CN103901431A - 一种三维交通信息采集雷达及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维交通信息采集雷达及实现方法，该雷达装置包括DDS、调制器、功率放大器、发射天线、混频器、接收天线、低频放大器、信号处理器和通讯接口。本发明将线性调频连续波技术和相参技术结合起来实现多车道目标的同时检测，通过LFMCW技术获取目标的距离信息,多接收机相位区分目标所在的车道；采用MTD算法计算目标的速度，可进行超速检测；为获取目标的方位信息，则需要用相距一定距离的两个接收天线来同时收取目标的回波信号，并进行信号的相位分析，即可得到目标的方位角。本发明能同时检测目标的速度、距离和方位信息，能实现10个车道，多达100个目标的同时跟踪与定位。
Description
技术领域
本发明属于智能交通技术领域，尤其涉及一种能同时检测目标距离、方位和速度的三维交通信息采集雷达及实现方法。
背景技术
近年来，随着经济的高速发展和城市化进程的加快，我国交通基础设施承受着巨大的压力。通过以信息技术为主导的智能交通系统(ITS)的有效管理和调配，可以提高现有路网的通行能力和效率、减少交通拥堵以及降低环境碳排放影响等。实时交通信息获取是实现ITS的前提和关键。实时交通信息包括车速监测、车流量统计、车辆探测、车辆高度和大小测量、车辆分类以及车辆行驶中的重量等。实时交通信息采集是交通系统关键组成部分，常用技术手段有地感线圈、视频和雷达三种。
公开号为201974942U的实用新型专利公开了一种地感线圈车辆检测器，地感线圈能可靠检测路面通行车辆存在以及运动速度，但在实际使用中需要切开路面埋设线圈，影响交通通行，并且在桥梁、隧道等特殊路段时不允许切开路面的；另外在车辆碾压下埋于地下的线圈很容易出现故障，而一旦出现故障则需另找地方重新开挖路面埋设新线圈，给后续维护带来很大人力及物质成本。
公开号为101959061B的发明专利公开了一种交通路况视频监控系统及方法，视频检测技术也在交通卡口管理中取得了一定的应用，能可靠检测路面通行车辆存在但不能获取运动速度，并且视频技术受使用环境影响较大，雨雾天气对成像的影响以及黑夜灯光的影响对使用效果较大。
公开号为201845436U的实用新型专利公开了一种平板窄波雷达触发卡口系统，可知微波雷达测速法能可靠检测路面通行车辆存在以及运动速度。目前大量安装使用的微波测速雷达通过发射单频连续波信号照射目标，接收其反射的回波信号，用多普勒测速原理来检测目标是否存在以及测量目标速度。其基本工作方式是利用微波信号在天线作用下形成一个窄波束在路面投下一个电波照区，一旦有汽车进入该区域雷达可探测到；但而电波照区在实际工程中受天线副瓣影响并不好精确控制，并且该方法无法获得车辆的距离信息，因而导致给照相机的触发信号不准，导致一些数据无效；该类型雷达还有一个缺点是一般只能测量时速20公里以上的目标。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维交通信息采集雷达, 该雷达是一种宽波束雷达, 该雷达输出的目标数据不仅包括车辆的速度，而且还包括车辆的位置坐标，能同时检测目标的速度、距离和方位信息，能实现10个车道，多达100个目标的同时跟踪与定位，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案来实现：
一种三维交通信息采集雷达，包括DDS(直接数字式频率合成器)、调制器、功率放大器、发射天线、混频器、接收天线、低频放大器、信号处理器和通讯接口；所述DDS与调制器的输入端相连，调制器的输出端分别与功率放大器的输入端和混频器相连；所述功率放大器的输出端与发射天线相连；所述混频器的输入端与接收天线相连，输出端与低频放大器的输入端相连；所述接收天线至少两条；所述低频放大器和混频器的数量与接收天线的数量相同；所述低频放大器的输出端与信号处理器的输入端相连；所述信号处理器的输出端与通讯接口相连；所述DDS在低频产生LFMCW信号，经过调制器产生射频信号，一路送给功率放大器后送发射天线，另一路与来自接收天线1和接收天线2接收的信号通过混频器，再经过低频放大器直接送给信号处理器进行回波处理分析，信号处理器计算好车辆的位置及速度信息,把结果通过通讯接口电路送出给照相机或其它设备。
作为本发明的进一步方案，所述接收天线每两条之间相距一定距离。
作为本发明的进一步方案，所述信号处理器包括AD转换器、FPGA芯片、DSP芯片及相关外围电路。
一种三维交通信息采集的实现方法，包括以下步骤：
（1）通过LFMCW技术获取目标的距离信息；
（2）将采用MTD算法计算目标的速度，可进行超速检测；
（3）用相距一定距离的两个或多个接收天线来同时收取目标的回波信号，并进行信号的相位分析，即可得到目标的方位角,结合步骤(1)的目标距离信息,即可得到车道信息；
（4）采用自适应横虚警检测(CFAR)检测车辆信息，从杂波中得到目标信息,在保证虚警概率一定的情况下，采用自适应杂波抑制算法可去除干扰信号，提高监测概率；自适应杂波目标检测算法可在环境变化的情况下自动建立背景模型，提高检测概率，并且新设备安装后无需人工干预即可自行收集背景信息并调整检测参数。
作为本发明的进一步方案，步骤（1）中，所述通过LFMCW技术的测距方法如下：
雷达产生一个发射频率随时间线性变化的发射信号，其斜率为
其中：BW为发射信号的带宽，一般为30MHz到300MHz；T为发射信号的时宽，一般为0.05ms到1ms；
假设目标距离为R，C为光速，则电波往返的时间为
由接收混频电路可得到发射信号与接收信号的频率差△f为
计算得到目标距离R为：
作为本发明的进一步方案，步骤（2）中，所述MTD计算目标的速度的方法，如下：
当目标为单个静态目标时，差频信号是一固定频率正弦信号，其频率正比于目标的距离；通过对接收到的差频信号做FFT即可得到目标的距离信息；当某个目标相对于雷达有径向运动速度v时，其差频信号的频率及相位在变化，在此变化的频率中，包含了目标的速度信息；对同一距离单元目标的多个周期的信息进行FFT处理得到多普勒频率Fd，根据多普勒频率计算目标的运动速度为：
v=Fd*λ/2
作为本发明的进一步方案，步骤（3）中，所述目标的方位角的获取方法，如下：
当两个接收天线距离为L，工作频率对应的波长为λ,则雷达的理论波束覆盖宽度为2*arcsin(λ/(2*L))；当L从0.7*λ到5*λ改变时，能获得90度到11度的测角覆盖范围。
综上所述，本发明与以往技术相比具有以下有益效果：
1、非接触式检测，具有可靠性高、寿命长、耐恶劣天气的优点，可以克服线圈检测的不足；
2、非接触式微波检测，克服了雨、雪、雾、霾沙尘等恶劣光学条件的影响，以及视频检测的不足；
3、雷达的多目标跟踪和精准定位技术，克服了现在窄波雷达的定模糊性定位的不足；
4、本发明由于输出的目标数据不仅包括车辆的速度，而且还包括车辆的位置坐标，因此能同时检测目标的速度、距离和方位信息，能实现10个车道，多达100个目标的同时跟踪与定位，一部即可代替多达八部的传统测速雷达，因而具备更高的经济性，对我国交通系统的发展有着重要的经济意义和社会意义。
附图说明
图1是三维交通信息采集雷达组成框图；
图2是雷达信号处理流程图；
图3是道路侧边安装工作示意图；
图4是道路十字路口工作示意图；
图5是八车道工作示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-2所示，一种三维交通信息采集雷达，包括DDS(直接数字式频率合成器)、调制器、功率放大器、发射天线、混频器1、混频器2、接收天线1、接收天线2、低频放大器1、低频放大器2、信号处理器和通讯接口；所述DDS与调制器的输入端相连，调制器的输出端分别与功率放大器的输入端和混频器相连；功率放大器的输出端与发射天线相连；混频器1和混频器2的输入端分别与接收天线1和接收天线2相连，输出端分别与低频放大器1和低频放大器2的输入端相连；低频放大器的输出端与信号处理器的输入端相连；信号处理器的输出端与通讯接口相连； DDS在低频产生LFMCW信号，经过调制器产生射频信号，一路送给功率放大器后送发射天线，另一路与来自相距一定距离的两个接收天线1和2接收的信号通过混频器，再经过低频放大器直接送给信号处理器进行回波处理分析，信号处理器计算好车辆的位置及速度信息,把结果通过通讯接口电路送出给照相机或其它设备。
如图3所示，雷达在道路侧边的安装方式：将雷达安装在道路的侧边的立杆上，安装高度距离路面4 ～ 8米，雷达波束覆盖区域如图中阴影所示；雷达中心距检测线的距离可根据道路宽度、相机分辨能力以及雷达波束宽度等实际情况进行调整，一般为20 ～ 30 米，可以一个车道的车辆。具体到一个典型公路场景：道路为宽度为15米的四车道，雷达波速覆盖宽度为30度，相机的最佳成像距离为30米，由三角公式可知雷达在30米处波束覆盖的宽度为16米，可满足对15米的四车道的全覆盖。由此可知该三维交通信息采集雷达可以同时采集4个车道的所有交通信息，包含多车道车速信息，每个车道车流量及车道占有率，车辆目标跟踪等功能，为交通违章查处提供依据，为智能交通疏导提供信息，具体的三维交通信息采集方法如下：
（1）通过LFMCW技术获取目标的距离信息，区分目标所在的车道
即：雷达产生一个发射频率随时间线性变化的发射信号，其斜率为
其中：BW为发射信号的带宽，一般为30MHz到300MHz；T为发射信号的时宽，一般为0.05ms到1ms；假设目标距离为R，C为光速，则电波往返的时间为
由接收混频电路可得到发射信号与接收信号的频率差△f为
计算得到目标距离R为：
（2）将采用MTD算法计算目标的速度，可进行超速检测
当目标为单个静态目标时，差频信号是一固定频率正弦信号，其频率正比于目标的距离；通过对接收到的差频信号做FFT即可得到目标的距离信息；当某个目标相对于雷达有径向运动速度v时，其差频信号的频率及相位在变化，在此变化的频率中，包含了目标的速度信息；对同一距离单元目标的多个周期的信息进行FFT处理，即可得到该距离单元上目标的运动速度；
（3）用相距一定距离的两个接收天线来同时收取目标的回波信号，并进行信号的相位分析，即可得到目标的方位角
即：当两个接收天线距离为L，工作频率对应的波长为λ,则雷达的理论波束覆盖宽度为2*arcsin(λ/(2*L))，当L从0.7*λ到5*λ改变时，能获得90度到11度的测角覆盖范围；
（4）采用自适应杂波抑制算法可去除干扰信号，降低虚警率；而自适应杂目标提取算法可在环境缓慢变化的情况下自动建立背景模型，提高监测概率，并且新设备安装后无需人工干预即可自行收集背景信息并调整检测参数。
实施例2
如图1-2所示，一种三维交通信息采集雷达，包括DDS(直接数字式频率合成器)、调制器、功率放大器、发射天线、混频器1、混频器2、接收天线1、接收天线2、低频放大器1、低频放大器2、信号处理器和通讯接口；所述DDS与调制器的输入端相连，调制器的输出端分别与功率放大器的输入端和混频器相连；功率放大器的输出端与发射天线相连；混频器1和混频器2的输入端分别与接收天线1和接收天线2相连，输出端分别与低频放大器1和低频放大器2的输入端相连；低频放大器的输出端与信号处理器的输入端相连；信号处理器的输出端与通讯接口相连； DDS在低频产生LFMCW信号，经过调制器产生射频信号，一路送给功率放大器后送发射天线，另一路与来自相距一定距离的两个接收天线1和2接收的信号通过混频器，再经过低频放大器直接送给信号处理器进行回波处理分析，信号处理器计算好车辆的位置及速度信息,把结果通过通讯接口电路送出给照相机或其它设备。
如图4所示，雷达安装于十字路口的路侧高杆上或安装在红绿灯上方，安装高度距离路面4 ～ 8米，雷达波束指向路口对面的道路，雷达波束覆盖区域如图中阴影所示；因雷达有方位信息和距离信息，所以可以探测到车辆所在的具体位置，并进行车辆停车线检测，车辆队列长度检测，车辆闯红灯检测，并且可以彻底替代需切割路面的地感线圈。
具体的三维交通信息采集方法如下：
（1）通过LFMCW技术获取目标的距离信息，区分目标所在的车道
即：雷达产生一个发射频率随时间线性变化的发射信号，其斜率为
其中：BW为发射信号的带宽，一般为30MHz到300MHz；T为发射信号的时宽，一般为0.05ms到1ms；假设目标距离为R，C为光速，则电波往返的时间为
由接收混频电路可得到发射信号与接收信号的频率差△f为
计算得到目标距离R为：
（2）将采用MTD算法计算目标的速度，可进行超速检测
当目标为单个静态目标时，差频信号是一固定频率正弦信号，其频率正比于目标的距离；通过对接收到的差频信号做FFT即可得到目标的距离信息；当某个目标相对于雷达有径向运动速度v时，其差频信号的频率及相位在变化，在此变化的频率中，包含了目标的速度信息；对同一距离单元目标的多个周期的信息进行FFT处理，即可得到该距离单元上目标的运动速度；
（3）用相距一定距离的两个接收天线来同时收取目标的回波信号，并进行信号的相位分析，即可得到目标的方位角
即：当两个接收天线距离为L，工作频率对应的波长为λ,则雷达的理论波束覆盖宽度为2*arcsin(λ/(2*L))，当L从0.7*λ到5*λ改变时，能获得90度到11度的测角覆盖范围；
（4）采用自适应杂波抑制算法可去除干扰信号，降低虚警率；而自适应杂目标提取算法可在环境缓慢变化的情况下自动建立背景模型，提高监测概率，并且新设备安装后无需人工干预即可自行收集背景信息并调整检测参数。
实施例3
如图1-2所示，一种三维交通信息采集雷达，包括DDS(直接数字式频率合成器)、调制器、功率放大器、发射天线、混频器1、混频器2、接收天线1、接收天线2、低频放大器1、低频放大器2、信号处理器和通讯接口；所述DDS与调制器的输入端相连，调制器的输出端分别与功率放大器的输入端和混频器相连；功率放大器的输出端与发射天线相连；混频器1和混频器2的输入端分别与接收天线1和接收天线2相连，输出端分别与低频放大器1和低频放大器2的输入端相连；低频放大器的输出端与信号处理器的输入端相连；信号处理器的输出端与通讯接口相连； DDS在低频产生LFMCW信号，经过调制器产生射频信号，一路送给功率放大器后送发射天线，另一路与来自相距一定距离的两个接收天线1和2接收的信号通过混频器，再经过低频放大器直接送给信号处理器进行回波处理分析，信号处理器计算好车辆的位置及速度信息,把结果通过通讯接口电路送出给照相机或其它设备。
如图5所示，在本实施例中，可选择雷达波束宽度为60～ 90度，同时监控八条车道，雷达安装于整个车道中间位置，安装高度距离路面4 ～ 8米，根据需要设置车道触发点的测量线距离雷达的水平距离为20 ～ 30米。因雷达有方位信息和距离信息，所以可以探测到车辆所在的具体位置，并对通过测量线的车辆进行检测，送出速度信息，该实施方式下雷达可对车辆里流量进行检测，并控制相机对超速测量进行抓拍。
具体的三维交通信息采集方法如下：
（1）通过LFMCW技术获取目标的距离信息，区分目标所在的车道
即：雷达产生一个发射频率随时间线性变化的发射信号，其斜率为
其中：BW为发射信号的带宽，一般为30MHz到300MHz；T为发射信号的时宽，一般为0.05ms到1ms；假设目标距离为R，C为光速，则电波往返的时间为
由接收混频电路可得到发射信号与接收信号的频率差△f为
计算得到目标距离R为：
（2）将采用MTD算法计算目标的速度，可进行超速检测
当目标为单个静态目标时，差频信号是一固定频率正弦信号，其频率正比于目标的距离；通过对接收到的差频信号做FFT即可得到目标的距离信息；当某个目标相对于雷达有径向运动速度v时，其差频信号的频率及相位在变化，在此变化的频率中，包含了目标的速度信息；对同一距离单元目标的多个周期的信息进行FFT处理，即可得到该距离单元上目标的运动速度；
（3）用相距一定距离的两个接收天线来同时收取目标的回波信号，并进行信号的相位分析，即可得到目标的方位角
即：当两个接收天线距离为L，工作频率对应的波长为λ,则雷达的理论波束覆盖宽度为2*arcsin(λ/(2*L))，当L从0.7*λ到5*λ改变时，能获得90度到11度的测角覆盖范围；
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种三维交通信息采集雷达，其特征是，包括DDS、调制器、功率放大器、发射天线、混频器、接收天线、低频放大器、信号处理器和通讯接口；所述DDS与调制器的输入端相连，调制器的输出端分别与功率放大器的输入端和混频器相连；所述功率放大器的输出端与发射天线相连；所述混频器的输入端与接收天线相连，输出端与低频放大器的输入端相连；所述接收天线至少两条；所述低频放大器和混频器的数量与接收天线的数量相同；所述低频放大器的输出端与信号处理器的输入端相连；所述信号处理器的输出端与通讯接口相连；所述DDS在低频产生LFMCW信号，经过调制器产生射频信号，一路送给功率放大器后送发射天线，另一路与来自接收天线1和接收天线2接收的信号通过混频器，再经过低频放大器直接送给信号处理器进行回波处理分析，信号处理器计算好车辆的位置及速度信息,把结果通过通讯接口电路送出给照相机或其它设备。
2.根据权利要求1所述的一种三维交通信息采集雷达，其特征是，所述接收天线每两条之间相距一定距离,用来确定角度覆盖范围。
3.根据权利要求1所述的一种三维交通信息采集雷达，其特征是，所述信号处理器包括AD转换器、FPGA芯片、DSP芯片及相关外围电路。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的三维交通信息采集的实现方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）通过LFMCW技术获取目标的距离信息，区分目标所在的车道；
（2）将采用MTD算法计算目标的速度，可进行超速检测；
（3）用相距一定距离的两个接收天线来同时收取目标的回波信号，并进行信号的相位分析，即可得到目标的方位角；
（4）采用自适应杂波抑制算法可去除干扰信号，降低虚警率。
5.根据权利要求4所述的一种三维交通信息采集的实现方法，其特征是，步骤（1）中，所述通过LFMCW技术的测距方法如下：
雷达产生一个发射频率随时间线性变化的发射信号，其斜率为
其中：BW为发射信号的带宽；T为发射信号的时宽；
假设目标距离为R，C为光速，则电波往返的时间为
由接收混频电路可得到发射信号与接收信号的频率差△f为
计算得到目标距离R为：
6.根据权利要求4所述的一种三维交通信息采集的实现方法，其特征是，步骤（2）中，所述MTD计算目标的速度的方法，如下：
当目标为单个静态目标时，差频信号是一固定频率正弦信号，其频率正比于目标的距离；通过对接收到的差频信号做FFT即可得到目标的距离信息；当某个目标相对于雷达有径向运动速度v时，其差频信号的频率及相位在变化，在此变化的频率中，包含了目标的速度信息；对同一距离单元目标的多个周期的信息进行FFT处理得到多普勒频率Fd，根据多普勒频率计算目标的运动速度为：
v=Fd*λ/2。
7.根据权利要求4所述的一种三维交通信息采集的实现方法，其特征是，步骤（3）中，所述目标的方位角的获取方法，如下：
用两个或多个接收天线进行信号相位比较可获得目标角度，当两个接收天线距离为L，工作频率对应的波长为λ,则雷达的理论波束覆盖宽度为2*arcsin(λ/(2*L))；当L从0.7*λ到5*λ改变时，能获得90度到11度的测角覆盖范围。
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