用两个磁敏传感器之间的给定距离，计算出汽车的运动速度。

本方法的具体实现步骤如下：

步骤1，在汽车行驶方向以一定相隔距离放置两个相同的磁敏元件，用来感受并记录周围的磁场变化。

步骤2，汽车先后经过步骤1所述的两个磁敏元件，得到两路具有相似性及延时性的磁信号。

步骤3，根据步骤2得到的两路磁信号的相似性及延时性，将两路磁信号进行相关性分析。

利用互相关函数

在延时值处取得最大值的特性，由两路磁信号互相关函数的峰值位置测量出该延时值τ的大小：

${\hat{R}}_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}y\left(t\right)x(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

式中x(t)和y(t)为表示两路信号的函数，表示x(t)和y(t)互相关函数的估计值，因为积分时间有限，实际的运算常常是在有限的积分时间T内计算相关函数的估计值的。利用该公式可计算出互相关函数取得最大值的延迟时间τ，即为汽车的渡越时间，从而得到汽车通过两个磁敏元件的时间差τ。

步骤4，根据步骤3得到的汽车通过两个磁敏元件的时间差τ和已知的两个磁敏元件间的距离，计算出汽车的行驶速度V＝x/τ。

本发明所述的一种利用弱磁信号相关分析的汽车测速装置，包括两个高灵敏度磁敏传感器、信号处理电路、电源电路、模数转换卡和上位机。

所述的两个高灵敏度磁敏传感器为两个相同的磁敏元件，以一定距离成直线安装，其作用为将磁场的变化转换为电压的变化，从而检测出磁场值。

所述的信号处理电路由两个相同的电路模块组成，每个电路模块包括前置放大电路、有源低通滤波电路和主放大电路，其作用为对传感器采集的初始信号进行放大及滤波，提高信号质量，便于分析。两个高灵敏度磁敏传感器分别对应一个电路模块。高灵敏度磁敏传感器输出的信号首先经过前置放大电路，进行初步的放大，有利于之后对信号进行进一步的处理；然后信号通过有源低通滤波电路，过滤掉信号中的高频噪声，起到提高信噪比及灵敏度等作用；最后信号进入主放大电路，主放大电路可以根据实际需求调节放大倍数，在放大有用信号的同时可以控制信号的幅值以便于采集和分析。

所述的电源电路为直流电源供电，其方式可采用外接直流电源供电，也可以采用将电池集成在测速装置上的形式供电。

所述的模数转换卡的作用为模数转换，即将经过信号处理电路处理后的信号从模拟信号转换成数字信号，传输到上位机。

所述的上位机的作用为接收模数转换卡输入的数字信号，对两路信号进行相关分析得到汽车通过两个传感器的时间差，从而计算出汽车的行驶速度。

上述各部分的连接关系为：两个高灵敏度磁敏传感器通过导线与信号处理电路连接，信号处理电路通过导线分别与电源模块和模数转换卡连接，模数转换卡通过数据传输线连接至上位机。

本装置的工作流程为：首先，启动电源电路，打开上位机，此时高灵敏度磁敏传感器开始采集数据。在汽车行驶接近测速装置时，通过上位机控制模数转换卡开始将采集到的数据传输至上位机中；在汽车行驶经过测速装置所在位置的过程中，两个高灵敏度磁敏传感器先后采集的弱磁信号经过信号处理电路、模数转换卡传输至上位机；上位机将两路信号进行相关性分析，得到汽车通过两个高灵敏度磁敏传感器的时间差，再根据两个高灵敏度磁敏传感器之间的已知距离，计算出汽车的行驶速度。

有益效果

本发明的测速方法利用高灵敏度磁敏元件，通过接收地磁环境下车体弱磁场信号实现测速，无需人工磁化场；本方法基于被动检测原理，和雷达、激光等主动测速方法不同。以这种原理设计而成的测速装置，难以被探测仪器发现，具有较好的隐蔽性；不仅可以用来检测汽车移动速度，可以根据需要，检测火车等任何铁磁性物体的移动速度，具有广阔的应用前景和实用价值。

按本发明的方法制作的测速装置具有体积小巧、使用方便等优点；不仅可以根据需要，设计成固定形式放置于交通要道、重要路口和车库入口等处，也可以设计成便携移动装置，放置于需要进行测速的地段，用途较为广泛；本测速装置的能耗较低、可以设计成电池供电形式，从而不需要外界供电，大大方便了使用。

附图说明

图1为本发明一种利用弱磁信号相关分析的汽车测速方法的流程图；

图2为本发明一种利用弱磁信号相关分析的汽车测速装置的组成图；

图3为本发明一种利用弱磁信号相关分析的汽车测速装置的信号处理电路的组成图；

图4为本发明的具体实施方式中利用两路高灵敏度磁敏电阻制作的汽车测速装置实物图；

图5为本发明的具体实施方式中汽车通过两路高灵敏度磁敏传感器时的信号波形图；

图6为本发明的具体实施方式中两路传感器信号进行相关分析后的波形图；

图7为本发明的具体实施方式中汽车测速试验图。

图中，1-第一高灵敏度磁敏传感器，2-第二高灵敏度磁敏传感器，3-信号处理电路，4-电源电路，5-模数转换卡，6-上位机。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明所述的利用弱磁信号相关分析的汽车测速方法的设计原理为：采用两路高灵敏度磁敏元件作为传感器，采用抗干扰和高共模抑制比的仪用放大电路，将微弱的车体及主要铁磁构件表面磁场强度信号进行高倍数放大，利用两路磁敏传感器接收的弱磁信号的高度相似性，将通过模数转换后的数字信号进行相关性分析，从而确定汽车通过两个传感器的时间差。利用两个传感器之间的给定距离，计算出汽车的运动速度。

如图1所示，本方法的具体实现步骤如下：

步骤1，在汽车行驶方向以一定相隔距离放置两个相同的磁敏元件，用来感受并记录周围的磁场变化。

步骤2，汽车先后经过步骤1所述的两个磁敏元件，得到两路具有相似性及延时性的磁信号。

步骤3，根据步骤2得到的两路磁信号的相似性及延时性，将两路磁信号进行相关性分析。

利用互相关函数在延时值处取得最大值的特性，由两路磁信号互相关函数的峰值位置测量出该延时值τ的大小：

${\hat{R}}_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}y\left(t\right)x(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

式中x(t)和y(t)为表示两路信号的函数，表示x(t)和y(t)互相关函数的估计值，因为积分时间有限，实际的运算常常是在有限的积分时间T内计算相关函数的估计值的。利用该公式可计算出互相关函数取得最大值的延迟时间τ，即为汽车的渡越时间，从而得到汽车通过两个磁敏元件的时间差τ。

步骤4，根据步骤3得到的汽车通过两个磁敏元件的时间差τ和已知的两个磁敏元件间的距离，计算出汽车的行驶速度V＝x/τ。

如图2所示，本具体实施例中按照本发明所述方法的原理制作的装置由第一高灵敏度磁敏传感器1、第二高灵敏度磁敏传感器2、信号处理电路3、电源电路4、模数转换卡5和上位机6组成。

本实施例的第一高灵敏度磁敏传感器1和第二高灵敏度磁敏传感器2选用霍尼韦尔公司HMC1021s型磁阻传感器，以直线方式排列，相距50cm。

如图3所示，本实施例的信号处理电路3由两个相同的电路模块组成。每个电路模块包括前置放大电路、有源低通滤波电路和主放大电路。两个高灵敏度磁敏传感器分别对应一个电路模块。本实施例中信号处理电路中的前置放大电路及主放大电路使用用仪表放大器模数620实现，低通滤波电路采用UA741搭建的有源二阶低通电路。

本实施例的电源电路4为±12伏直流电源供电，其方式采用外接直流电源供电。

本实施例的模数转换卡5选用优采公司UA302H，其作用为模数转换后，传输到上位机6。

本实施例的上位机采用研华科技610L型工控机，其作用为接收模数转换卡输入的数字信号，对两路信号进行相关分析得到汽车通过两个传感器的时间差，从而计算出汽车的行驶速度。

上述各部分的连接关系为：第一高灵敏度磁敏传感器1和第二高灵敏度磁敏传感器2通过护套线与信号处理电路3连接，信号处理电路3分别通过护套线与电源模块4和模数转换卡5连接，模数转换卡5通过USB传输线连接至上位机6。

本实施例所述装置的实物如图4所示。

以大众速腾汽车的测速为例，说明本发明所述装置的工作过程。

首先将图4所示的汽车测速装置放于汽车行进的路面上，如图7所示。当汽车通过时，高灵敏度磁敏电阻会接收汽车底盘、车身等铁磁构件的磁感应强度信号H_Ly1和H_Ly2，如图5所示，磁场信号的强度约为300A/m。

由于这两路信号波形具有高度相似性，因此进行相关分析后，就可以将汽车通过两路传感器的时间差计算出来。利用相关算法进行计算，读取计算结果图形上的信号峰值，可以得出速腾汽车通过两个传感器的时间差为336ms。

而两个传感器之间的距离是固定的，为50cm，因此可以确定汽车运动的速度为V＝x/τ_m＝50×10^-2m/0.336s＝5.36km/h，如图6所示。在实际应用中，若两传感器间过小则会使误差增大，若距离过大则可能会造成两路信号的相似度降低，对相关性分析不利。经过实验，本测速装置中两个传感器之间的最佳距离为20cm至300cm。

Claims (5)

1.一种利用弱磁信号相关分析的汽车测速方法，其特征在于：采用两路高灵敏度磁敏元件作为传感器，采用抗干扰和高共模抑制比的仪用放大电路，将微弱的车体及主要铁磁构件表面磁场强度信号进行高倍数放大，利用两路磁敏传感器接收的弱磁信号的高度相似性，将通过模数转换后的数字信号进行相关性分析，从而确定汽车通过两个传感器的时间差；再利用两个磁敏传感器之间的给定距离，计算出汽车的运动速度；

具体实现步骤如下：

步骤1，在汽车行驶方向以一定相隔距离放置两个相同的磁敏元件，用来感受并记录周围的磁场变化；

步骤2，汽车先后经过步骤1所述的两个磁敏元件，得到两路具有相似性及延时性的磁信号；

步骤3，根据步骤2得到的两路磁信号的相似性及延时性，将两路磁信号进行相关性分析；利用互相关函数在延时值处取得最大值的特性，求得延迟时间τ，即为汽车通过两个磁敏元件的时间差；

步骤4，根据步骤3得到的汽车通过两个磁敏元件的时间差τ和已知的两个磁敏元件间的距离x，计算出汽车的行驶速度V＝x/τ。

2.一种利用弱磁信号相关分析的汽车测速装置，其特征在于：包括第一和第二高灵敏度磁敏传感器、信号处理电路、电源电路、模数转换卡和上位机；

各部分的连接关系为：第一和第二高灵敏度磁敏传感器分别通过导线与信号处理电路连接，信号处理电路通过导线分别与电源模块和模数转换卡连接，模数转换卡通过数据传输线连接至上位机。

3.根据权利要求2所述的一种利用弱磁信号相关分析的汽车测速装置，其特征在于：所述的第一和第二高灵敏度磁敏传感器为两个相同的磁敏元件，以一定距离成直线安装，其作用为将磁场的变化转换为电压的变化，从而检测出磁场值。

4.根据权利要求2所述的一种利用弱磁信号相关分析的汽车测速装置，其特征在于：所述的信号处理电路由两个相同的电路模块组成，每个电路模块包括前置放大电路、有源低通滤波电路和主放大电路，其作用为对传感器采集的初始信号进行放大及滤波，提高信号质量，便于分析；第一和第二高灵敏度磁敏传感器分别对应一个电路模块；高灵敏度磁敏传感器输出的信号首先经过前置放大电路，进行初步的放大；然后信号通过有源低通滤波电路，过滤掉信号中的高频噪声，起到提高信噪比及灵敏度等作用；最后信号进入主放大电路，主放大电路可以根据实际需求调节放大倍数，在放大有用信号的同时控制信号的幅值以便于采集和分析。

5.根据权利要求2所述的一种利用弱磁信号相关分析的汽车测速装置，其特征在于：所述的电源电路为直流电源供电，其方式可采用外接直流电源供电，也可以采用将电池集成在测速装置上的形式供电。

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