CN106093458A - 单发射波束三天线微波车速和车型检测雷达及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单发射波束三天线微波车速和车型检测雷达及检测方法，所述检测雷达包括微波发射天线以及相互独立的第一微波接收天线和第二微波接收天线，所述微波发射天线方向图主波瓣覆盖所述第一微波接收天线和第二微波接收天线的方向图主波瓣，且第二微波接收天线方向图主波瓣宽度小于第一微波接收天线。该检测雷达通过测量车辆进入两接收天线波束覆盖范围对应位置天线方向图主波瓣宽度在地面的投射宽度的时间以及通过两投射宽度的时间，通过解方程组的方式计算得出对应车速和车长等信息，并可同步检测车速、车长、行驶方向信息，雷达系统简单，节约成本，功耗低，结合多种检测方式，误差小精度高。

Description

单发射波束三天线微波车速和车型检测雷达及检测方法
技术领域
本发明属于智能交通系统信息采集领域，具体的涉及一种单发射波束三天线微波车速和车型检测雷达及检测方法。
背景技术
实时交通信息是智能交通系统(ITS)的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。
微波雷达检测具有波长短、频带宽、方向性好和穿透能力强等优点，克服了地面感应线圈和视频检测方式中适应性差的缺点。目前微波雷达交通流量探测装置有正向安装方式和侧向安装方式：正向安装方式能准确测出每车道的流量和单车速度，但每个车道都需要安装一个雷达，车道数越多，成本越高。侧向安装方式仅需一个雷达可以监控多达10个车道的交通信息，因此侧向安装更受人们青睐。专利CN101915921A，双波束四天线微波交通信息检测雷达及信息检测方法中，以及CN102169180A，双波束三天线微波交通信息检测雷达和方法，分别使用双波束四天线、双波束三天线，通过测量车辆在双波束之间的延时来计算速度。两者使用双发射波，两路信号收发单元，结构复杂，成本高，功耗大。专利CN102798862A，一种交通测速方法及装置中使用FFT方法中频信号变换到频率域以实现测速，系统较为复杂。
发明内容
本发明要解决的问题是：提供一种系统简单，功耗低、精度高的单发射波束三天线微波车速和车型检测雷达及检测方法。
为解决上述问题，本发明提供的技术方案是:一种单发射波束三天线微波车速和车型检测雷达，本技术方案中，包括微波发射天线以及相互独立的第一微波接收天线和第二微波接收天线，所述微波发射天线方向图主波瓣覆盖所述第一微波接收天线和第二微波接收天线的方向图主波瓣，且第二微波接收天线方向图主波瓣宽度小于第一微波接收天线。
进一步，优选的，所述微波发射天线方向图主波瓣与第一微波接收天线方向图主波瓣重合，所述第一微波接收天线和第二微波接收天线方向图主波瓣中心线夹角为α，其中α≥0。
进一步的，所述第一微波接收天线和第二微波接收天线与一混频器相连，所述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车速和车长相关信息。
更进一步的，所述数字信号处理单元与外界计算机之间通过人机接口单元相连接。
采用上述单发射波束三天线微波车速和车型检测雷达检测车速与车型的方法，其具体步骤如下：
1)将所述雷达侧向安装于车辆行驶路段，分别测量第一微波接收天线和第二微波接收天线方向图主波瓣覆盖范围在地面的投射宽度W1和W2，经校准后制作投射宽度W1、W2与天线距离的关系图表；
2)利用雷达测量其与车辆之间的距离，经W1、W2与天线距离的关系图表得出汽车进入第一微波接收天线和第二微波接收天线波束覆盖范围位置对应的W1、W2值；
3)测量车辆在第一微波接收天线波束覆盖范围内行驶时间t1以及在第二微波接收天线波束覆盖范围内行驶时间t2；
4)车辆长度为L，行驶速度为V，则可得出如下关系式：
t1＝(W1+L)/V
t2＝(W2+L)/V
通过上述两关系式，计算得出
V＝(W1–W2)/(t1–t2),
L＝(W2×t1-W1×t2)/(t2-t1)
并基于车辆长度L对车型进行分类。
进一步的，所述步骤(1)中还测量了投射宽度W1和W2前沿距离差d，并经校准后制作前沿距离差d与天线距离的关系图表；所述步骤(3)中还测量了第一微波接收天线和第二微波接收天线接受信号前沿延时τ；所述汽车行驶速度V＝d/τ。
本发明的优点是：采用单微波发射单元，两个相互独立的微波接收单元三天线的微波雷达，减少了微波单片集成电路芯片的使用，节约成本，采用单发射波束，降低功耗；并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；可采取不同测量和计算方法检测车辆速度，并综合考虑多组测量结果，误差小，精度高；车速与车辆长度计算为求解简单的二元一次方程组，系统简单，分析效率高。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述
图1为本发明实施例1的检测雷达的天线方向图主波瓣分布图。
图2为本发明实施例1的检测雷达测量车速和车身长度示意图。
图3为本发明实施例1的检测雷达检测车辆行驶方向示意图。
图4为本发明实施例1的检测雷达检测车辆行驶方向示意图。
图5为本发明实施例2的检测雷达的天线方向图主波瓣分布图。
其中:1.微波发射天线；2.第一微波接收天线；3.第二微波接收天线。
实施例1:
一种单发射波束三天线微波车速和车型检测雷达，包括微波发射天线1以及相互独立的第一微波接收天线2和第二微波接收天线3，其中微波发射天线1方向图主波瓣宽度为θT，第一微波接收天线2方向图主波瓣宽度为θR1，第二微波接收天线3方向图主波瓣宽度为θR2，所述微波发射天线1方向图主波瓣覆盖所述第一微波接收天线2和第二微波接收天线3的方向图主波瓣，且第二微波接收天线3方向图主波瓣宽度小于第一微波接收天线2，即θR2＜θR1。或者通过调整接收通道增益，形成事实上的类似的接收天线主波瓣方向图效果。本例中所述微波发射天线1方向图主波瓣与第一微波接收天线2方向图主波瓣重合，即θT＝θR1。所述第一微波接收天线2和第二微波接收天线3方向图主波瓣中心线夹角为α，其中α＞0，如图1所示。
所述第一微波接收天线2和第二微波接收天线3分别与一混频器相连，所述混频器输出独立的两路中频信号，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车速和车长相关信息，所述数字信号处理单元与外界计算机之间通过人机接口单元相连接，并通过计算机发布检测的车速和车型等相关信息。
利用上述单发射波束三天线微波车速和车型检测雷达检测车速和车身长度的具体步骤如下：
1)将所述雷达侧向安装于车辆行驶路段一定高度处，预先测量离天线不同距离处第一微波接收天线2和第二微波接收天线3的方向图主波瓣覆盖范围在地面的投射宽度W1和W2，经校准后制作投射宽度W1、W2与天线距离的关系图表；对应的还可测量出离天线不同距离处第一微波接收天线2和第二微波接收天线3波束投影宽度W1与W2前沿距离差d(如图2)，经校准后一并制作前沿距离差d与天线距离的关系图表；
2)本测量方法配合FMCW或者脉冲压缩体制雷达使用，利用雷达测量雷达与车辆之间的距离，经查阅W1、W2与天线距离的关系图表得出汽车进入第一微波接收天线2和第二微波接收天线3波束覆盖范围位置对应的W1、W2值，如图2所示。
3)由于雷达微波发射天线方向图主波瓣与第一微波接收天线方向图主波瓣宽度相同，并且覆盖第二微波接收天线方向图主波瓣，当汽车行驶在θR1的方向图主波瓣之内时，第一个微波接收天线2有信号输出；当汽车行驶在θR2天线方向图主波瓣之内时，第一微波接收天线2和第二微波接收天线3有信号输出。当同一辆长度为L的汽车以速度V，连续穿过W1和W2，汽车在第一微波接收天线2波束投影宽度W1内行驶时间t1即为第一微波接收天线2信号输出的持续时间，汽车在第二微波接收天线3波束投影宽度W2内行驶时间即为第二微波接收天线3信号输出的持续时间t2，还可以测量第一微波接收天线2和第二微波接收天线3接受信号前沿延时τ(如图3)，即是第一微波接收天线2有信号输出到第二微波接收天线3有信号输出的时间差；
4)车辆长度为L，行驶速度为V，根据步骤3)中所测得的数据，则有以下两个方程成立：
t1＝(W1+L)/V (1)
t2＝(W2+L)/V (2)
t1和t2可以由上述雷达系统电子电路测得，W1和W2的数值与汽车和雷达之间的距离有关，对于一定的距离值，结合投射宽度W1、W2与天线距离的关系图表，可得到具体的W1、W2值，那么在上面的方程(1)和(2)中，t1，t2，W1，W2是已知量，只有L和V是未知量。所以方程(1)和(2)构成二元一次方程组，可以求解如下：
V＝(W1–W2)/(t1–t2)
L＝(W2×t1-W1×t2)/(t2-t1)
或者L＝V×t1-W1，L＝V×t2-W2
此外，还可以通过测量的前沿延时τ，并结合投影宽度W1与W2前沿距离差d计算汽车速度V＝d/τ，结合两种速度测量方法，有效提高了速度测量精度，进一步通过测得汽车车身长度L对车型进行分类。
本发明方法还可以检测车辆行驶方向，如图1中，第二微波接收天线3方向图主波瓣中心线相对第一微波接收天线2向右偏移一定角度α，α＞0，当车辆由左向右行驶时，t1相对t2前沿延时τ较大，如图3所示；当车辆由右向左行驶时，t1相对t2前沿延时τ较小，如图4所示。对τ值的判断取决于偏移角度α的大小。本例中天线布置时α取值较大，如图1，第二微波接收天线3方向图主波瓣右侧与第一微波接收天线2主波瓣右侧接近重合，当车辆由右向左行驶t1相对t2前沿延时τ几乎为零，而当车辆由左向右行驶t1相对t2前沿延时τ为较大的数值。通过判断τ值是否接近为零可以判断车辆行驶方向。
实施例2：
一种单发射波束三天线微波车速和车型检测雷达，包括微波发射天线1以及相互独立的第一微波接收天线2和第二微波接收天线3，其中微波发射天线1方向图主波瓣宽度为θT，第一微波接收天线2方向图主波瓣宽度为θR1，第二微波接收天线3方向图主波瓣宽度为θR2，所述微波发射天线1方向图主波瓣覆盖所述第一微波接收天线2和第二微波接收天线3的方向图主波瓣，且第二微波接收天线3方向图主波瓣宽度小于第一微波接收天线2，即θR2＜θR1，也可通过调整接收通道增益，形成事实上的类似的接收天线主波瓣方向图效果如图5所示。
所述第一微波接收天线2和第二微波接收天线3与一混频器相连，所述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车速和车长相关信息，所述数字信号处理单元与外界计算机之间通过人机接口单元相连接，并通过计算机发布检测的车速和车型等相关信息。本例中车速V和车身长度L检测方法与步骤同实施例1。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种单发射波束三天线微波车速和车型检测雷达，其特征在于，包括微波发射天线(1)以及相互独立的第一微波接收天线(2)和第二微波接收天线(3)，所述微波发射天线(1)方向图主波瓣覆盖所述第一微波接收天线(2)和第二微波接收天线(3)的方向图主波瓣，且第二微波接收天线(3)方向图主波瓣宽度小于第一微波接收天线(2)，或者，通过调整接收通道增益，形成事实上的类似的接收天线主波瓣方向图效果。
2.根据权利要求1所述的单发射波束三天线微波车速和车型检测雷达，其特征在于，所述微波发射天线(1)方向图主波瓣与第一微波接收天线(2)方向图主波瓣重合，所述第一微波接收天线(2)和第二微波接收天线(3)方向图主波瓣中心线夹角为α，其中α≥0。
3.根据权利要求1或2所述的单发射波束三天线微波车速和车检测雷达，其特征在于，所述第一微波接收天线(2)和第二微波接收天线(3)与一混频器相连，所述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车速和车长相关信息。
4.根据权利要求3所述的单发射波束三天线微波车速和车检测雷达，其特征在于，所述数字信号处理单元与外界计算机之间通过人机接口单元相连接。
5.一种使用权利要求1所述的雷达检测车速和车型的方法，其特征在于方法步骤如下：
1)将所述雷达侧向安装于车辆行驶路段，分别测量第一微波接收天线(2)和第二微波接收天线(3)方向图主波瓣覆盖范围在地面的投射宽度W1和W2，经校准后制作投射宽度W1、W2与天线距离的关系图表；
2)利用雷达测量其与车辆之间的距离，经W1、W2与天线距离的关系图表得出汽车进入第一微波接收天线(2)和第二微波接收天线(3)波束覆盖范围位置对应的W1、W2值；
3)测量车辆在第一微波接收天线(2)波束覆盖范围内行驶时间t1以及在第二微波接收天线(3)波束覆盖范围内行驶时间t2；
4)车辆长度为L，行驶速度为V，则可得出如下关系式：
t1＝(W1+L)/V
t2＝(W2+L)/V
通过上述两关系式，计算得出
V＝(W1–W2)/(t1–t2),
L＝(W2×t1-W1×t2)/(t2-t1)
并基于车辆长度L对车型进行分类。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中还测量了投射宽度W1和W2前沿距离差d，并经校准后制作前沿距离差d与天线距离的关系图表；所述步骤(3)中还测量了第一微波接收天线(2)和第二微波接收天线(3)接受信号前沿延时τ；所述汽车行驶速度V＝d/τ。
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