CN101915921A - 双波束四天线微波交通信息检测雷达及信息检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双波束四天线微波交通信息检测雷达，该雷达采用两路收、发单元，每路收、发单元分别有收、发天线，并且每路收、发单元采用镜像抑制混频器输出相互正交的两路中频信号，两路中频信号送至数字信号处理单元处理，处理后的雷达信号经软件检测分析出各种交通路况信息。本发明的优点是既保留了侧向安装微波雷达的优点，同时又能准确检测车辆实时速度、行驶方向以及车辆类型，并提高抗相邻车辆干扰能力。

Description

双波束四天线微波交通信息检测雷达及信息检测方法

技术领域

本发明涉及一种智能交通系统中的交通信息采集领域，特别涉及一种双波束四天线微波交通信息检测雷达及信息检测方法。

背景技术

实时交通信息是智能交通系统（ITS）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公众出行服务、交通行车诱导、智能红绿灯控制之类的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。

交通信息采集技术的研究已经开展多年。目前已有多种交通信息采集技术在实际中应用。通过这些技术采集到的交通信息主要包括各车道的车流量、车道占有率，车速、车型、车头时距等。

最先开始发展的是接触式的交通信息采集技术，其主要代表是环行线圈探测。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的缺点。首先是安装维护困难，必须中断交通、破坏路面；其次使用寿命短。另外，对隧道、桥梁等环境，路面破坏性的安装方式存在更多的困难与不便。所有这些都带来了其使用成本的上升。

新近发展起来的路面非接触式交通信息采集装置是在道路边立杆上安装微波雷达，很大程度上解决了这些问题，这类装置有着安装维护方便、使用寿命长、单一雷达能同时覆盖10车道、几乎不受光照度、灰尘以及风、雨、雾、雪等天气气候影响等优点。但是这种侧向安装微波雷达也有其不可克服的缺点，主要体现在：存在车辆之间的遮挡与干扰、无法测量实时车速、无法准确检测车辆长度等。而这些参数对于ITS应用来说，都是很重要的，出现这些问题的根本原因是装在道路边上的雷达只具有单一微波波束，由于这种雷达采用的是调频连续波体制（FMCW），车辆行驶方向与微波波束垂直，因此无法直接测量车辆行驶速度，因而也就无法准确检测车型了。

因此研究一种既具有侧向安装微波雷达的优点，同时又能准确检测车辆速度和车辆类型，并提高抗相邻车辆干扰能力的微波交通信息采集雷达很重要也很必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种准确检测车辆速度和车辆类型，并提高抗相邻车辆干扰能力的双波束四天线微波交通信息检测雷达及信息检测方法。

为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种双波束四天线微波交通信息检测雷达，该雷达采用两路收、发单元，每路收、发单元分别有收、发天线，并且每路收、发单元采用镜像抑制混频器输出相互正交的两路中频信号，两路中频信号送至数字信号处理单元处理，处理后的雷达信号经软件检测分析出各种交通路况信息。

数字信号处理单元还与人机接口单元连接，人机接口单元与计算机通讯，人机接口单元处理雷达参数的设置和调整，以及交通信息发布。

所述两路收、发单元中的发射单元，是射频信号源经射频开关后，用两路功分器分出两路射频信号，再分别经倍频后分别用两副天线发射。

所述两路收、发单元中的接收单元，是用两副接收天线分别接收前述两副发射天线的雷达回波信号，每路接收的雷达回波信号分别用镜像抑制混频器混频输出相互正交的两路中频信号I和Q，则两个镜像抑制混频器共混频输出四路中频信号。

所述数字信号处理单元设有A/D转换芯片、数字信号处理芯片、闪存器，外设以及时钟发生器，数字信号处理芯片进行快速佛里叶变换FFT，测出交通信息。

所述收、发天线是由两副平面阵列微波天线构成的。该天线由一组12个平面天线单元串联后，与另一组串联的12个平面天线单元并联构成，两组串、并联的平面阵列天线采用端馈方式给天线阵列馈电，每个平面天线单元采用切口式馈电。

两组并联的平面阵列天线采用等功率分配；每组串联的天线单元采用不等功率分配。两组串、并联的平面阵列天线，其波束主瓣方向与平面天线的法线方向有一个夹角。

所述的双波束四天线微波交通信息检测雷达软件检测分析交通信息的方法是：

⑴数字信号处理芯片的初始化；

⑵第一组正交的中频信号I1、Q1进行FFT处理；

⑶第二组正交的中频信号I2、Q2进行FFT处理；

⑷判断检测之前区域是否有车，如有，转⑼；如无，转下一步；

⑸判断车辆是否进入检测区域，如无，返回⑵；如有，转下一步；

⑹判断车辆行驶方向；返回⑵；

⑺检测前区域若有车辆，则判断车辆是否离开该区域；

⑻若未离开区域，返回⑵；若离开区域，转下一步；

⑼计算交通信息；

⑽信息交换与处理。

本发明的优越功效在于：

1）既保留了侧向安装微波雷达的优点，同时又能准确检测车辆实时速度、行驶方向以及车辆类型，并提高抗相邻车辆干扰能力；

2）本发明平面阵列微波天线产生的波束主瓣指向与平面天线法线方向成一小夹角，此时一个波束偏向左边，另一个波束偏向右边，两者互不相干，2 个同样的天线按相反方向摆放就形成了具有一定夹角的双波束，完全符合双波束微波交通信息采集雷达需求；

3）与中心馈电方式相比，本发明平面阵列微波天线的端馈方式更有利于雷达整体结构的布局，主要体现在两方面，一是雷达收发组件布线长度可以减短有利于减少微波辐射损耗，另一方面也有利于减小雷达横截面积。

附图说明

图1为本发明的原理方框图；

图2为本发明收、发信号处理原理方框图；

图3为本发明中频信号处理原理方框图；

图4为本发明数字信号处理原理方框图；

图5为本发明人机接口单元原理方框图；

图6为本发明交通信息检测方法流程图；

图7为本发明调频信号示意图；

图8本发明的平面阵列天线平面图；

图中标号说明

1—调制/开关信号；                  2—收、发单元；

3—收、发天线；

33—天线单元；                        34—端馈电；

4—中频信号处理单元；               5—数字信号处理单元；

6—人机接口单元。

具体实施方式

请参阅附图所示，对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提供了一种双波束四天线微波交通信息检测雷达，该雷达采用两路收、发单元，每路收、发单元分别有收、发天线，并且每路收、发单元采用镜像抑制混频器输出相互正交的两路中频信号，两路中频信号送至数字信号处理单元处理，处理后的雷达信号经软件检测分析出各种交通路况信息。

如图5所示，数字信号处理单元还与人机接口单元连接，人机接口单元与计算机通讯，人机接口单元处理雷达参数的设置和调整，以及交通信息发布。

如图2所示，所述两路收、发单元中的发射单元，是射频信号源经射频开关后，用两路功分器分出两路射频信号，再分别经倍频后分别用两副天线发射。

如图2所示，所述两路收、发单元中的接收单元，是用两副接收天线分别接收前述两副发射天线的雷达回波信号，每路接收的雷达回波信号分别用镜像抑制混频器混频输出相互正交的两路中频信号I和Q，则两个镜像抑制混频器共混频输出四路中频信号。

如图4所示，所述数字信号处理单元设有A/D转换芯片、数字信号处理芯片、闪存器，外设以及时钟发生器，数字信号处理芯片进行快速佛里叶变换FFT，测出交通信息。

所述收、发天线是由两副平面阵列微波天线构成的。如图8所示，该天线由一组12个平面天线单元串联后，与另一组串联的12个平面天线单元33并联构成，两组串、并联的平面阵列天线采用端馈34方式给天线阵列馈电，每个平面天线单元33采用切口式馈电。

两组并联的平面阵列天线采用等功率分配；每组串联的天线单元采用不等功率分配。两组串、并联的平面阵列天线，其波束主瓣方向与平面天线的法线方向有一个夹角。

如图6所示，所述的双波束四天线微波交通信息检测雷达软件检测分析交通信息的方法是：

⑴数字信号处理芯片的初始化；

⑵第一组正交的中频信号I1、Q1进行FFT处理；

⑶第二组正交的中频信号I2、Q2进行FFT处理；

⑷判断检测之前区域是否有车，如有，转⑼；如无，转下一步；

⑸判断车辆是否进入检测区域，如无，返回⑵；如有，转下一步；

⑹判断车辆行驶方向；返回⑵；

⑺检测前区域若有车辆，则判断车辆是否离开该区域；

⑻若未离开区域，返回⑵；若离开区域，转下一步；

⑼计算交通信息；

⑽信息交换与处理。

以下根据实施例，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明是由收、发单元2，收、发天线3，中频信号处理单元4，数字信号处理单元5以及人机接口单元6组成。

如图2所示，收、发单元2中的VCO21发射中心频率在12.15GHz、调谐带宽为100～300MHz的微波，经过射频开关22后变成2路独立的微波信号源，由于对2路微波信号处理方式一样，这里只阐述其中一路。从射频开关22出来的微波信号经过功分器23耦合或者功分后变成二路，其中一路微波信号经过倍频器24后变成中心频率在24.3GHz的微波，直接通过发射天线31向外发射；另一路信号用作驱动镜像抑制混频器25的本振LO信号；通过发射天线31发射的微波遇到障碍物后反射，反射微波通过接收天线32接收，作为射频RF输入信号进入混频器25，在混频器25中，回波信号与发射信号混频以获得携带有道路实时交通信息的2路相互正交中频IF信号，即I1、Q1；另一路微波信号也同样工作，雷达收、发单元2产生4路IF信号输出，即I1、Q1、I2、Q2。为提高信噪比，4路IF信号从收、发单元2输出前先经过低噪声放大单元26进行放大。

如图3所示，由收、发单元2产生的4路IF信号通过探针馈入中频信号处理单元4后，首先进行低噪声放大器41处理，然后进入带通滤波器42以产生处理后的4路IF信号。

如图5所示，经中频信号处理单元4处理后的4路IF信号进入数字信号处理单元5，数字信号处理单元包括A/D转换ADC51、数字信号处理DSP芯片52、时钟RTC56、闪储器Flash55、DSP其他外设，如Uart等53以及电源54。

如图5所示，数字信号处理单元5与外界计算机之间通过人机接口单元6相连接，人机接口单元主要处理雷达参数设置与调整621和交通信息发布622。人机接口单元6实际上就是一个接口程序，采用计算机语言C＋＋和VB混合编程而成，在Windows 环境下运行，其中最关键的部分是输出传输协议，雷达参数以及交通信息均是通过采用一定的接口协议进行交换的。参数设置主要包括与现场安装环境相关的参数，如雷达安装高度、车道宽度、车道数、雷达安装立杆离第一车道外沿的距离等，以及与通信有关的参数，如传输波特率等；交通信息主要包括个车道车流量、车速、占有率以及车型等，具体需求将根据用户要求而定。

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，雷达具有测距功能，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；综合起来再加上其他算法就获得了所需要的交通信息。

采用调频连续波(FMCW)体制的雷达可以很好地实现这一功能。

FMCW是周期性的线性调频脉冲波，脉冲占空比是100%。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，发射信号与接收信号的频率变化如图7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

                                          ⑴

式中c为光速。发射信号与反射信号的频率差即为混频输出的中频信号频率IF，如图7。根据三角关系，由图7可以得出

                                   ⑵

其中T为调制三角波周期，△F为调频带宽。由⑴、⑵式可得目标距离R为

                                                              ⑶

如上所述，目标距离与雷达前端输出的中频频率成正比。

本发明一副平面阵列天线发射单一微波波束具有一定的发射角和方位角，采用二副平面阵列天线发射的2束微波波束主瓣方向上有一定夹角，在扇形区域内发射连续的低功率调制微波，并在路面上留下一条长长的投影，从而使微波束能同时照射到路面上8个车道，根据被检测目标返回的回波所产生的中频信号，利用上述FMCW原理就可以得出道路车流量信息了；在检测车辆存在信息的同时，能获得车辆进入和离开微波波束覆盖区域的时刻，因而就能测量出车辆的速度，而占有率是时间占有率，也就是说车辆通过微波波束覆盖区域的时间与单位时间的比例。

Claims (7)

1.一种双波束四天线微波交通信息检测雷达，其特征在于：该雷达采用两路收、发单元，每路收、发单元分别有收、发天线，并且每路收、发单元采用镜像抑制混频器输出相互正交的两路中频信号，两路中频信号送至数字信号处理单元处理，处理后的雷达信号经软件检测分析出各种交通路况信息。

2.按权利要求1所述的双波束四天线微波交通信息检测雷达，其特征在于：数字信号处理单元还与人机接口单元连接，人机接口单元与计算机通讯，人机接口单元处理雷达参数的设置和调整，以及交通信息发布。

3.按权利要求1所述的双波束四天线微波交通信息检测雷达，其特征在于：所述两路收、发单元中的发射单元，是射频信号源经射频开关后，用两路功分器分出两路射频信号，再分别经倍频后分别用两副天线发射。

4.按权利要求1所述的双波束四天线微波交通信息检测雷达，其特征在于：所述两路收、发单元中的接收单元，是用两副接收天线分别接收前述两副发射天线的雷达回波信号，每路接收的雷达回波信号分别用镜像抑制混频器混频输出相互正交的两路中频信号I和Q，则两个镜像抑制混频器共混频输出四路中频信号。

5.按权利要求1或2所述的双波束四天线微波交通信息检测雷达，其特征在于：所述数字信号处理单元设有A/D转换芯片、数字信号处理芯片、闪存器，外设以及时钟发生器，数字信号处理芯片进行快速佛里叶变换FFT，测出交通信息。

6.按权利要求1所述的双波束四天线微波交通信息检测雷达，其特征在于：所述收、发天线是由两副平面阵列微波天线构成的。

7.按权利要求1所述的双波束四天线微波交通信息检测雷达软件检测分析交通信息的方法是：

⑴数字信号处理芯片的初始化；

⑵第一组正交的中频信号I1、Q1进行FFT处理；

⑶第二组正交的中频信号I2、Q2进行FFT处理；

⑷判断检测之前区域是否有车，如有，转⑼；如无，转下一步；

⑸判断车辆是否进入检测区域，如无，返回⑵；如有，转下一步；

⑹判断车辆行驶方向；返回⑵；

⑺检测前区域若有车辆，则判断车辆是否离开该区域；

⑻若未离开区域，返回⑵；若离开区域，转下一步；

⑼计算交通信息；

⑽信息交换与处理。

Images