CN111640306B - 面向交通违章识别的自适应射频探测及定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向交通违章识别的自适应射频探测及定位系统及方法，其中自适应射频探测及定位系统包括：由天线和放大器组合成的N路射频信号采集单元，用于采集N路天线获取的移动端的N路信号；信号合并单元，将采集的N路信号进行合并；模数转换单元，用于将采集的N路信号和合并的N路信号转换成数字信号；数字信号处理单元，接入所述模数转换单元输出的数字信号，并根据所述数字信号对移动端进行探测和定位。本发明的优势在于，能够充分复用天线阵列，在不同距离上实现自适应探测或定位的功能，系统开发成本低，算法复杂度低，融合了探测及定位信息的交通违章识别系统具有更低的虚警概率和漏警概率。

Description

面向交通违章识别的自适应射频探测及定位系统及方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体是一种面向交通违章识别的自适应射频探测及定位系统及方法。
背景技术
机动车违章识别是困扰交通管理部门的一大难题。传统的违章识别主要依赖摄像头。但是基于摄像头的违章检测系统对于电瓶车、自行车等小型交通工具的违章行为难以做到精准识别，这主要是由于小型交通工具数量繁多，种类复杂，轨迹相对混乱，且没有醒目的车牌等标志性身份特征。现有的射频识别系统虽然能够检测小型交通工具是否在特定范围，但是其射频天线通常孤立存在，难以探测远距离的目标；此外，现有的射频识别系统不提供轨迹信息，因此在发生交通违章案件时难以取证，因此不宜直接应用于小型交通工具的违章识别。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是目标探测和定位一体化的软硬件设计，解决小型交通工具违章行为识别难，轨迹取证难的问题。提供了一种基于天线阵列的自适应射频探测及定位系统。当移动端距离较远时，N路射频信号通道通过信号合并器生成一路高信噪比通道，用来增强信号强度，以达到距离较远移动端目标识别；当移动端距离较近时，天线阵列向数字信号处理单元输出每一根天线上的信号强度。数字信号处理单元根据多个天线上的信号强度值和天线的坐标，列出定位方程，通过算法计算移动端坐标，绘制其移动轨迹。与现有的射频识别系统相比，本方法能够通过分集系统获得更远的探测距离，对于近距离目标能够提供其轨迹信息，且通过复用天线阵列降低了实现成本。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种面向交通违章识别的自适应射频探测及定位系统，其特征在于，包括：
由天线和放大器组合成的N路射频信号采集单元，用于采集N路天线获取的移动端的N路信号；
信号合并单元，将采集的N路信号进行合并；
模数转换单元，用于将采集的N路信号和合并的N路信号转换成数字信号；
数字信号处理单元，接入所述模数转换单元输出的数字信号，并根据所述数字信号对移动端进行探测和定位。
所述数字信号处理单元根据所述数字信号对移动端进行探测和定位的方法是：
判断移动端是否在探测范围内；
对在探测范围内的移动端进行运动轨迹计算。
判断移动端是否在探测范围内的方法是：数字信号处理单元判断AD转换器的输出是否达到信号强度阈值；如果信号强度未达到阈值，则判断当前基站旁无移动端；如果达到了阈值，则判断当前基站旁有移动端，并对其进行轨迹识别。
所述信号强度阈值包括低阈值和高阈值，低阈值用于判断当前其基站是否有移动端；高阈值用于判断是否识别在基站范围内的移动端，当信号强度满足高阈值，则进行移动端的轨迹识别。
所述数字信号处理单元通过计算移动端的坐标进行轨迹识别，移动端的坐标通过如下定位方程组计算：
Figure BDA0002557288000000021
其中，(xk,yk)为第k个天线的坐标，(xu,yu)为移动端的坐标，Pk为第k个天线的信号功率，Pk为第k个天线的信号功率。
一种自适应射频探测及定位方法，包括以下步骤：
(1)将天线和放大器组合成N路射频信号通道，并通过模数(AD)转换器输入至数字信号处理单元；N路射频信号通道通过信号合并器生成一路高信噪比通道，并通过AD转换器输入至数字信号处理单元。
(2)如果移动端的标签是有源的，即持续发送射频身份信息的，则数字信号处理单元判断AD转换器的输出是否达到信号强度低阈值；如果移动端的标签是无源的，则基站端发送一个射频信号，由无源标签对其进行响应，将信号反馈给基站端，然后数字信号处理单元判断AD转换器的输出是否达到信号强度低阈值。
(3)如果信号强度未达到低阈值，则判断当前基站旁无移动端，数字信号处理单元将对应的信息进行编码输出，例如输出0。如果达到了低阈值，则判断当前基站旁有移动端，数字信号处理单元将对应的信息进行编码输出，例如输出1，并对移动端的身份码进行识别，然后进入步骤(4)。
(4)数字信号处理单元判断AD转换器的输出是否达到信号强度高阈值。如果未达到高阈值，则不做任何操作；如果达到了信号强度高阈值，则通过定位方程组计算移动端在不同时刻的坐标，并将移动端的坐标进行输出，进而绘制其轨迹。
(5)定位方程组具有如下形式
Figure BDA0002557288000000031
其中(xk,yk)为第k个天线的坐标，(xu,yu)为移动端的坐标，Pk为第k个天线的信号功率。此处利用了接收功率随距离变化的公式
Figure BDA0002557288000000032
其中a为常数。算法已知Pk,/>
Figure BDA0002557288000000033
和(xk,yk),/>
Figure BDA0002557288000000034
并通过将上述方程组两两联立消去二次项化为线性方程组，并求解(xu,yu)。例如，/>
Figure BDA0002557288000000035
时可得如下方程组/>
Figure BDA0002557288000000041
通过最小二乘法或其他现有方法求解上述线性方程组即可得到移动端坐标(xu,yu)。
有益效果：
本发明通过复用一组射频天线阵列，实现了目标的远距离时的探测，以及近距离时的轨迹估计。与现有的射频识别系统相比，本方法能够通过分集系统获得更远的探测距离，对于近距离目标能够提供其轨迹信息，且通过复用天线阵列降低了实现成本。
附图说明
图1为应用场景。
图2为系统框图。
具体实施方式
本发明面向交通违章识别的自适应射频探测及定位系统模块连接如图2所示，包括N路射频信号采集单元、信号合并单元、模数转换单元以及数字信号处理单元。
其中，N路射频信号采集单元由N个天线和N个放大器组合成的，用于采集N路天线获取的移动端的N路信号。
信号合并单元将采集的N路信号进行合并。
模数转换单元用于将采集的N路信号和合并的N路信号转换成数字信号。
数字信号处理单元接入所述模数转换单元输出的数字信号，并根据所述数字信号对移动端进行探测和定位。
本发明面向交通违章识别的自适应射频探测及定位方法，步骤包括：
(1)将天线和放大器组合成N路射频信号通道，并通过AD转换器输入至数字信号处理单元；N路射频信号通道通过信号合并器生成一路高信噪比通道，并通过AD转换器输入至数字信号处理单元。数字信号处理单元可为FPGA，单片机，DSP或其他可进行数字运算的芯片。
(2)如果移动端的标签是有源的，即持续发送射频身份信息的，则数字信号处理单元判断AD转换器的输出是否达到信号强度低阈值；例如，二进制信号强度低阈值为00001111b，信号合并器后的AD转换器输出为00010000b时则判断信号强度高于低阈值。如果移动端的标签是无源的，则基站端发送一个射频信号，由无源标签对其进行响应。这种响应方式可为反射、能量转换后重新调制。无源标签将移动端的身份信息发送给基站，然后数字信号处理单元判断AD转换器的输出是否达到信号强度低阈值。
(3)如果基站的接收信号强度未达到低阈值，则判断当前基站旁无移动端，数字信号处理单元将对应的信息进行编码输出，例如输出0代表基站旁无移动端，输出1则代表基站旁有移动端。如果达到了低阈值，则判断当前基站旁有移动端，数字信号处理单元将对应的信息进行编码输出，并对移动端的身份码进行识别，然后进入步骤(4)。
(4)数字信号处理单元判断AD转换器的输出是否达到信号强度高阈值，例如高阈值为00111111b。如果未达到高阈值，例如信号合并器后的AD输出为00111110b，则信号处理单元不做任何操作，或输出无法定位的编码信息；如果达到了信号强度的高阈值，则通过定位方程组计算移动端在不同时刻的坐标，并将移动端的坐标进行输出，进而绘制其轨迹。
(5)定位方程组具有如下形式
Figure BDA0002557288000000061
其中，(xk,yk)为第k个天线的坐标，(xu,yu)为移动端的坐标，Pk为第k个天线的信号功率。此处利用了接收功率随距离变化的公式
Figure BDA0002557288000000062
其中a为常数。算法已知Pk,/>
Figure BDA0002557288000000063
和(xk,yk),/>
Figure BDA0002557288000000064
并通过将上述方程组两两联立消去二次项化为线性方程组，并求解(xu,yu)。例如，/>
Figure BDA0002557288000000065
时可得如下方程组/>
Figure BDA0002557288000000066
通过最小二乘法，克莱姆法则求解上述线性方程组，得到移动端坐标(xu,yu)。通过将不同时刻的移动端坐标连接起来，可以得到移动端的完整轨迹。

Claims (2)

1.一种面向交通违章识别的自适应射频探测及定位系统，其特征在于，包括：
由天线和放大器组合成的N路射频信号采集单元，用于采集N路天线获取的移动端的N路信号；
信号合并单元，将采集的N路信号进行合并；
模数转换单元，用于将采集的N路信号和合并的N路信号转换成数字信号；
数字信号处理单元，接入所述模数转换单元输出的数字信号，并根据所述数字信号对移动端进行探测和定位；
判断移动端是否在探测范围内的方法是：数字信号处理单元判断AD转换器的输出是否达到信号强度阈值；如果信号强度未达到阈值，则判断当前基站旁无移动端；如果达到了阈值，则判断当前基站旁有移动端，并对其进行轨迹识别；
所述信号强度阈值包括低阈值和高阈值，低阈值用于判断当前其基站是否有移动端；高阈值用于判断是否识别在基站范围内的移动端，当信号强度满足高阈值，则进行移动端的轨迹识别；
所述数字信号处理单元根据所述数字信号对移动端进行探测和定位的方法是：
判断移动端是否在探测范围内；
对在探测范围内的移动端进行运动轨迹计算；
所述数字信号处理单元通过计算移动端的坐标进行轨迹识别，移动端的坐标通过如下定位方程组计算：
Figure QLYQS_1
其中，(xk,yk)为第k个天线的坐标，(xu,yu)为移动端的坐标，Pk为第k个天线的信号功率。
2.基于权利要求1所述自适应射频探测及定位系统的探测及定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将天线和放大器组合成N路射频信号通道，并通过模数转换器输入至数字信号处理单元；N路射频信号通道通过信号合并器生成一路高信噪比通道，并通过AD转换器输入至数字信号处理单元；
(2)数字信号处理单元判断AD转换器的输出是否达到信号强度低阈值；
(3)如果信号强度未达到低阈值，则判断当前基站旁无移动端；如果达到了低阈值，则判断当前基站旁有移动端，并对其进行识别，然后进入步骤(4)；
(4)数字信号处理单元判断AD转换器的输出是否达到信号强度高阈值；如果未达到高阈值，则不做任何操作；如果达到了信号强度高阈值，则通过定位方程组计算移动端的坐标，并将其输出。
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