CN1311495A - 费用征收系统及其通讯方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于关卡的电子费用征收系统(ETCS),用于不用停车就可收费,可防止通讯失败或错误。在关卡处安装一与用于收费的车载通信天线进行通讯的路边通信天线,以及一在比所设计的通信区还要宽的区域内检测汽车的汽车传感器。在一电磁波路径判断部分从一汽车数据检测器获取有关进入关卡的汽车轮廓和位置的数据时,计算连接路边通信天线21和设于每一汽车内的车载天线的发射波和反射波的电磁波路径,并计算每一路径的接收电场强度。

Description

费用征收系统及其通讯方法

本发明涉及一种以关卡的无线通讯为基础的电子费用征收系统，特别是涉及适用于关卡在无线环境下进行通讯的方法。

电子费用征收系统(ETCS)是一种可使司机在诸如高速公路之类的收费公路的关卡处不用停车就可接收票据或缴费的电子系统。

图2A和2B表示使用一ETCS的关卡的概要图。图2A是一透视图，而图2B是一顶视图。关卡300由一安全岛311与邻近的通道区域分开。在关卡300上安装一路边通信天线21。带有车载通信天线的汽车31进入设计的通信区350时，就在路边通信天线21和车载通信天线22之间通过无线信号交换缴费所需的信息，而且汽车31不用停车就可通过关卡。

如果不带有车载通信天线22的汽车进入关卡区域。汽车传感器321就检测汽车的进入，如果不发生与路边通信天线21之间的通讯，就认为汽车不带有车载通信天线22，司机就必须从关卡亭301中的费用征收人员手中接过票据或者把费用付给他或她。

在此系统中，如果带有车载通信天线的汽车进入了关卡区域且并没有发生通讯，汽车就必须暂时停下来。相反，如果不带有车载通信天线的汽车进入了该区域。路边天线就会与另一汽车上的车载通信天线建立通讯，前一汽车没有付费就可通过关卡。因此，为了确保费用征收不会失败，有人提出所设计的通信区这样设置，即仅使一辆汽车进入，并设置一仅与出现在该其内的车载通信天线进行通讯的装置，或者禁止与任何外部的车载通信天线通讯。

例如，JP-A-NO.40433/1998中公开了一种使用路边通信天线的费用征收系统，该通信天线辐射高方向性的电磁波束；而JP-A-NO.214359/1998中公开了一种系统，在该系统中，在关卡前面安装一汽车类型检测器，可根据汽车的类型改变路边通信天线电磁波束的方向性图，以便达到禁止由车载通信天线的位置(垂直)变化所引起的通信区的变化。

所提出的另一种类型是，根据汽车的位置和高度，或者根据汽车的高度和速度选择路边天线(JP-A-NO.315283,5/1992和JP-A-NO.239954/1995)。

在现有的费用征收系统中，为了确保在关卡处每一次通讯都是仅与一辆汽车建立的，就仅注重直射电磁波的方向范围，而不考虑通信区内反射波的影响。

如图2A所示，实际上在关卡区域设有诸如隔音墙201和屋顶221之类的结构，在路边通信天线21辐射电磁波束时，不但有直接发自天线21的直射无线电波210到达设于汽车31上的车载通信天线22，而且还可能产生来自屋顶221的反射波和来自隔音墙201的反射波。由于车载通信天线22接收一无线信号作为与反射波组合的直射波，即便在电磁波束的方向性范围内，发射波210也会由于反射波211和212发生偏差，从而可能存在一不能接收无线信号的死区。这种死区根据位置、速度和汽车31和下一辆汽车32的其它因素产生即时地变化。

另外，即便设于下一辆汽车32上的车载通信天线23位于路边通信天线21的方向性范围之外，下一辆汽车32也有可能接收到由位于关卡区域和/或前面汽车31上的结构所反射的反射波，产生反射波213的路径，即意味着建立了与位于设计通信区之外的车辆的通讯。在此情况下，由于路边通讯设备不能区别汽车31和下一辆汽车32，如果在与前面的汽车建立通讯之前，建立了与后面汽车的通讯，设备就会把汽车32误认为是汽车31而与其通讯，并由此允许汽车31通过关卡，而并不与之通讯或者向其征收费用。如果不设有车载通信天线的汽车进入设计的通信区越多，发生失误的频率也会越高。

如上所述，现有ETCSs中的通信区是在发送和接收直射的无线电波或者在大多数情况下发送和接收发自地面的反射波的前提下设计而成的，因此，根据正在进入的汽车或其它因素而改变的反射波，可能使所设计的通信区内的通讯不可能进行，或者有可能与该区域之外进行通讯。这就会在用于费用征收的无线电波发送和接收的过程中，导致稳定性低、可靠性低的问题。

还有，减少反射波需要特殊的关卡机构和较宽的门。另外，对于每一关卡，可能需要特定的通讯装置，这是因为不同的关卡设有不同的电磁波环境。这样会使建筑造价高，操作费用大。

鉴于上述情况，提出了本发明，并提供一种费用征收系统，使用可确保与所设计的通信区内的汽车进行稳定地通讯的特殊软件，该系统可准确地、电子化地征收费用，而关卡区域内的无线环境根据汽车的位置发生变化，而且还提供一种该费用征收系统的通讯方法。

本发明涉及一种利用无线通讯向不停车地通过关卡的汽车收费的费用征收系统。该系统由下列安装在关卡处的装置组成：一其方向性图可变化的路边天线；包括一通讯控制器的路边通讯设备，可与汽车和主机系统通讯；以及一检测要通过关卡门的汽车位置和轮廓的汽车传感器。在此系统中，考虑到上述无线通讯环境受到根据汽车的位置和轮廓而变化的反射波的影响，在所设计的通信区，路边天线和车载天线之间的通讯环境保持稳定，适于进行自动地费用征收。

为实现这一目的，该系统的特征在于，发现多个直射波和反射波路径，这些路径可使路边天线与出现在包括通信区的给定区域内(汽车检测区域)的汽车上的天线连接，从这些路径中选择一可使与位于通信区中的汽车通讯的灵敏度最大的路径，之后，这样调节路边天线的方向性图，即使辐射的方向(辐射方向1)与所选择的无线电波路径相配合。还要控制方向性图，使相对于电波路径辐射方向(辐射方向2)而不是相对于辐射方向1的无线通讯不可能进行，也就是说，使辐射方向1的辐射强度最大(或者大于强度1)，而辐射方向2的辐射强度为零。

如果检测到在汽车检测区域出现一辆以上的汽车，就计算用于每一辆汽车的多条直射和反射无线电波，并把所有发自/发射到汽车检测区域之外的无线电波的路径处理成具有辐射方向2。

对于无线电波路径，根据基于关卡结构的已知反射表面数据和依照随汽车轮廓而变化的反射表面数据，该系统计算直射波路径和所有可用于通讯的反射波路径，这种通讯可利用其位置依赖于所检测的汽车位置的车载天线连接路边天线。可根据有关天线和反射表面数据的数据在几何上计算直射波的无线电波路径，同时可利用基于无线电波数据的数值方法计算反射波的无线电波路径。可供选择地，在假设汽车位于预设在汽车检测区域的多个路径点的其中一个位置的情况下，也有可能预先计算不同汽车轮廓的路径。

在汽车进入通信区时，开始用于计算无线电波路径的过程，并对于检测汽车的每一循环或每一路径点都重复该过程。随着与通信区内的汽车的无线通讯的结束，可以同时结束该过程。

如果没有建立与位于通信区内的汽车的无线通讯，该系统就认为汽车没有设置适当的车载天线。这就意味着即便通讯环境良好，也不可能进行通讯，系统就认为汽车没有设置车载天线或者车载天线没有打开，判定汽车不适用于自动征收费用，并进行诸如发出报警之类的处理。

如上所述，根据本发明，由于可以消除了关卡结构或正在驶进的汽车的反射波对路边天线和车载天线之间的无线电波的影响，并能够稳定地获得与所设计的通信区内的车辆进行通讯的理想的无线电波，因此可准确地进行费用征收。由于通过调节天线的方向性，消除了发射波的影响，放松了对关卡结构的限制，可降低关卡的建筑造价或操作费用。

根据下列所述内容，详细说明本发明的优选实施例。

图1是用于根据本发明的一实施例所述费用征收系统的方框图；

图2A和2B表示现有ETCS以及其所遇到的问题的概略图；

图3A和3B表示本发明所提出的关卡的概要图；

图4表示一路边通信天线的一实施例，该通信天线为一由阵列天线和方向性控制器组成的装置；

图5表示路边通信天线的另一实施例，该通信天线为一由两个以上的笔形射束天线和方向性控制器组成的装置；

图6表示电磁波路径判断部分的操作顺序的一实施例的流程图；

图7表示一方向性图，辐射方向1和辐射方向2；

图8表示阵列天线的结构和辐射方向；

图9A、9B和9C所示表格表示用于汽车类型的数据存储器的数据结构，而图9D表示汽车的图形；

图10A和10B所示表格表示用于路径存储器的数据结构；

图11表示用于方向性图表的数据结构。

图3是本发明所提出的关卡系统的一实施例。在关卡300中，上部或关卡区域两侧安装一路边天线101和一汽车传感器320，其它组成部分与图2所示相同。在关卡区域安装多个这种关卡。

图1表示根据本发明一实施例所述费用征收系统的结构。该费用征收系统设有以下装置：一由一天线单元101和一用于控制其方向性图的方向性控制器111组成的路边通信天线21；一用于通过无线信号与车载通信天线22互通有关缴费的必要信息的通讯控制器25；一检测汽车进入关卡的汽车传感器320；一判断所检测的汽车位置和轮廓的汽车数据检测器130；一电磁波路径判断部分150，可在天线单元101和车载天线22之间选择一电磁波路径，并确定从天线单元101发射的波束的方向性图；以及一存储器153，可存储有关电磁波路径判断结果的汽车类型数据1531，并包括一路径存储器1531和一方向性图存储器1532。路边通讯设备20还能设有一路边通信天线21、一通讯控制器25、一汽车传感器320以及安装在主系统上的其它部件，该系统在不同位置与关卡相互连接。

在通讯控制器25的控制下，路边通信天线21与设于正在驶进关卡300的汽车内的车载天线22通过无线电信号进行通讯。如图3B所示，汽车传感器320不但检测出现在关卡设计通信区350的汽车，而且检测位于通信区350之后的给定区域(汽车检测区域)之内的另一汽车。该传感器使用电视摄像机周期性的摄取正在驶进的汽车的图像。汽车数据检测器130是一图像处理器，该处理器处理来自于电视摄像机的图像，判断汽车的轮廓、位置和速度；可把汽车传感器320整体设置成一单元。可以代替电视摄像机，使用激光传感器设备来检测汽车的轮廓和位置。

使用汽车轮廓数据计算反射表面数据，并判断车载通信天线的位置，但是要花费一段时间进行准确判断。在此实施例中，仅计算包括汽车长度、高度和宽度的粗略汽车轮廓数据，并根据这些粗略的数据，把存储在存储器153中的汽车类型数据1530作为参考，查寻并获得最接近粗略汽车轮廓数据的轮廓数据。此处，假设对于每种类型的汽车来说，车载通信天线22的位置是预定的。

图9A、9B和9C表示汽车类型数据结构。图9A是汽车类型数据表1530-1，包括用于每一汽车类型的诸如长度、宽度、高度和轮廓之类的数据。图9B是一表示轮廓数据的一实例的数据表，组成汽车轮廓的每一平面(表面)的顶点由x、y和z坐标轴表示。每一平面至少由三个顶点表示。如果表示四个或更多个顶点，就要确定轮廓数据，使所有这些顶点在同一平面上。在这里，并不需要用于汽车的所有平面的汽车轮廓数据；只需要在对电磁波路径进行计算时用作反射表面数据的反射平面(表面)的轮廓数据。

图9C是一汽车类型数据表1530-2，其数据结构与数据表1530-1的结构不同。其数据结构包括用于每一汽车类型的图形数据和轮廓数据，其中轮廓数据与图9B所示的数据相同。图形数据指图9D所示的图像文件，图9B表示用于不同汽车类型的汽车类型模板(ⅰ)、(ⅱ)、(ⅲ)等等。汽车数据检测器130从电视摄像机摄取的图像中提取汽车轮廓部分，并核对它与不同类型的汽车图像数据间的相互关系，从而选出最相关的汽车类型并因此表示轮廓数据。

电磁波路径判断部分150从汽车数据检测器130接收与被检测的汽车位置和轮廓有关的数据，区分通信区以内的汽车和通信区以外的汽车，并把前面的汽车定义为汽车1，把后面的分汽车定义为汽车2。下面给出的解释假设在每一通信区只能出现一辆汽车，而汽车检测区域为通信区之外的区域。

电磁波路径判断部分150根据关卡300和所检测的汽车轮廓的数据结构，利用反射表面数据计算天线101和车载通信天线22之间的电磁波路径。如图3B所示，电磁波路径包括通信天线之间的直接到达每一天线的直射波、以及经一机构或一汽车反射之后到达每一天线的反射波。

电磁波路径判断部分150根据天线单元101接收的信息，针对每次计算出的电磁波路径，计算电场强度；并从计算出的如上所述的汽车1和汽车2的电磁波路径中，选出电场强度最高的电磁波路径。换句话说，电磁波路径可使车载天线传输最高的接收灵敏度。

另外，对于所有计算出的电磁波路径，电磁波路径判断部分150计算在三维空间内的辐射方向，在该空间内从天线单元101辐射无线电波。把所选择的用于汽车1的电场强度最高的电磁波路径的辐射方向定义为辐射方向1，而把其它电磁波路径的辐射方向定义为辐射方向2。随后，可确定发自天线单元101的电磁波束的方向性图，从而利用高强度1的辐射强度在辐射方向上产生辐射，而利用适当低于强度1的低强度2在辐射方向2上产生辐射，并根据所确定的图形控制位于路边天线21内的方向性控制器111。

方向性控制器111调节用于天线单元101的供电电压或辐射角，或者进行天线选择，以便获得在电磁波路径判断部分150确定的方向性图。因此，要调节天线101的定向波束轮廓，以便在通信区以最大的辐射发射到车载通信天线，而把定向波束辐射零点发射到通信区之外的车载通信天线。

下一步，详细说明系统的组成部分及其操作过程。天线单元101既可以是由多个天线部件组成的天线阵列，也可以是由铅笔形射束式天线组成的天线单元。在前者情况下，方向性控制器111根据由电磁波路径判断部分150或者用于每一天线部件的馈电因数(电源振幅和相位)确定的方向性图控制供电。在后者情况下，通过更换与通讯控制器25连接的笔形射束天线，方向性控制器111把方向性图调整成由电磁波路径判断部分150确定的图形。

图4表示与方向性控制器结合在一起的天线阵列的结构。天线单元101由多个天线部件102组成，而方向性控制器由多个相位/振幅控制器112组成。发送无线信号时，相位/振幅控制器112提供具有由电磁波路径判断部分150确定的馈电因数的电源，激活天线部件102来控制定向波束轮廓，从而可利用高强度1在辐射方向1上产生辐射，而利用低强度2在辐射方向2上产生辐射。对于由天线单元101接收的信号，也可以以同样的方法控制波束轮廓。

图5表示笔形射束天线单元的结构。天线单元101由多个铅笔形射束定向天线711至714组成。方向性控制器111由天线选择器701和角度调节器721至724组成。天线选择器701选择最靠近辐射方向1的笔形射束天线，并用相应角度调节器适当地调节其辐射方向。

图6是用于电磁波路径判断部分的操作顺序流程图。首先，通过查阅存储器153(S11、S12)得出用于关卡结构的反射表面数据和用于所检测的汽车的反射表面数据。对于每一关卡固定有结构反射表面数据，预分析和分析数据存储在存储器153的反射表面数据存储器(附图中可以看出)中。

通过从所检测的汽车轮廓数据中提取相同的标准，可得出汽车反射表面数据。在此实施例中，对于汽车反射表面数据，要预先分析有关存储在汽车类型数据存储器1530和存储在反射表面数据存储器中的每一汽车轮廓的数据；因此，如果通过查阅汽车类型数据存储器1530中的轮廓数据，得出用于所检测的汽车的轮廓数据，也可以得出与轮廓数据相对应的反射表面数据。

随后，设定用于反射波的传输和接收的点(S13)。此处，传输点是路边通信天线21，或者是该天线在关卡处的位置。所检测的汽车中的车载通信天线22的位置登记为用于每一汽车j的接收点(S14、S141)。可得出关于车载通信天线22位置的数据，作为用于汽车类型数据存储器1530的补充数据。

下一步，在上述条件下，计算直射波和反射波的电磁波路径Гi(S15)。通过利用直线把路边天线21的位置和在其检测位置所检测的汽车的车载通信天线22的位置连接起来，并在几何上检测两位置之间是否存在阻挡该直线的障碍，可很容易地发现直射波的路径。

另一方面，可利用用于电磁波的典型计算方法，计算反射波路径。这种计算方法的一实例就是，利用把反射表面分隔成网眼的算法和根据从天线阵列发射的电磁波束计算出的流入每一网眼的电流，确定反射波路径。也有可利用基于几何光学的射线跟踪方法，即在假设把电磁波在每一反射表面上镜面反射，确定电磁波路径。应当指出，考虑到无线电波的衰减，可寻求比给定的反射量受到更少量的反射的电波路径，或者寻求进行有效通讯的电波路径。

随后，对于每一计算出的电磁波路径，采用步骤S161和162。在步骤S161，计算接收的电场强度Pi，而在步骤S161，计算从天线单元101发射的每一电波路径的方向，并把该方向表示为将在下面定义的辐射方向(θ,φ)。

根据下列参数计算用于每一路径的接收电场强度Pi：馈电功率和天线单元101的天线增益、在路径空间的传播损失、在反射点的损失、以及用于车载通信天线22的天线增益和接收功率。天线单元101的天线增益应当是这样的增益，即可使通信区350内所设计的基本方向性图在该通信区内达到足够的电场强度。对于车载通信天线22的天线增益和接收功率，采用标准值。基本方向性图是指在汽车检测区域内、在给定位置可进行稳定地通讯的辐射图形。该图形仅涉及到直射波或者发自关卡结构的直射波和反射波。

下一步，对每一汽车j采取步骤S171至S176。在步骤S171，从在步骤S161计算出的接收电场强度Pi中，提取与汽车j相关的电场强度，并把该强度表示为Pji。在步骤S172，按降序方式存储Pji的值，并将其中最大的值表示为MaxPji。在步骤S173，选取与MaxPji相对应的辐射方向(θ,φ)作为辐射方向1(θi1,φi1)。在步骤S174，把不与MaxPji相对应的辐射方向定义为辐射方向2(θki,φki)。

在步骤S175，检查是否有汽车j位于通信区，以确定如下步骤。如果在该区域没有汽车j，就进行步骤S176；如果在该区域有汽车j，程序就返回步骤S17，并开始下一辆汽车(j=j+1)的步骤。进行步骤S176，重新定义当在通信区没有汽车j时在步骤S173已被定义为辐射方向1的辐射方向(θi,φi)为辐射方向2。

如上所述，电磁波路径判断部分150把辐射方向1和辐射方向2区别开，并根据直射波和反射波的每一电磁波路径Гi对其进行选择，其中，辐射方向1是指使接收电场强度Pji最大化的方向，而辐射方向2是指其它辐射方向。

随后，根据所选择的辐射方向1和辐射方向2，确定天线101的方向性图(S18)。如下面所述的那样，在电磁波路径判断部分150确定了方向性图、使辐射方向1上的波束强度最大或者大于强度1并使辐射方向2为零或者低于强度2之后，就向方向性控制器111发出一用于所确定的方向性图的指令。

在上述程序中，必须根据汽车轮廓和位置重复计算电磁波路径。但也可能是，如果利用汽车类型数据和汽车位置数据(图3中的路径点)作为参数，已预先计算出电磁波路径，计算的结果数据可优选后者。也就是说，在图像上为每一路径点设置一检测窗口，而且在实时通讯现场，汽车(图像)一进入检测窗口，路径存储器1531就是指用于汽车路径的存储器。根据在第一路径点摄取的图像得出汽车类型数据。这样节省在电磁波路径判断部分150中的路径计算时间，并允许跟随汽车连续进入关卡的移动而快速地进行天线方向性控制。

图10A和10B表示路径存储器的数据结构。如图10A所示，路径存储器根据每一汽车的类型，存储用于每一路径点x1,x2等的路径数据文件(路径i,j)和方向性图文件(方向图形(dipat)i,j)。根据图10B，对于电磁波路径1至5，例如，对于路径点x1上的汽车类型1的汽车，都可以预先计算它们的辐射方向(不管是直射波还是反射波)和接收电场强度并存储在路径数据文件(路径1,1)中。

因此，由电磁波路径判断部分150对汽车类型和位置数据参数的多种组合预先计算出的结果存储在路径存储器1531中，作为可用于查阅的数据，可简化电磁波路径Гi的计算。在实际通讯中，还可接受的是，不依赖于预定的路径点，从路径存储器1531检索用于最靠近由汽车数据检测器130检测的汽车位置的汽车位置的数据以选取辐射方向1或辐射方向2。

尽管图10A和10B仅示出了用于当前汽车(位于通信区的汽车)的路径数据，也有可能加上用于下一辆汽车的汽车类型数据和汽车位置数据(与当前汽车的距离)作为参数，并提前得到用于下一辆汽车的路径数据。由于下一辆汽车位于通信区之外并且下一辆汽车的路径计算结果仅试图防止发生错误的通讯，所以仅对于下一辆汽车进行路径计算或许还有与当前汽车之间的相对较短的距离(到达下一辆汽车的直射波和反射波的电场强度可能大于当前汽车在辐射方向1上的距离)就足够了；因此，可把可能的参数组合个数减少到可以进行计算的程度。

图7表示基本方向性图、辐射方向1和辐射方向2。就象在此所示的那样，在汽车检测区域130检测出的汽车31位于通信区350，而汽车32位于通信区之外。有三路对于路边通信天线21、设于汽车32上车载通信天线23和设于汽车31上的车载通信天线22的电磁波路径：直射波1、直射波2和反射波1。在此情况下，假设与通信区350相对应的路边通信天线21的基本方向性图可由图中的虚线表示。直射波1代表路边通信天线21和车载通信天线22之间的直射路径，并在路边通信天线21的方向性图的主辐射方向上进行传播。直射波2代表路边通信天线21和车载通信天线23之间的直射路径，并在路边通信天线21的方向性图的副辐射方向上进行传播。反射波1代表发自路边通信天线21、从汽车31反射并到达车载通信天线23的电波路径，并在路边通信天线21的方向性图的主或副辐射方向上进行传播。

电磁波路径判断部分150在步骤S173选取汽车31的辐射方向1的发射波1、以及汽车32的辐射方向1的直射波2。在步骤S174，选取用于汽车32的辐射方向2的间接波1。但是，如果用于反射波1的接收电场强度大于直射波2的电场强度，用于汽车32的辐射方向1就是7间接波1。在步骤S176，对于汽车32，辐射方向1变成辐射方向2，这是因为汽车32位于通信区之外。因此，在图7所示情况下，为辐射方向1选取直射波1。

下一步，解释由电磁波路径判断部分150确定方向性图的步骤(S18)，假设使用的是阵列天线或者笔形射束式天线单元。

图8表示由平面部件组成的阵列天线的结构。安装在地板103上的绝缘层104和天线部件102组成一阵列天线101。输送到每一天线部件的功率的馈送因数(振幅和相位)由图4中所示的相应的相位/振幅控制器112进行调节。

假设：

在设置天线部件的天线平面上取一理想的点作为x和y坐标轴的原点；

以下述方式取垂直于天线平面的z轴，即使z轴从地板103穿过绝缘层104延伸；

功率为阵列天线在x、y和z坐标轴上的特定传输方向1000辐射的功率，由偏离x/y坐标平面上的x轴的角度φ和偏离z轴的角度θ表示方向1000。也可以由角度θ和φ(θ,φ)定义上述辐射方向1和辐射方向2。

假设M天线部件和N天线部件分别设于天线平面的x轴和y轴方向上，部件间隔分别为d_x和d_y，用于每一天线部件102的x和y轴表示为(md_x和md_y)，其中m=0、1、2、……M-1；而N=0、1、2、……N-1。如果用于每一天线部件的馈电因数表示为Vmn，而且从足够远的地方可观察到在传输方向1000上发自阵列天线单元101的辐射功率，在该方向上传输的功率就可表示为(θ,φ)，或者说由等式1表示辐射图形E(θ,φ)。

等式1 $E(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})=\underset{n-0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m-0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{mn}}\exp \left\{{\mathrm{jk}}_0(\mathrm{mu}+\mathrm{nv})\right\}$

其中u=k₀sinθcosφ,v=k₀sinθcosφ,k₀为载波频率波数(carrierfrequency wave number),j为虚数(imaginary number)。等式1提出，根据辐射角度改变相位，受特定的馈电因数激励，从每一天线部件反射的电磁波与其它电磁波混合，可形成辐射图形。

对等式1采取傅立叶变换，相反地，由于采用了傅立叶变换对，可通过给出与天线部件(M×N)一样多的辐射图E(θ,φ)，得出馈电因数Vmn。因此，如果给出辐射图E(θK,φI)(其中K=0、1、2、……M-1；而I=0、1、2……N-1)，就可从下述等式2中计算出馈电因数Vmn：等式2 $V_{\mathrm{mn}}=\frac{1}{\mathrm{NM}}\underset{l-0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k-0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\exp \left\{{\mathrm{jk}}_0({\mathrm{mu}}_k+{\mathrm{nv}}_l)\right\}{E}_{\mathrm{kl}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})$

等式2提出，可由绝对值和由给出的关于M×N方向(θK,φI)的辐射强度KKI(θK,φI)计算出相位角确定馈电因数Vmn。

这就意味着，如果给出用于辐射方向1(θi,φi)的E1和用于辐射方向2(θh,φh)的E2确定了EKI(θ,φ),就可使用等式2计算出辐射方向1的E1和辐射方向2的E2辐射的功率的馈电因数。在此情况下，强度1和强度2分别与E1和E2相对应。实际上，10×10或者类似数量的天线部件就足够了。

方向性控制器111通过相应的相位/振幅控制器112把功率提供到每一天线部件，该功率的振幅和相位是由利用等式2计算出的馈电因数Vmn确定的，该方向性控制器111还把从阵列天线101发射的定向波束从基本方向性图改变成这样一种图形，即该图形可使辐射方向1上的强度高于强度1，而使辐射方向2上的强度低于强度2。

在此实施例中，利用辐射方向1和2作为参数预先计算出用于多个定向波束轮廓的馈电因数Vmn，并把这些因数存储在存储器153的方向性图存储器1532中。电磁波路径判断部分150选择了辐射方向1和辐射方向2之后，就从存储器中读出方向性图，该方向性图可提供与所选择的一个方向最近似的辐射方向1和2，并把其馈电因数输送到方向性控制器111。

图11表示方向性图表的数据结构。在此实施例中，方向性图表1532包括用于各自的天线部件的馈电因数Vmn(振幅和相位)，这些馈电因数是针对有关汽车类型和位置x的各自路径数据文件而预先计算出，作为图10A所示的存储器1531中的方向性图文件(方向图形(dipat)i,j)。

例如，利用Hiroyuki Arai所著的“Shin antena kogaku”(新型天线技术(new antenna angineering))(由Sogo Denshi Shuppan于1996年出版)第80至92页论述的阵列天线和方向性分析方法，或者Kohei Hongo所著的“Antena no kisoriron to sekkeiho”(天线的基本理论与设计方法(basictheory and design method of antennas))(由Realize于1993年出版)第9章论述的类似方法，可实现如本实施例中所述的阵列天线和方向性控制器111的结构、或者从具体的定向波束轮廓中发现Vmn的方法。

下一步，说明怎样利用图5所示的笔形射束天线控制定向天线。在电磁波路径判断部分150选择辐射方向1(θi,φi)和辐射方向2(θh,φh)时，要访问预先存储阵列天线单元101中的笔形射束天线的基本方向性图的方向性图存储器1532，还要确定其辐射方向(θ1,φt)最接近所选择的辐射方向(步骤S18)的笔形射束天线，并把相关的方向性图数据和辐射方向1和2的有关数据一起输送到方向性控制器111。

方向性控制器111中的天线选择器701利用通讯控制器25连接所确定的笔形射束天线t。调节用于所确定的笔形射束天线t的角度调节器，使辐射方向1(θi,φi)与天线t的辐射方向(θt,φt)一致。或者是，调节用于所确定的天线t的角度调节器，使辐射方向2(θh,φh)上的强度为零或者低于强度2。

如迄今所述的那样，根据本实施例，在检测正在靠近关卡的汽车时，有效地遵循上述操作顺序，可确保与位于通信区内的汽车进行稳定地通讯，并能阻止反射波的干扰，从而准确地进行自动收费。该顺序如下：计算路边天线和车载天线之间的所有直射和间接路径；把可提供最高电场强度并与在通信区内到达汽车的无线电波的路径相对应的辐射方向定义为辐射方向1，把与其它无线电波的路径相对应的方向定义为辐射方向2；并随后调节路边天线的方向性图，使在辐射方向1上的辐射功率E(θ,φ)最大或者高于强度1，并使在辐射方向2上的辐射功率E(θk,φk)为零或者低于强度2。

作为本实施例的一种变化，该系统可允许一辆以上的汽车出现在所设计的通信区，并能够与同时出现的多辆汽车进行通讯。于是，在此情况下，电磁波路径判断部分150选择一个以上的辐射方向1(θji,φji)，而且方向性控制器111利用通讯控制器25连接一个以上的辐射方向1的笔形射束天线，并调节用于每一被连接的天线的角度调节器来阻止在辐射方向2上辐射功率。

在此实施例中，一旦在由电磁波路径判断部分150和方向性控制器111进行控制之后，通讯控制器25就开始通讯。换句话说，在汽车传感器320周期性采样的每一时间或者所检测的汽车车头穿过图3B所示通信区350的每一路径点的时刻，电磁波路径判断部分150和方向性控制器111就开始工作；之后，一旦天线单元110的辐射图形到达最佳，通讯控制器25就开始与汽车进行通讯，这种通讯至少要持续到对汽车的收费过程结束。

在下一次采样时间，或者在下一个路径点，由于汽车的位置改变了，要再次驱动电磁波路径判断部分以调节天线单元110的辐射图形。尽管在这种调节期间进行连续通讯，但不会发生通讯障碍，这是因为一次最佳的辐射图形仅经历一次微调。

可由二进制信号线160把通讯控制器25和电磁波路径判断部分150连接起来。通讯控制器111在其与车载通信天线通讯期间，通过二进制信号线160向电磁波路径判断部分150发送一高压信号，而在它们不进行相互通讯期间，发送一低压信号，从而在通讯结束之后，可使判断部分150停止工作。

根据本实施例，在向位于通信区的汽车请求一理想的电磁波路径之后，如果没有建立与位于通信区的汽车之间的无线通讯，就会想到，汽车上没有车载通信天线或者车载通信天线没有打开。在此情况下，系统就认为汽车没有适当的车载通信天线，再判断出该汽车不适于自动关卡收费，并进行诸如发出报警之类的处理。

因此，本发明可产生这样的效果，控制路边通信天线从而可获得实现与出现在所设计的通信区内的一辆汽车之间的通讯的所要求的灵敏度，而在关卡区域内禁止从一机构或一汽车反射无线电波，进而可防止出现通讯失败或通讯误差，并通过无线电波在关卡处实现准确地收费或费用征收。

还有，可调节路边天线的辐射图形，从而可优先考虑所要求的电磁波路径，而阻止不希望的电磁波路径，因此可放松对迄今所设置的关卡结构的限制，并降低建筑造价或操作费用。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明的精神实质和保护范围内可能有各种变化和改进。因此，为评价本发明保护范围内的公众，撰写了下面的权利要求书。

Claims (14)

1、一种费用征收系统的通讯方法，通过关卡处的路边天线和安装在汽车上的天线之间的无线通讯，不用停车就可向通过关卡通信区的汽车收取费用，该方法包括如下步聚：

检测通过通信区和检测区域的汽车，该检测区域包括正好位于获得汽车位置数据的通信区之前的给定区域；

当汽车出现在通信区内时，计算连接路边通信天线和处于该位置内的汽车的车载天线的发射波和反射波的多个电磁波束路径(下面把多个电磁波束路径称为“电波路径”)；

选取其通讯灵敏度在电波路径中为最高的无线路径的辐射方向为辐射方向1；

进行调节，使路边天线的方向性图射向辐射方向1。

2、如权利要求1所述的费用征收系统的通讯方法，进一步包括如下步聚：

把多个电波路径中不同于辐射方向1的电波路径的电波路径定义为辐射方向2的电波路径；

以及控制方向性图，使辐射方向1上的波束强度大于强度1，

而使辐射方向2上的波束强度小于强度2，或者小于不能进行通讯的强度。

3、如权利要求2所述的费用征收系统的通讯方法，进一步包括如下步聚：

当检测到两辆或多辆汽车位于检测区域时，计算多条用于各自汽车的直射波和间接波的电波路径；

以及选取所有不同于位于通信区之外的汽车的电波路径的电波路径作为用于辐射方向2的电波路径。

4、如权利要求1、2或3所述的费用征收系统的通讯方法，进一步包括如下步骤：

获取有关检测区域内所检测的汽车的汽车轮廓数据；

以及通过查阅用于所涉及的汽车轮廓的汽车反射表面数据和用于关卡的反射表面数据，计算电波路径。

5、如权利要求1、2、3或4所示的费用征收系统的通讯方法，其中：

在汽车进入通信区时开始计算电波路径的进程，

并对检测汽车的每一循环都重复该进程或者汽车每通过其中一个给定路径点一次都重复该进程。

6、如权利要求1至5所示的费用征收系统的通讯方法，其中：

如果没有建立与进入通信区的汽车之间的无线通讯，就认为汽车没有适当地设置车载天线。

7、一种费用征收系统，包括：

一用于检测位于在关卡处包括一设计的通信区的给定区域内的汽车的汽车传感器；

以及设有一路边天线和一用于改变其方向性图的方向性图控制器的路边通信天线设备，

其中通过路边天线和设于正在进入的汽车上的车载天线之间的无线通讯，进行收费，而不必使汽车停车，该系统进一步包括：

一电磁波路径判断部分，用于根据有关关卡结构的数据、由汽车传感器检测的汽车轮廓和汽车位置的数据，计算路边天线和车载通信天线之间的电波路径，从而使方向性图控制器优先处理位于通信区内的汽车的电波路径。

8、如权利要求7所述的费用征收系统，其特征在于

汽车传感器设有一电视摄像机，并处理由该摄像机摄取的图像，以判定汽车的轮廓。

9、如权利要求7或8所述的费用征收系统，进一步包括：

一用于根据关卡结构和用于不同车辆轮廓的不同类型的汽车反射表面数据存储门反射表面数据的存储器，

其中电磁波路径判定部分从存储器获得与所检测的汽车轮廓相对应的门反射表面数据和汽车反射表面数据，计算路边天线和设在汽车上的车载天线之间的直射波和反射波的多个电波路径。

10、如权利要求7或8所述的费用征收系统，包括一用于存储预先计算出的电波路径的存储器，这些电波路径涉及到多个根据位于汽车检测区域的多个预设定路径点和多个汽车轮廓的组合而可能出现的一辆以上的汽车的图形，

其中，电波路径判断部分从存储器获得与所检测的汽车位置相对应并适于所检测的汽车轮廓的路径点的电波路径。

11、如权利要求7、8、9或10所述的费用征收系统，其特征在于

电磁波路径判断部分计算多个电波路径的辐射强度，

并选取具有最高的辐射强度并涉及到位于通信区内的汽车的电波路径的辐射方向作为辐射方向1，并选取其它电波路径的辐射方向作为辐射方向2，确定能够仅在辐射方向1上进行通讯的方向性图。

12、如权利要求11所述的费用征收系统，进一步包括一用于存储辐射方向1和2的变化的多个组合的上述预先计算出的方向性图的存储器，

其中电磁波路径判断部分从该存储器获取一适于所选取的辐射方向1和2的方向性图。

13、如权利要求7至12的任一权利要求所述费用征收系统，其特征在于路边天线是一设有多个天线部件的阵列天线，

并通过控制输送到阵列部件的功率振幅和相位来改变方向性图。

14、如权利要求7至12的任一权利要求所述的费用征收系统，其特征在于路边天线是一设有多个所设置的可供选择的铅笔形射束式天线、以在不同方向上发射波束的天线单元，

并通过选择其辐射方向最接近于优先的电波路径的辐射方向的笔形射束式天线来改变方向性图。

Images