CN107677846A - 一种通过感应电荷变化实现测速的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种通过感应电荷变化实现测速的方法。在目标运动方向上放置两个呈一定间距的金属极板，两个金属极板分别接入两个电荷传感器，两个电荷传感器同时与采集处理模块连接；两个金属极板同时感应目标经过时电荷量的变化，再由两个电荷传感器将产生的感应电荷量转换成电压量，最后由采集处理模块分别采集和测量两组电压波形极值所对应的时间点，然后经过公式计算则可得到目标的运动速度。本发明方法的显著特征为：通过两个极板感应目标经过时的电荷变化和检测特征时间点实现测速，无需精确测定幅值以及主动发射信号实现测速，具有抗干扰能力强、抗遮挡能力强、算法简单、易实现、低成本等显著优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种运动目标的测速方法，尤其涉及一种通过感应电荷变化实现测速的方法。
背景技术
目前，针对运动目标主要的测速技术有微波雷达监测技术、激光检测技术、地感线圈测速和视频测速等。微波雷达监测技术易受到无线电波干扰且准确率不高；激光检测技术成本较大；地感线圈测速需要将线圈安装在地下，施工时会破坏路面，且易受环境影响发生变形，实际维修养护费用较高；视频测速易受光照等环境因素影响，测速误差较大。
测速的准确度、测速设备的成本和复杂度以及对环境的抗干扰能力这几个因素往往是现如今测速技术难以同时满足的。为此，需要一种测速准确度较高、稳定性好、抗干扰且成本低的运动目标测速方法。
发明内容
为了克服上述现有技术中的不足，本发明提出一种通过感应电荷变化实现测速的方法。
为实现上述发明目的，本发明提出的技术方案为：
一种通过感应电荷变化实现测速的方法，其特征在于，在目标运动方向上放置两个呈一定间距的金属极板，两个金属极板分别接入两个电荷传感器，两个电荷传感器同时与采集处理模块连接；两个金属极板同时感应目标经过时电荷量的变化，再由两个电荷传感器将产生的感应电荷量转换成电压量，最后由采集处理模块分别采集和测量两组电压波形极值所对应的时间点，然后经过公式计算则可得到目标的运动速度。
本发明方法的显著特征在于：通过两个极板感应目标经过时的电荷变化和检测特征时间点实现测速，无需精确测定幅值以及主动发射信号实现测速，具有算法简单、易实现、测速精度较高、低成本等显著优点。此外，由于目标运动时产生的低频电场对于玻璃、塑料、墙砖等屏蔽物具有很强的穿透性，即使有物体遮挡以及在天气情况恶劣的情况下，本发明方法依然能够实现对目标的测速，因而还具有抗遮挡能力强、抗干扰能力强的显著优势。
附图说明
图1为目标电荷感应模型图，(a)为立体图，(b)为x-y平面图。
图2为两个极板位置示意图，(a)为立体图，(b)为x-y平面图。
图3为测速方法的实现框图。
图4为实施例中电荷传感器输出波形图。
具体实施方式
本发明的测速方法，具体包括如下步骤：
1)将运动目标设为一个面电荷，经过金属极板时在其表面产生变化的感应电荷，若坐标系的建立以及目标的运动模型如附图1所示，则根据Maxwell方程：
当运动目标与极板的垂直距离远大于极板尺寸时(5倍以上时)，感应电荷量与运动目标所带电荷量关系可表达为：
式中，Q0为运动目标所带电荷量，(x,y,z)为目标所处的三维坐标，A为金属极板面积，Lx、Ly为面电荷的长和宽。
2)放置两个金属极板，两者中心距离为d，设两个金属极板构成的平面为x-y平面，极板1位于坐标系原点。目标的运动路线平行于x-y平面，目标到x-y平面的垂直距离为h，运动速度沿x轴方向，运动速度为v＝vx，如附图2所示。
3)将步骤2)中的极板接入电荷传感器，把电荷量转换成电压量输出，如附图3所示，滤波电路可以根据需要进行低通和陷波等。设电荷传感器的增益为H，电荷传感器的输入电容为Ci，依据步骤2)的描述有x＝vt，则电荷传感器在通带内输出信号可表达为：
4)电荷传感器后端的采集处理模块对步骤3)两个电荷传感器实现时间上的采集同步。极板1和极板2所对应的输出电压V1、V2存在关系：
5)极板1、极板2所得的输出波形1、波形2如附图4所示，测出波形1、波形2的极值点t1、t2。
6)目标的运动速度v即可由极值点t1、t2以及两极板的间距d得到：
实施例：
假设一运动带电体的相关参数为：Q0＝10-7C，Lx＝4.5m，Ly＝1.5m，v＝15.8m/s，h＝4m，下面将结合这一具体运动目标定位实施例对本发明所提的测速方法作说明，具体如下：
1)取电荷传感器的增益H＝37，电荷传感器的输入电容Ci＝10pF；
2)如附图3所示，放置两个金属极板；设极板1位于坐标系原点，两者中心距离d＝18m；
3)如附图3所示，将两个金属极板(极板长6cm，宽3cm，面积A＝18cm2)分别接入电荷传感器和采集处理模块；本实施例中，金属极板采用铜材料，并且为了使得两组探测电路的灵敏度尽可能相同，采用完全相同的两个金属极板进行探测。
4)采用MATLAB分别根据式(3)、(4)两个电荷传感器的输出电压进行仿真，所得的两个波形如附图4所示。
5)采集处理模块分别测出两个输出电压波形的极值点t1、t2，有t1＝0.014s，t2＝1.151s。
6)根据式(5)得：v＝15.831m/s。
上述计算结果与设定结果相符，说明了本发明所提测速方法的可行性。
Claims (6)
1.一种通过感应电荷变化实现测速的方法，其特征在于，在目标运动方向上放置两个呈一定间距的金属极板，两个金属极板分别接入两个电荷传感器，两个电荷传感器同时与采集处理模块连接；两个金属极板同时感应目标经过时电荷量的变化，再由两个电荷传感器将产生的感应电荷量转换成电压量，最后由采集处理模块分别采集和测量两组电压波形极值所对应的时间点，然后经过公式计算则可得到目标的运动速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于感应电荷变化实现测速的方法，其特征在于，目标的运动速度v的计算公式如下：
<mrow>
<mi>v</mi>
<mo>=</mo>
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<mi>d</mi>
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其中，d为两个金属极板的距离，t1、t2分别为采集处理模块测量的两组电压波形极值。
3.根据权利要求1所述的一种基于感应电荷变化实现测速的方法，其特征在于，目标到两个金属极板的垂直距离比金属极板的长度大5倍以上。
4.根据权利要求1所述的一种基于感应电荷变化实现测速的方法，其特征在于，电荷传感器还包括滤波电路。
5.根据权利要求1所述的一种基于感应电荷变化实现测速的方法，其特征在于，两个金属极板的平面与目标运动速度平行。
6.根据权利要求1所述的一种基于感应电荷变化实现测速的方法，其特征在于，两个金属极板的材料相同。
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