CN103914983A - 一种交通卡口管理雷达装置及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交通卡口管理雷达装置及其实现方法，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；所述信号处理器包括用于接收信号的微波收发机和将信号转换成数字信息的AD转换器，微波收发机接收到的信号,首先须通过AD转换器转换成数字信号，然后进行FFT变换得到距离检测数据，再对多组距离数据完成检测后进行MTD计算，从而得到每个目标的速度信息，该距离及速度信息通过自适应噪声抑制及目标提取算法，得到最终车辆的位置及速度信息。本发明能同时检测目标的距离、速度信息，解决了现有技术中存在的问题；还实现了对车辆的非接触式检测，降低了后期维护成本。

Description

一种交通卡口管理雷达装置及实现方法

技术领域

本发明属于智能交通技术领域，尤其涉及一种应用于警务工作站和交通稽查口的卡口能同时检测目标距离和速度的交通卡口管理雷达装置和实现方法。

背景技术

交通卡口是借助现代电子科技手段，对道路上车辆的各种交通违法行为进行拍摄、处理的一整套执法取证系统，也用于为公安机关提供盗抢车辆、套牌车辆、肇事逃逸车辆等信息。交通卡口主要包括测速及触发装置、图像采集设备、传输网络系统和终端管理系统。测速及触发装置为现有卡口关键组成部分，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，当目标低速通过时不能被检测，给犯罪分子可乘之机。

发明内容

本发明的目的是提供一种能同时检测目标的速度和距离信息，能实现单个车道上汽车的准确位置与速度，可以完全取代线圈的交通卡口管理雷达装置及实现方法，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：

一种交通卡口管理雷达装置，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； 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；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，另一路与来自接收天线接收的信号通过混频器，再经过低频放大器直接输送到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，信号处理器包括微波收发机、AD转换器、FPGA芯片、DSP芯片及相关外围电路。

一种交通卡口管理雷达的实现方法，是由微波收发机接收雷达反馈信号, 波收发机接收到的信号首先须通过AD转换器转换成数字信号，然后进行FFT变换得到距离检测数据，再对多组距离数据完成检测后进行MTD计算，从而得到每个目标的速度信息，该距离及速度信息通过自适应噪声抑制及目标提取算法，得到最终车辆的位置及速度信息，具体包括以下步骤： 

（1）基于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：

（2）基于MTD技术的测速方法，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，即可得到该距离单元上目标的运动速度；

（3）自适应杂波抑制及目标提取算法，如下：

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，基于LFMCW技术的测距方法在同时对多个车道进行检测时，雷达主要依靠不同车道到雷达的距离不同来区分目标处于哪条车道，这就需要雷达具有距离测量功能。

综上所述，本发明与以往技术相比具有以下有益效果：

本发明将线性调频连续波技术和相参技术结合起来的雷达装置可以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，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；此外，由于本发明用距离信息来对相机实现准确的触发,相比较传统窄波雷达提高了系统的位置一致性,能得到较高的图像质量,相比较视频方式则可实现全天候检测，并且提供目标距离及速度信息而不仅仅是目标存在与否。相比地感线圈的检测模式，本发明可实现非接触式检测，可降低后期维护成本。

附图说明

图1是雷达组成图；

图2是信号处理流程图；

图3是道路上方安装工作示意图一；

图4是道路侧边安装工作示意图二。

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所示，一种交通卡口管理雷达装置，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；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；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，另一路与来自接收天线接收的信号通过混频器，再经过低频放大器直接输送到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2所示，信号处理器包括用于接收信号的微波收发机和将信号转换成数字信息的AD转换器；微波收发机接收到的信号,首先须通过AD转换器转换成数字信号，然后进行FFT变换得到距离检测数据，再对多组距离数据完成检测后进行MTD计算，从而得到每个目标的速度信息，该距离及速度信息通过自适应噪声抑制及目标提取算法，得到最终车辆的位置及速度信息。

如图3所示，雷达安装在道路的正上方，安装高度距离路面4 ～ 8米，雷达中心距检测线的距离可根据实际情况进行调整，一般为20 ～ 30 米，可以检测一个车道的车辆。雷达中心波速照射方向与车道中心，不同于普通测速雷达靠俯仰角来确定检测区域，本发明雷达方向俯仰角与水平面成0°～ 20°的夹角朝下安装均可，简化安装流程，并且触发线位置不受俯仰角影响。该安装方法能够对在指定的位置车辆进行精确测速，以及控制相机抓拍，其具体实现方法如下：

（1）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：

在对车道上的车辆进行检测时，雷达主要依靠车辆与雷达的距离信息来触发照相机,得到准确的触发位置；

（2）为获取目标速度信息，需进行MTD处理；当某个目标相对于雷达有径向运动速度时，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）交通检测系统工作环境一般较为恶劣，需检测的目标差异也很大，既有小汽车也有运输十几辆车的大卡车，既有几公里时速的也有两百多公里的，并且背景噪声随地形、路况甚至季节变换都会有显著的差异，如果采用固定的监测模式势必不能兼顾所有应用场景，不适当的检测算法会导致较高的虚警率和误判；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所示，一种交通卡口管理雷达装置，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； 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；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，另一路与来自接收天线接收的信号通过混频器，再经过低频放大器直接输送到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2所示流程，信号处理器包括用于接收信号的微波收发机和将信号转换成数字信息的AD转换器；所述微波收发机接收到的信号,首先须通过AD转换器转换成数字信号，然后进行FFT变换得到距离检测数据，再对多组距离数据完成检测后进行MTD计算，从而得到每个目标的速度信息，该距离及速度信息通过自适应噪声抑制及目标提取算法，得到最终车辆的位置及速度信息。

如图4所示，雷达安装在道路的一侧，安装高度距离路面4 ～ 8米，雷达中心距第一车道边沿线的距离可根据实际情况进行调整，一般为1 ～ 3 米，雷达中心波速照射方向与车道边线成20°～ 30°的夹角，为减小车道之间相互影响，雷达的照射角度一般为1到5度；在上述参数下雷达可以同时监测来去向共四车道的车辆。该安装方法能够对车辆进行准确的车道判定，精确测速，还可以实现多车道超速抓拍，多车道车流量及车道占有率统计，车辆目标跟踪等功能，具体可根据用户需求进行算法扩展，其具体实现方法如下：

（1）多目标测距测速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：

在同时对多个车道进行检测时，雷达主要依靠不同车道的检测线到雷达的距离不同来区分目标处于哪条车道，这就需要雷达的天线具有窄的波束宽度以及低的副瓣；

（2）为获取目标速度信息，需进行MTD处理；当某个目标相对于雷达有径向运动速度时，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）交通检测系统工作环境一般较为恶劣，需检测的目标差异也很大，既有小汽车也有运输十几辆车的大卡车，既有几公里时速的也有两百多公里的，并且背景噪声随地形、路况甚至季节变换都会有显著的差异，如果采用固定的监测模式势必不能兼顾所有应用场景，不适当的检测算法会导致较高的虚警率和误判；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。

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 (6)

1.一种交通卡口管理雷达装置，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接收的信号通过混频器，再经过低频放大器直接输送到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所述的一种交通卡口管理雷达装置，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。

3.一种如权利要求1-2任一项所述的交通卡口管理雷达的实现方法，其特征是，微波收发机接收到的雷达信号,首先通过AD转换器转换成数字信号，然后进行FFT变换得到距离检测数据，再对多组距离数据完成检测后进行MTD计算，从而得到每个目标的速度信息，该距离及速度信息通过自适应噪声抑制及目标提取算法，得到最终车辆的位置及速度信息。

4.根据权利要求3所述的一种交通卡口管理雷达的实现方法，其特征是，所述距离检测方法如下：

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：

。

5.根据权利要求3所述的一种交通卡口管理雷达的实现方法，所述MTD计算的计算方法如下：

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，即可得到该距离单元上目标的运动速度。

6.根据权利要求3或4所述的一种交通卡口管理雷达的实现方法，在同时对多个车道进行检测时，雷达主要依靠不同车道到雷达的距离不同来区分目标处于哪条车道，这就需要雷达的天线具有窄的波束宽度以及低的副瓣。