CN108882170B - 电子车牌读写器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种电子车牌读写器,该电子车牌读写器包括天线单元、发射链路单元、接收链路单元,还包括:控制处理单元,用于通过所述发射链路单元及所述天线单元发送不同频率的至少两个发射信号,及通过所述天线单元及所述接收链路单元接收车辆上电子车牌返回的至少两个反射信号;定位单元,用于根据所述至少两个反射信号与对应的所述发射信号的相位差计算所述电子车牌的位置坐标。实施本发明的技术方案,可根据反射信号确定出电子车牌的位置坐标。在实际应用中,可由多点位置来追踪车辆的运行轨迹,对交通稽查、车辆追踪等提供更精确的匹配手段,可以大力扩展电子车牌读写器在智能交通方面的应用。
Description
技术领域
本发明涉及智能交通(Intelligent Transportation System,ITS)领域,尤其涉及一种电子车牌读写器。
背景技术
电子车牌采用的是无源RFID工作原理,在RFID系统应用中,电子车牌的标签本身是不产生电磁波的。读写器与车载的电子车牌通信时,采用的是后向散射原理的射频识别技术(与雷达工作原理一致),每一个处于读写器天线信号覆盖范围内的电子车牌都能响应,读写器并不能确定电子车牌的车辆是否处于该读写器天线所设定覆盖的车道区域内,凡是出现有响应应答信号的电子车牌,读写器都与其进行通信,这样就可能导致非本读写器天线覆盖车道区域的电子车牌都被进行通信,或是读写器信号被反射到其它车道区域并造成与该处出现的电子车牌进行了通信。若在使用电子车牌作为计费的场合,会容易出现旁道干扰或跟车干扰的现象,导致出现误计费等操作,产生错误纠纷,影响了电子车牌系统的正常应用;若是要进行交通车辆稽查,容易造成实际记录的车辆与视频抓拍的车辆不一致,产生异常的交通违法数据。
随着智能交通技术的广泛应用和迅猛发展,电子车牌读写器设备需要具有更多更强的功能,来应对日益复杂的交通环境和应用要求。由于车辆在道路上的行驶情况复杂多变,判断车辆在车道上所处位置的需求十分迫切,这就需要电子车牌读写器设备要具有对电子车牌车辆定位的功能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,针对现有技术中电子车牌读写器无法对电子车牌车辆进行定位的缺陷,提供一种电子车牌读写器,能对电子车牌车辆进行定位。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种电子车牌读写器,包括:天线单元、发射链路单元、接收链路单元,所述电子车牌读写器还包括:
控制处理单元,用于通过所述发射链路单元及所述天线单元发送不同频率的至少两个发射信号,及通过所述天线单元及所述接收链路单元接收车辆上电子车牌返回的至少两个反射信号;
定位单元,用于根据所述至少两个反射信号与对应的所述发射信号的相位差计算所述电子车牌的位置坐标。
优选地,所述定位单元包括:
相位测量模块,用于获取每个反射信号与相应发射信号的初次相位差;
减法计算模块,用于将两个初次相位差相减,以获取二次相位差;
距离计算模块,用于根据所述二次相位差计算所述电子车牌与所述电子车牌读写器的距离;
位置计算模块,用于根据所计算的距离计算所述电子车牌的位置坐标。
优选地,所述距离计算模块,用于根据以下公式计算所述电子车牌与所述电子车牌读写器的距离:
优选地,还包括解调解码单元,而且,
所述解调解码单元,用于对每个反射信号进行解调解码,以获取标签信息,所述标签信息包括时间信息;
所述控制处理单元,还用于将所述车辆的位置坐标与所述时间信息进行关联,且根据预设时段内所述车辆的位置坐标与时间信息,计算所述车辆的速度。
优选地,所述发射链路单元包括:PLL、滤波器、驱动放大器、数控衰减器、功放、隔离器、第一耦合器,其中,所述PLL的输入端连接所述控制处理单元,所述PLL的输出端依次通过所述滤波器、所述驱动放大器、所述数控衰减器、所述功放、所述隔离器、所述第一耦合器连接对消电路的输入端。
优选地,所述接收链路单元包括:
对消控制电路,用于根据所述反射信号生成调整信号;
对消电路,用于从发射通道耦合部分发射信号,并根据所述对消控制电路输出的调整信号对所耦合的发射信号进行幅度和相位的调整,以生成抵消信号,且使用所述抵消信号对接收通道中的载漏信号进行对消处理;
中频处理电路,用于对进行对消处理后的反射信号进行中频处理。
优选地,所述对消电路包括:合路器、矢量调制器、低噪放大器、正交混频器,其中,所述矢量调制器的输入端连接所述第一耦合器,所述矢量调制器的输出端连接所述合路器的第一输入端,所述合路器的第二输入端接入反射信号,所述合路器的输出端通过所述低噪放大器连接所述正交混频器的第一输入端,所述正交混频器的第二输入端连接所述第一耦合器,所述正交混频器输出中频同向信号和中频正交信号。
优选地,所述中频处理电路包括:IF滤波电路、IF放大电路、第一ADC驱动芯片和第一AD芯片,其中,所述IF滤波电路的输入端接入所述中频同向信号和中频正交信号,所述IF滤波电路的输出端依次通过所述IF放大电路、所述第一ADC驱动芯片和所述第一AD芯片连接所述解调解码单元的输入端。
优选地,所述对消控制电路包括第二ADC驱动芯片、第二AD芯片、DAC驱动芯片和DA芯片,其中,所述第二ADC驱动芯片的输入端接入所述中频同向信号和中频正交信号,所述第二ADC驱动芯片的输出端通过所述第二AD芯片连接所述相位测量模块的输入端,所述DA芯片的输入端连接所述所述控制处理单元的输出端,所述DA芯片的输出端连接所述DAC驱动芯片的输入端,所述DAC驱动芯片的输出端输出所述调整信号。
优选地,所述相位测量模块包括:
积分器,用于对所述正交混频器输出的中频同向信号和中频正交信号进行积分;
鉴相器,用于将积分器的输出结果送入鉴相器,以获取初次相位差。
实施本发明的技术方案,电子车牌读写器的接收链路单元在接收到电子车牌对不同频率的发射信号所反射的信号后,其定位单元可根据反射信号计算出电子车牌的位置坐标。在实际应用中,可由多点位置来追踪车辆的运行轨迹,对交通稽查、车辆追踪等提供更精确的匹配手段,可以大力扩展电子车牌读写器在智能交通方面的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中:
图1是本发明电子车牌读写器实施例一的逻辑结构图;
图2是本发明电子车牌读写器实施例二的逻辑结构图;
图3是图2中对消电路实施例一的逻辑结构图;
图4是图2中中频处理电路与对消控制电路实施例一的逻辑结构图;
图5是相位测量模块实施例一的逻辑结构图;
图6是本发明电子车牌读写器实施例三的部分逻辑结构图。
具体实施方式
图1是本发明电子车牌读写器实施例一的逻辑结构图,该实施例的电子车牌读写器包括控制处理单元10、发射链路单元20、接收链路单元30、天线单元40及定位单元50,其中,控制处理单元10用于通过发射链路单元20及天线单元40发送不同频率的至少两个发射信号,及通过天线单元40及接收链路单元30接收车辆上电子车牌返回的至少两个反射信号;定位单元50用于根据所述至少两个反射信号与对应的所述发射信号的相位差计算所述电子车牌的位置坐标。在此需说明的是,图中虽未示出控制处理单元10与接收链路单元30的连接关系,应理解,控制处理单元10可对接收链路单元30进行控制,且可从接收链路单元30接收车辆上电子车牌返回的反射信号。在实际应用中,还可由多点位置来追踪车辆的运行轨迹,对交通稽查、车辆追踪等提供更精确的匹配手段,可以大力扩展电子车牌读写器在智能交通方面的应用。
进一步地,本发明的电子车牌读写器还包括解调解码单元,而且,解调解码单元用于对每个反射信号进行解调解码,以获取标签信息,该标签信息包括时间信息;控制处理单元还用于将车辆的位置坐标与时间信息进行关联,且根据预设时段内车辆的位置坐标与时间信息,计算所述车辆的速度。
图2是本发明电子车牌读写器实施例二的逻辑结构图,该实施例的电子车牌读写器包括控制处理单元、发射链路单元、天线单元40、接收链路单元、定位单元和解调解码单元。而且,控制处理单元、定位单元和解调解码单元集成为FPGA10。天线单元40包括两个振元41、42,且接收链路单元包括分别与振元41、42一一对应的两个接收通道,对于同一个发射信号,两个振元可分别接收到该发射信号所对应的反射信号,根据这两个反射信号可对电子车牌进行一维方向上的定位。当然,在其它实施例中,若需要对电子车牌进行二维方向上的定位,可设置至少三个天线振元,优选为四个,而且,在接收链路单元中设置分别与每个振元一一对应的至少三个接收通道。
在该实施例中,发射链路单元包括PLL21、滤波器22、驱动放大器23、数控衰减器24、功放25、隔离器26和第一耦合器27,其中,PLL21的输入端连接FPGA10,PLL21的输出端依次通过滤波器22、驱动放大器23、数控衰减器24、功放25、隔离器26、第一耦合器27连接对消电路32的输入端。
在该实施例中,接收链路单元包括设置在每个接收通道中的对消控制电路、对消电路及中频处理电路,下面仅以与振元41对应的接收通道为例进行说明:在该接收通道中,对消控制电路31用于根据反射信号生成调整信号;对消电路32用于从发射通道耦合部分发射信号,并根据对消控制电路31输出的调整信号对所耦合的发射信号进行幅度和相位的调整,以生成抵消信号,且使用抵消信号对接收通道中的载漏信号进行对消处理;中频处理电路33用于对进行对消处理后的反射信号进行中频处理。
关于对消电路32,结合图3,其可具体包括:合路器321、矢量调制器322、低噪放大器323和正交混频器324。另外需说明的是,该电子车牌读写器还包括第二耦合器60和切换开关70,对消电路32中还包括有发射功率检测器325、泄露功率检测器326和抵消信号检测器327。在该实施例中,矢量调制器322的输入端连接第一耦合器27,矢量调制器322的输出端连接合路器321的第一输入端,合路器321的第二输入端通过第二耦合器60接入反射信号,合路器321的输出端通过低噪放大器323连接正交混频器324的第一输入端,正交混频器324的第二输入端连接第一耦合器27,正交混频器324输出中频同向信号和中频正交信号。
对于中频处理电路33,结合图4,其可具体包括:IF滤波电路331、IF放大电路332、第一ADC驱动芯片333和第一AD芯片334。其中,IF滤波电路331的输入端接入中频同向信号和中频正交信号,IF滤波电路331的输出端依次通过IF放大电路332、第一ADC驱动芯片333和第一AD芯片334连接FPGA10的一输入端,以使FPGA10对该输入端输入的信号进行解调解码。
对于对消控制电路31,结合图4,其可具体包括:第二ADC驱动芯片311、第二AD芯片312、DAC驱动芯片313和DA芯片314。其中,第二ADC驱动芯片311的输入端接入中频同向信号和中频正交信号,第二ADC驱动芯片311的输出端通过第二AD芯片312连接FPGA10的另一输入端,以使FPGA10对该输入端输入的信号进行相位测量。DA芯片314的输入端连接FPGA10的输出端,DA芯片314的输出端连接DAC驱动芯片313的输入端,DAC驱动芯片313的输出端输出调整信号,并送入矢量调整器322的控制端。
下面说明电子车牌读写器进行信号收发的过程:在发射通道中,由FPGA10输出正交基带信号,输入到带I/Q调制的PLL21进行调制,PLL21输出所需的工作频率,经由滤波器22进行滤波,再通过驱动放大器23放大,之后通过数控衰减器24调整合适的输出功率,然后通过功放25进行信号放大,再经过可以保护不被前端过大反射信号损伤的隔离器26,再输送到第一耦合器27中,分别进入到两个对消电路32中,通过天线振元41、42辐射出去在空中进行信号的合成和叠加。电子车牌返回的反射信号分别通过两个天线阵元41、42进入到两个对消电路32,通过中频处理电路33,进入到FPGA10进行处理,FPGA10分别通过对两个对消电路32完成接收端载漏的对消,然后,对处理后的反射信号进行解调解码及位置计算。
进一步地,定位单元50在基于信号到达时间算法进行定位时,需首先通过测量反射信号与发射信号的相对相位并进行比较或运算来进行测距,目前,所使用的单频连续波的相位法测距原理如下:
假设电子车牌读写器发送频率为f0的载波:
该信号被标签接收调制并反射至读写器为:
其中,表示标签的ASK调制因子;K1是返回信号与原信号相比的增益,其值一般远小于1,并受标签距读写器距离影响;2R/c=2πf0 2R/c是信号在传播过程中由于时间延迟引起的相位差,此相位差中包含信号到达时间信息2R/c,由此时间信息即可通过计算标签的距离
由上可知,在相位测量中存在以2π为周期的模糊,即,当时,R=λ/2,实际距离一旦超出这个值,计算所得的距离就是不准确的,即通常所说的“模糊距离”。且载波频率越高,到达模糊范围的距离越小,只有在不超过2π的相位差才是不模糊的,因而R=λ/2为最大无模糊距离。在智能交通领域,电子车牌读写器的工作频段范围为920~925MHz,当电子车牌的车辆与电子车牌读写器的距离大于16.3cm时,所计算出的距离是错误的,进而导致所计算出的车辆位置也是不准确的。因此,模糊距离的问题极大地限制了智能交通领域中定位的应用。
为解决因模糊距离的问题而导致的定位不准确的缺陷,本发明提出了一种双频比相测距的技术方案,即,采用发射多频信号来增大最大无模糊距离,下面说明该双频比相测距的原理:由于连续发射两个频率相差很小的连续高频载波,所以对于每一个高频载波都很容易达到模糊范围。但是,如果对两个高频载波的相位差再做减法,得到二次相位差,相对应的“载波”就是两个频率的差,这样就可以极大地扩大模糊距离的长度。假设两个发射信号的频率分别为f1、f2,且两频率差为△f,这两个发射信号x1T(t)、x2T(t)分别为:
而且,所接收的两个反射信号u1R(t)、u2R(t)分别为:
式中,是两个发射信号的初始相位,目标距离为R、径向速度为vr,多普勒频率fd1=2vr/λ1,fd2=2vr/λ2。由于f2=f1+△f,△f<<f1,则fd1≈fd2=fd。接收机将两个回波信号分别与各自对应的发射波形进行比较,取出两个多普勒频率成分为:
u1D(t)=cos[2πfdt–(4πf1R)/c]
u2D(t)=cos[2πfdt–(4πf2R)/c]
目标距离为:
Rmax=c/(2△f)
基于此,在本发明的一个可选实施例中,定位单元50包括相位测量模块、减法计算模块、距离计算模块和位置计算模块。而且,相位测量模块用于获取每个反射信号与相应发射信号的初次相位差;减法计算模块用于将两个初次相位差相减,以获取二次相位差;距离计算模块用于根据所述二次相位差计算所述电子车牌与所述电子车牌读写器的距离;位置计算模块用于根据所计算的距离计算所述电子车牌的位置坐标。
具体地,减法计算模块用于根据公式1计算二次相位差:
距离计算模块用于根据公式2计算所述电子车牌与电子车牌读写器的距离:
其中,R为电子车牌与电子车牌读写器的距离,f1为第一发射信号的频率,f2为第二发射信号的频率。
对于电子车牌读写器,其频段一般为920~925MHz。在一个具体例子中,控制发射链路单元20在一段时间内间隔发射频率分别为920MHz及925MHz的连续载波信号,这样,接收链路单元30就可接收到这两个频率的连续载波信号。然后,将920MHz发射信号所对应的反射信号经过处理,可得到一个初次相位差,并将其暂存于存储器,同样地,将925MHz发射信号所对应的反射信号经过处理,得到另一个初次相位差,且将其暂存于存储器。最后,将两个初始相位差相减得到二次相位差,最后再根据改二次相位差计算电子车牌的位置。在该实施例中,由于选取最低频率920.125MHz以及最高频率924.875MHz作为双频频率,则最大不模糊距离可达到31.6米,一般的电子车牌读写器要求稳定工作范围在15m以内,因此可完全避免模糊问题。
在获取了电子车牌与电子车牌读写器之间的距离后,位置计算模块在计算电子车牌的位置坐标时,可采用以下方式进行计算:在一个例子中,根据所计算的距离及电子车牌与电子车牌读写器之间的水平入射角进行计算位置坐标,例如结合图6,先通过超高分辨率算法(MUSIC算法)或干涉仪等较成熟的DOA算法求取电子车牌与电子车牌读写器之间的水平入射角θ,从而根据距离与入射角对电子车牌进行高精度的实时定位。在另一个例子中,在天线单元为天线阵列时,当电子车牌对某一发射信号进行反射后,可被多个天线阵元同时接收到,然后根据不同天线阵元所对应的到达时间或到达时间差进行位置坐标的计算。
图5是相位测量模块实施例一的逻辑结构图,该相位测量模块包括积分器和鉴相器,其中,积分器用于对正交混频器324输出的中频同向信号和中频正交信号进行积分;鉴相器用于将积分器的输出结果送入鉴相器,以获取初次相位差。例如,可通过Cordic算法进行鉴相。结合图5,两路收/发支路对电子车牌每次返回的反射信号在进行正交混频后,由积分器进行处理,然后再通过Cordic算法的鉴相器进行鉴相,以获取两个反射信号分别所对应的初次相位差
最后需说明的是,在上述实施例中,对于至少两个发射信号和至少两个反射信号,其可通过同一天线阵元发射或接收,也可通过由至少两个天线阵元构成的天线阵列发射或接收,或者,通过双阵列天线接收车辆上电子车牌返回的同一个反射信号。例如,结合图6,天线阵列由三个天线阵元41、42、43构成,且天线阵元的间距d12、d13小于或等于半波长,每个天线阵元均发射或接收一固定频率的信号。当天线阵元接收到反射信号后,该反射信号经对相应的对消电路和相应的相位测量模块处理后,可得到该反射信号与相应发射信号的初次相位差,然后,再将天线阵元41所对应的初次相位差与天线阵元42所对应的初次相位差相减后得到一个二次相位差同样地,将天线阵元41所对应的初次相位差与天线阵元43所对应的初次相位差相减后得到另一个二次相位差根据二次相位差可计算出电子车牌与电子车牌读写器之间的当前距离,根据二次相位差也可计算出电子车牌与电子车牌读写器之间的当前距离,对两次所计算的距离值进行融合计算,可使得所计算的当前距离值的精度更高。
另外,控制处理单元10在控制发送不同频率的至少两个发射信号时,可按一定间隔交替发射不同频率的多个发射信号,也可按其它的发送规则进行发送。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何纂改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (9)
1.一种电子车牌读写器,包括:天线单元、发射链路单元、接收链路单元,其特征在于,所述电子车牌读写器还包括:
控制处理单元,用于通过所述发射链路单元及所述天线单元发送不同频率的至少两个发射信号,及通过所述天线单元及所述接收链路单元接收车辆上电子车牌返回的至少两个反射信号;
定位单元,用于根据所述至少两个反射信号与对应的所述发射信号的相位差计算所述电子车牌的位置坐标;
其中,所述定位单元包括:
相位测量模块,用于获取每个反射信号与相应发射信号的初次相位差;
减法计算模块,用于将两个初次相位差相减,以获取二次相位差;
距离计算模块,用于根据所述二次相位差计算所述电子车牌与所述电子车牌读写器的距离;
位置计算模块,用于根据所计算的距离计算所述电子车牌的位置坐标。
3.根据权利要求1所述的电子车牌读写器,其特征在于,还包括解调解码单元,而且,
所述解调解码单元,用于对每个反射信号进行解调解码,以获取标签信息,所述标签信息包括时间信息;
所述控制处理单元,还用于将所述车辆的位置坐标与所述时间信息进行关联,且根据预设时段内所述车辆的位置坐标与时间信息,计算所述车辆的速度。
4.根据权利要求3所述的电子车牌读写器,其特征在于,所述发射链路单元包括:PLL、滤波器、驱动放大器、数控衰减器、功放、隔离器、第一耦合器,其中,所述PLL的输入端连接所述控制处理单元,所述PLL的输出端依次通过所述滤波器、所述驱动放大器、所述数控衰减器、所述功放、所述隔离器、所述第一耦合器连接对消电路的输入端。
5.根据权利要求4所述的电子车牌读写器,其特征在于,所述接收链路单元包括:
对消控制电路,用于根据所述反射信号生成调整信号;
对消电路,用于从发射通道耦合部分发射信号,并根据所述对消控制电路输出的调整信号对所耦合的发射信号进行幅度和相位的调整,以生成抵消信号,且使用所述抵消信号对接收通道中的载漏信号进行对消处理;
中频处理电路,用于对进行对消处理后的反射信号进行中频处理。
6.根据权利要求5所述的电子车牌读写器,其特征在于,所述对消电路包括:合路器、矢量调制器、低噪放大器、正交混频器,其中,所述矢量调制器的输入端连接所述第一耦合器,所述矢量调制器的输出端连接所述合路器的第一输入端,所述合路器的第二输入端接入反射信号,所述合路器的输出端通过所述低噪放大器连接所述正交混频器的第一输入端,所述正交混频器的第二输入端连接所述第一耦合器,所述正交混频器输出中频同向信号和中频正交信号。
7.根据权利要求6所述的电子车牌读写器,其特征在于,所述中频处理电路包括:IF滤波电路、IF放大电路、第一ADC驱动芯片和第一AD芯片,其中,所述IF滤波电路的输入端接入所述中频同向信号和中频正交信号,所述IF滤波电路的输出端依次通过所述IF放大电路、所述第一ADC驱动芯片和所述第一AD芯片连接所述解调解码单元的输入端。
8.根据权利要求7所述的电子车牌读写器,其特征在于,所述对消控制电路包括第二ADC驱动芯片、第二AD芯片、DAC驱动芯片和DA芯片,其中,所述第二ADC驱动芯片的输入端接入所述中频同向信号和中频正交信号,所述第二ADC驱动芯片的输出端通过所述第二AD芯片连接所述相位测量模块的输入端,所述DA芯片的输入端连接所述所述控制处理单元的输出端,所述DA芯片的输出端连接所述DAC驱动芯片的输入端,所述DAC驱动芯片的输出端输出所述调整信号。
9.根据权利要求6所述的电子车牌读写器,其特征在于,所述相位测量模块包括:
积分器,用于对所述正交混频器输出的中频同向信号和中频正交信号进行积分;
鉴相器,用于将积分器的输出结果送入鉴相器,以获取初次相位差。
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