CN115079176A - 一种联合交通雷达和4d毫米波雷达的道路车辆监测与高度预警系统 - Google Patents

Abstract

一种联合交通雷达和4D毫米波雷达的道路车辆监测与高度预警系统，包括雷达传感器探测组、高俯仰分辨率天线阵列单元、雷达布局架构单元、云端数据处理单元和道路预警装置单元；雷达传感器探测组包含交通雷达和4D毫米波雷达；高俯仰分辨率天线阵列单元安装在4D毫米波雷达上为其提供高俯仰分辨率；雷达布局架构单元将4D毫米波雷达安装在道路两侧，交通雷达安装在道路中央，使雷达传感器探测组能实现道路所有车辆信息探测；云端数据处理单元处理整合数据，获得并传输道路上所有车辆的唯一ID、速度、位置和高度信息，并对车辆实施高度判别；道路预警装置单元安装在道路上，接收警报指令，提供车辆超高预警，本发明能提供道路车辆的高度信息。

Description

一种联合交通雷达和4D毫米波雷达的道路车辆监测与高度预 警系统

技术领域

本发明属于雷达检测、雷达信号处理技术领域，特别涉及一种联合交通雷达和4D毫米波雷达的道路车辆监测与高度预警系统，用于提供车辆位置、速度和高度信息。

背景技术

基于道路车辆信息实现城市交通指挥是智慧交通系统重要应用之一。毫米波雷达因高带宽带来的高测距、测速精度、以及高环境鲁棒性带来的全天候工作等优点，被广泛应用于道路交通车辆信息的监测和获取。但是，尽管常用的交通雷达或交通监视传感器能够较为精确的获取车辆速度、距离信息，但缺少获取车辆高度信息的手段，这导致为智慧交通系统提供的道路车辆信息并不完整。尤其在限高路段，交通传感器高度信息感知和道路预警的缺失，致使超高车辆的驶入导致发生交通阻塞、车辆侧翻、坠物抛洒等交通安全事故，这不仅给驾驶员带来生命危险也阻碍了智慧交通系统的发展应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种联合交通雷达和4D毫米波雷达的道路车辆监测与高度预警系统，以期在弥补传统雷达系统在获取目标信息时存在的高度信息缺失同时为限高路段提供车辆超高预警。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种联合交通雷达和4D毫米波雷达的道路车辆监测与高度预警系统，包括：

雷达传感器探测组，包含若干交通雷达和若干4D毫米波雷达，用于获取道路所有车辆的速度、位置以及高度信息；

高俯仰分辨率天线阵列单元，安装在所述4D毫米波雷达上，结合MIMO发射模式形成高俯仰合成孔径，为4D毫米波雷达系统提供高俯仰分辨率；

雷达布局架构单元，包括用于安装4D毫米波雷达的道路两侧部分和用于安装交通雷达的道路中央部分，其布局使得交通雷达和4D毫米波雷达结合能够实现道路所有车辆的信息探测；

云端数据处理单元，用于接收交通雷达和4D毫米波雷达探测的数据，通过对数据进行处理和整合，获得并传输道路上所有车辆的唯一ID、速度、位置和高度信息，并对车辆实施高度判别；

道路预警装置单元，安装在道路上，接收警报指令，提供车辆超高预警。

在一个实施例中，所述交通雷达用于获取车辆与交通雷达之间的距离、精确速度、ID信息；所述4D毫米波雷达用于获取车辆的高度、粗速度和与4D毫米波雷达的相对距离；所述4D毫米波雷达包括：

天线单元，采用阵列天线，发射电磁波，并接收车辆回波信号；

基带处理单元，用于将所述车辆回波信号由模拟信号转换为数字信号；

信号处理单元，利用2维快速傅里叶变换，即距离维快速傅里叶变换和速度维快速傅里叶变换，从所述数字信号中提取车辆的高度、粗速度和相对距离信息。

在一个实施例中，所述高俯仰分辨率天线阵列单元，包括：

天线阵列单元，由12个发射天线和16个接收天线组成，天线阵列以俯仰维3°、方向维2.5°宽波束扫描方式向外发射电磁波并接收车辆的反射信号；

天线阵列控制单元，控制天线阵列单元中发射天线的发射模式，获得高俯仰角度分辨率，即俯仰维3°，从而获得车辆的精确高度信息。

在一个实施例中，所述天线阵列单元中，发射天线按照方向维间距4λ，俯仰维间距8λ进行排布，接收天线按照方向维间距λ/2，俯仰维间距λ/2进行排布。雷达采用MIMO发射模式，形成12×16的虚拟天线阵列。

在一个实施例中，所述雷达布局架构单元中，道路两侧部分为分布在道路两侧的多组竖杆，每组竖杆有两个，关于道路对称设置，每两个4D毫米波雷达为一组，分别安装在每组的两个竖杆上，且波束方向与道路上的车辆行驶方向垂直，所述4D毫米波雷达在道路上沿车辆行驶方向的间距使得能够覆盖整个车道路段；所述道路中央部分为设置于道路上空且垂直于车辆行驶方向的横杆，交通雷达安装在横杆上，波束方向与道路上的车辆行驶方向平行。

在一个实施例中，所述云端数据处理单元，包括：

数据接收单元，用于接收所有的雷达数据；

坐标转换与匹配单元，将从交通雷达获取到的车辆距离、精确速度信息和从4D毫米波雷达获取到的车辆高度、粗速度和相对距离信息转换至统一坐标系下，并根据交通雷达和4D毫米波雷达获取到的车辆信息(4D毫米波雷达在跟踪车辆时会给自动给车辆编号)对车辆进行匹配，最终实现车辆ID、车辆速度、车辆位置和车辆高度信息的统一；

警报决策单元，根据限高装置的先验信息，判断道路车辆高度并给出警报指令；

数据输出单元：将包含车辆ID、车辆速度、车辆位置和车辆高度的信息输出给交通管理部门，为交通管理部门提供更完整的道路车辆信息，并向外发出警报指令。

在一个实施例中，所述坐标转换与匹配单元，对雷达数据的帧频率和帧时间戳进行匹配，将不同坐标系下的雷达数据转换至统一坐标系中，实现车辆速度、距离以及高度信息的统一。

在一个实施例中，所述道路预警装置单元，包括：

接收指令单元，用于接收云端处理单元给出的警报指令，指导道路预警装置发出高度报警信号；

执行单元，根据接收到的指令完成相应的指示操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明采用了4D毫米波雷达作为测高装置，具有高精度的俯仰分辨率，从而实现目标速度、距离、高度信息获取。

2)本发明提出了一种雷达布局架构，有效降低了系统成本，保证系统在不添加其他传感器与额外安装平台的情况下，实现对道路上车辆信息的全面探测。

3)本发明解决了传统探测方式只能获取车辆速度和距离信息的不足，可以精确地获取到车辆高度信息，以便辅助城市交通状况的治理。

4)本发明具有预警服务功能，当发现道路上有超高的车辆时，道路预警装置会发出预警，提醒驾驶员车辆已超高，需要绕道行驶。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图。

图2是本发明的系统应用示意图。

图3是本发明系统中的雷达传感器探测组功能框图。

图4是本发明系统中高俯仰分辨率天线阵列单元示意图。

图5是本发明系统中的雷达布局架构单元示意图。

图6是本发明系统中的云端数据处理单元结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

为解决目前智慧交通系统尚未考虑车辆限高以及尚无有效手段监测车辆高度的问题，本发明提供了一种联合交通雷达和4D毫米波雷达的道路车辆监测与高度预警系统，通过设计高俯仰分辨率天线阵列保证4D毫米波雷达具有较高的角度分辨率，从而使其具有探测目标尺寸能力，尤其是目标高度；通过设计雷达布局架构，将4D毫米波雷达按照特定布局对称安装在道路两侧，联合交通雷达，可以实现对道路状况的全面监视；通过云端数据处理单元对探测到的数据进行处理，得到车辆的唯一ID、车辆位置、速度、高度和方向信息，使交通监管部门掌握更加全面的道路车辆信息，特别地，警报决策单元可以对车辆高度进行判决并给出报警信息。此外，警报系统接收到警报指令后能够对超高车辆实施预警，有效预防违规车辆驶入，避免事故发生，进一步辅助城市交通治理。

具体地，参照图1，本发明的联合交通雷达与4D毫米波雷达的道路车辆监测与高度预警系统主要包括雷达传感器探测组、高俯仰分辨率天线阵列单元、雷达布局架构单元、云端数据处理单元与道路预警装置单元。雷达传感器探测组用于获取目标(即道路中的车辆)速度、位置以及高度信息，其包含若干交通雷达和若干4D毫米波雷达。其中，高俯仰分辨率天线阵列单元安装在4D毫米波雷达上，受天线控制单元控制，结合MIMO发射模式形成高俯仰合成孔径，为4D毫米波雷达系统提供高俯仰分辨率。本发明系统采用了一种雷达布局架构单元，将4D毫米波雷达以特定的布局进行安装，联合交通雷达，组合探测车辆信息，示例地，其包括道路两侧部分和道路中央部分，其中，4D毫米波雷达安装于道路两侧部分，交通雷达安装于道路中央部分。其布局使得交通雷达和4D毫米波雷达结合能够实现道路所有车辆的信息探测。云端数据处理单元根据交通雷达和4D毫米波雷达探测的数据，对数据进行处理和整合，获得并传输道路上所有车辆的唯一ID、速度、位置和高度信息，对车辆实施高度判别。道路预警装置单元，安装在道路上，接收警报指令，通过图、文、声音、灯光等形式提供车辆超高预警。

参照图2，是本系统的应用示意图，本系统的雷达传感器以特定的布局安装在城市道路上，用于全面获取道路车辆速度、位置和高度信息。具体地，交通雷达可安装在路口处红绿灯灯架上，能够获取目标的ID信息、精确速度以及与交通雷达之间的距离(由此即得到目标的精确位置)。4D毫米波雷达对称安装在道路两侧护栏上，能够获取目标精确的高度、粗速度和与4D毫米波雷达的相对距离(由此即得到目标的精确位置)。本系统的云端数据处理单元接收所有雷达探测到的车辆信息数据，并做进一步的分析和处理；通过数据转化与匹配，实现车辆速度、车辆位置、车辆高度信息的统一；当发现道路上有车辆超高时，输出警报指令。本系统的道路预警装置可安装于限高路段的路口前方一段距离位置处，在接收到警报指令后会发出预警，提醒司机前方限高。

参照图3，本发明雷达传感器探测组中，交通雷达，用于获取目标的距离、精确速度、ID信息；4D毫米波雷达系统采用对称安装的4D毫米波雷达组，用于获取目标的高度、粗速度和相对距离信息。本发明的4D毫米波雷达包括天线单元、基带处理单元和信号处理单元。4D毫米波雷达接收到的电磁信号依次经过基带处理单元、信号处理单元后，得到目标的高度、粗速度和相对距离信息。具体地，天线单元可采用阵列天线形式，其发射电磁波，并接收车辆回波信号。基带处理单元将车辆回波信号由模拟信号转换为数字信号，并送入后端的信号处理单元，信号处理单元利用2维快速傅里叶变换，即距离维快速傅里叶变换和速度维快速傅里叶变换，对数字信号做进一步处理，可提取出其中包含的车辆粗速度、相对距离、角度以及高度等信息，最后将这些信息统一送到云端数据处理单元进行处理。

本发明高俯仰分辨率天线阵列单元包括天线阵列单元和天线阵列控制单元。其中，天线阵列单元由12个发射天线和16个接收天线组成，天线阵列以俯仰维2～3°、方向维2.5°宽波束扫描方式向外发射电磁波并接收车辆的反射信号。天线阵列控制单元控制天线阵列单元中发射天线的发射模式，获得高俯仰角度分辨率，即俯仰维2～3°，从而获得车辆的精确高度信息。

参照图4，本发明天线阵列单元中，发射天线按照方向维间距4λ，俯仰维间距8λ进行排布，接收天线按照方向维间距λ/2，俯仰维间距λ/2进行排布。雷达采用MIMO发射模式，形成12×16的虚拟天线阵列。

参照图5，本发明雷达布局架构单元中，道路中央部分为设置于道路上空且垂直于车辆行驶方向的横杆，交通雷达安装在横杆上，波束方向与道路上的车辆行驶方向平行，准确地探测车辆的速度和距离信息。道路两侧部分为分布在道路两侧的多组竖杆或者已有的道路两侧护栏，每组竖杆有两个，并可关于道路对称设置，每两个4D毫米波雷达为一组，对称安装在每组的两个竖杆上或者道路护栏两侧，波束方向与道路上的车辆行驶方向垂直。4D毫米波雷达在道路上沿车辆行驶方向的间距使得能够覆盖整个车道路段，示例地，以间距200米覆盖整个车道路段，以俯仰维2～3°、方向维2.5°宽波束扫描方式对车道路段进行探测，准确获取车辆的高度信息。交通雷达与4D毫米波雷达组合探测，获取车辆的速度、位置和高度信息。

参照图6，本发明云端数据处理单元包括：数据接收单元、坐标转换与匹配单元、警报决策单元以及数据输出单元。数据接收单元收集不同位置雷达所探测到的数据，交通雷达和4D毫米波雷达由于安装的位置不同，对于同一车辆不同雷达所探测的位置信息是不一样的。通过坐标转化与匹配单元，对雷达数据的帧频率和帧时间戳进行匹配，将两种坐标系下的数据(即从交通雷达获取到的车辆距离、精确速度信息和从4D毫米波雷达获取到的车辆高度、粗速度和相对距离信息)转换至统一坐标系下，雷达在跟踪目标时，会对目标进行编号，根据检测到的车辆信息对车辆进行匹配，最终实现车辆ID、车辆速度、车辆位置和车辆高度信息的统一。警报决策单元根据限高装置的先验信息，判断道路车辆高度并给出警报指令，如果车辆的高度没有超过道路限高，车辆正常行驶；如果有车辆的高度超过道路限高，此时系统会通过数据输出单元，将预警指令发送到道路上的预警装置，提醒驾驶员车辆已超高，需要提前绕道行驶。其中预警指令至少包括车辆信息(主要是车辆ID，例如车牌号)和指令内容，还可包括车辆速度、车辆位置和车辆高度。可选形式如：车牌号+“前方xx米处有限高，您的车辆已超高，请提前绕行”。此外，数据输出单元还会将道路上的车辆信息发送给交通管理部门，以便交通管理部门掌握更加全面的道路车辆信息，更好地辅助城市交通治理。

本发明道路预警装置单元，包括接收指令单元和执行单元，其中接收指令单元接收云端处理单元给出的警报指令，指导道路预警装置发出高度报警信号；执行单元据接收到的指令完成相应的指示操作。

Claims (8)

1.一种联合交通雷达和4D毫米波雷达的道路车辆监测与高度预警系统，其特征在于，包括：

雷达传感器探测组，包含若干交通雷达和若干4D毫米波雷达，用于获取道路所有车辆的速度、位置以及高度信息；

高俯仰分辨率天线阵列单元，安装在所述4D毫米波雷达上，结合MIMO发射模式形成高俯仰合成孔径，为4D毫米波雷达系统提供高俯仰分辨率；

雷达布局架构单元，包括用于安装4D毫米波雷达的道路两侧部分和用于安装交通雷达的道路中央部分，其布局使得交通雷达和4D毫米波雷达结合能够实现道路所有车辆的信息探测；

云端数据处理单元，用于接收交通雷达和4D毫米波雷达探测的数据，通过对数据进行处理和整合，获得并传输道路上所有车辆的唯一ID、速度、位置和高度信息，并对车辆实施高度判别；

道路预警装置单元，安装在道路上，接收警报指令，提供车辆超高预警。

2.根据权利要求1所述联合交通雷达和4D毫米波雷达的道路车辆监测与高度预警系统，其特征在于，所述交通雷达用于获取车辆与交通雷达之间的距离、精确速度、ID信息；所述4D毫米波雷达用于获取车辆的高度、粗速度和与4D毫米波雷达的相对距离；所述4D毫米波雷达包括：

天线单元，采用阵列天线，发射电磁波，并接收车辆回波信号；

基带处理单元，用于将所述车辆回波信号由模拟信号转换为数字信号；

信号处理单元，利用2维快速傅里叶变换，即距离维快速傅里叶变换和速度维快速傅里叶变换，从所述数字信号中提取车辆的高度、粗速度和相对距离信息。

3.根据权利要求1所述联合交通雷达和4D毫米波雷达的道路车辆监测与高度预警系统，其特征在于，所述高俯仰分辨率天线阵列单元，包括：

天线阵列单元，由12个发射天线和16个接收天线组成，天线阵列以俯仰维3°、方向维2.5°宽波束扫描方式向外发射电磁波并接收车辆的反射信号；

天线阵列控制单元，控制天线阵列单元中发射天线的发射模式，获得高俯仰角度分辨率，即俯仰维3°，从而获得车辆的精确高度信息。

4.根据权利要求3所述联合交通雷达和4D毫米波雷达的道路车辆监测与高度预警系统，其特征在于，所述天线阵列单元中，发射天线按照方向维间距4λ，俯仰维间距8λ进行排布，接收天线按照方向维间距λ/2，俯仰维间距λ/2进行排布。雷达采用MIMO发射模式，形成12×16的虚拟天线阵列。

5.根据权利要求1所述联合交通雷达和4D毫米波雷达的道路车辆监测与高度预警系统，其特征在于，所述雷达布局架构单元中，道路两侧部分为分布在道路两侧的多组竖杆，每组竖杆有两个，关于道路对称设置，每两个4D毫米波雷达为一组，分别安装在每组的两个竖杆上，且波束方向与道路上的车辆行驶方向垂直，所述4D毫米波雷达在道路上沿车辆行驶方向的间距使得能够覆盖整个车道路段；所述道路中央部分为设置于道路上空且垂直于车辆行驶方向的横杆，交通雷达安装在横杆上，波束方向与道路上的车辆行驶方向平行。

6.根据权利要求1所述联合交通雷达和4D毫米波雷达的道路车辆监测与高度预警系统，其特征在于，所述云端数据处理单元，包括：

数据接收单元，用于接收所有的雷达数据；

坐标转换与匹配单元，将从交通雷达获取到的车辆距离、精确速度信息和从4D毫米波雷达获取到的车辆高度、粗速度和相对距离信息转换至统一坐标系下，并根据交通雷达和4D毫米波雷达获取到的车辆信息对车辆进行匹配，最终实现车辆ID、车辆速度、车辆位置和车辆高度信息的统一；

警报决策单元，根据限高装置的先验信息，判断道路车辆高度并给出警报指令；

数据输出单元：将包含车辆ID、车辆速度、车辆位置和车辆高度的信息输出给交通管理部门，为交通管理部门提供更完整的道路车辆信息，并向外发出警报指令。

7.根据权利要求6所述联合交通雷达和4D毫米波雷达的道路车辆监测与高度预警系统，其特征在于，所述坐标转换与匹配单元中，对雷达数据的帧频率和帧时间戳进行匹配，将不同坐标系下的雷达数据转换至统一坐标系中，实现车辆速度、距离以及高度信息的统一。

8.根据权利要求6所述联合交通雷达和4D毫米波雷达的道路车辆监测与高度预警系统，其特征在于，所述道路预警装置单元，包括：

接收指令单元，用于接收云端处理单元给出的警报指令，指导道路预警装置发出高度报警信号；

执行单元，根据接收到的指令完成相应的指示操作。

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