CN1331408A - 机动车检测装置和机动车检测方法 - Google Patents

机动车检测装置和机动车检测方法 Download PDF

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Abstract

机动车检测装置和一种机动车检测方法,可实现当多个机动车同时行进或当存在其它非目标机动车产生的噪音时检测到声音源,并计算出声音源在机动车行进方向和车道方向中的位置以及通过的机动车数目。在该检测装置和方法中,通过包括多个在同一平面上排列为矩阵式的传声器的传声器阵列采集到噪音,通过噪声分量矩阵计算部件中的时间窗周期对输出结果进行采样,在α方向计算部件和β方向计算部件中,估算出在各窗中声音源在机动车行进方向和车道方向中的方向,在机动车检测部件中,通过机动车行进方向的估算方向和行进声音模板间的相似度检测机动车,在车道检测部件中,对各车道的车道方向中的估算的方向计数,并检测声音源在车道方向中的位置。

Description

机动车检测装置和机动车检测方法
                     技术领域
本发明涉及通过传声器阵列实现检测一指定机动车的一种机动车检测装置和一种机动车检测方法。
                     背景技术
目前有很多种装置可以通过机动车产生的噪音来检测交通流量的状态，而且这些装置中包括具有更小体积和更少造价的装置。如图16所示的装置为例，其包括有声音采集器701和702、放大电路703和704、一转换电路705、一频率分析电路706、一频率分布比较电路707、一时差检测电路708、一时差/速率转换电路709、一时间控制电路710和一速率显示输出电路711，该装置通过检测在交通流所在的道路附近并沿着道路边所设的两点的噪音来判断交通流速率。(日本专利特开平JP114098/1993)。
在图16中，第一声音采集器701和第二声音采集器702沿着交通流以一固定的间距L设置。由声音采集器701和702采集的交通流的噪音A和B通过交替切换转换电路705被交替地输入频率分析电路706中，它们的频率交替地由频率分析电路706进行分析，以确定获取它们的频谱分布SA和SB。
然后，频率分布比较电路707检测频谱分布SA和SB的相似度，而相互几乎匹配的频谱分布SA和SB之间的时差则由时差检测电路708来测定。时差/速率转换电路709通过表达式“V＝L/dt”来估算确定噪音源(机动车)的速率V。此时，机动车前进的方向就可以通过计算出的时差计算出来。
但是，该常规检测装置存在以下问题：当大量的机动车同时行进或当存在其它非目标机动车产生的噪声源时，检测的精度比较低。这是因为，如上所述，该常规检测装置仅测量设置在交通流所在的道路附近、沿着道路边的两点的噪音，并根据相互密切匹配的频谱分布SA和SB之间的时差来计算机动车的行进速率和方向。
                      发明内容
本发明的一个目的是提供一种机动车检测装置，即使当大量的机动车同时行进或当存在其它非目标机动车产生的噪声源时，该装置也能够检测一声音源，还可计算机动车在机动车行进方向和车道方向中的位置和通过的机动车数量。
本发明的另一目的是提供一种机动车检测方法，即使当大量的机动车同时行进或当存在其它非目标机动车产生的噪声源时，该方法也能够检测一声音源，还可计算机动车在机动车行进方向和车道方向中的位置和通过的机动车数量。
对应本发明的第一方面，本发明提供了一种机动车检测装置，该装置包括一含有多个传声器并置于道路附近的声音采集装置；一方向估算装置，用于对声音采集装置采集到的输入信号定期通过时间窗采样，并在各时间窗中估算声音源的方向；一相似度计算装置，用于计算方向估算装置的估算结果和多个表明机动车行进中声音源位置随时间改变的模板(template)之间的相似度。根据该结构，通过计算上述相似度，可以检测到机动车位置随时间的改变，从而检测到机动车。
在前述的本发明的机动车检测装置中，声音采集装置包括多个平行于机动车行进方向排列成一直线的传声器。根据该结构，可以检测到机动车行进方向中的一机动车的位置。
在前述的本发明的机动车检测装置中，声音采集装置包括多个平行于机动车行进方向排列成一直线的传声器和多个垂直于机动车行进方向排列成一直线的传声器。根据该结构，可以检测到机动车在机动车行进方向和车道方向中的位置。
在前述的本发明的机动车检测装置中，声音采集装置包括多个平行于机动车行进方向排列成一直线的传声器和多个垂直于机动车行进方向排列成一直线的传声器。根据该结构，可以检测到机动车在机动车行进方向和车道方向中的位置。此时，上述的方向估算装置包括一估算装置，用于估算声音源在机动车行进方向和车道方向中的位置。
在前述的本发明的机动车检测装置中，声音采集装置包括多个平行于机动车行进方向排列成一直线的传声器和多个垂直于机动车行进方向排列成一直线的传声器。根据该结构，可以检测到机动车在机动车行进方向和车道方向中的位置。此时，当上述道路有多个车道时，本发明中的机动车检测装置包括计数器，用于对各车道的上述方向估算装置的估算结果进行计数，还包括一车道检测装置，用于在计数器计数结果的基础上检测声音源在车道方向中的位置。
在前述的本发明的机动车检测装置中，声音采集装置包括多个以矩阵的形式排列于同一平面的传声器。根据该结构，即使当多个机动车同时行进时，以矩阵的形式排列的传声器也可以精确的识别一声音源，并通过抑制其它噪声源引起的检测精度的降低，实现检测到该声音源在机动车行进方向和车道方向中的位置。
在前述的本发明的机动车检测装置中，方向估算装置包括一估算装置，用于声音源在机动车行进方向和车道方向的二维方向的估算。根据该结构，与某些情况相比，例如，当传声器按照X轴和Z轴方向排列仅为α方向(车道方向)或β方向(机动车行进方向)时，本装置通过抑制其它噪声源引起的检测精度的降低，可以更精确的检测机动车在机动车行进方向和车道方向中的位置。
在前述的本发明的机动车检测装置中，上述方向估算装置包括一估算装置，用于二维的估算声音源在机动车行进方向和车道方向的方向。根据该结构，与某些情况相比，例如，当传声器按照X轴和Z轴方向排列仅为α方向(车道方向)或β方向(机动车行进方向)时，本装置通过抑制其它噪声源引起的检测精度的降低，可以更精确的检测机动车在机动车行进方向和车道方向中的位置。此时，上述的方向估算装置包括一估算装置，当将在车道方向中的声音源方向限制在道路的中央时，上述估算装置通过搜索机动车行进方向来估算声音源的方向。
在前述的本发明的机动车检测装置中，上述方向估算装置包括一估算装置，用于二维的估算声音源在机动车行进方向和车道方向的方向。根据该结构，与某些情况相比，例如，当传声器按照X轴和Z轴方向排列设置仅为α方向(车道方向)或β方向(机动车行进方向)，本装置通过抑制其它噪声源引起的检测精度的降低，可以更精确的检测机动车在机动车行进方向和车道方向中的位置。此时，上述的方向估算装置包括一估算装置，当限制了在机动车行进方向中的声音源方向时，该估算装置通过搜索车道方向来估算声音源的方向。
在前述的本发明的机动车检测装置中，当上述道路有多个车道时，包括一第一计数器，对各车道方向估算装置的估算结果计数；一车道位置检测装置，该装置根据该计数器的计数值检测声音源在车道中的位置；以及一第二计数器，对各车道的车道位置检测装置的检测结果计数。根据该结构，第二计数器可对各车道中通过的机动车计数。
在前述的本发明的机动车检测装置中，上述相似度计算装置包括一比较装置，用于将上述多个模板和估算结果进行比较。根据该结构，通过使用不同速率的模板(多个模板)计算出一机动车的行进速率。
在前述的本发明的机动车检测装置中，上述相似度计算装置包括一比较装置，用于将上述多个模板和估算结果进行比较。根据该结构，通过使用不同速率的模板(多个模板)计算出一机动车的行进速率。在这种情况下，上述多个模板最好是利用一辆机动车在不同速率行进时发出的声音而制成的。
在前述的本发明的机动车检测装置中，上述相似度计算装置包括一比较装置，用于将上述多个模板和估算结果进行比较。根据该结构，通过使用不同速率的模板(多个模板)计算出一机动车的行进速率。此时，上述多个模板最好是通过扩展或压缩利用一机动车在恒定速率行进时发出的声音而制成的模板的时基而制成的，上述的相似度计算装置包括一时基扩展装置，用于扩展或压缩上述模板的时基。
在前述的本发明的机动车检测装置中，上述声音采集装置包括多个传声器，该传声器的数目应等于或大于“假设的声音源的数目＋1”。根据该结构，提高了对声音源的方向的估算精度，且即使当多个机动车同时行进或当存在其它非目标机动车的噪声源时，也可以检测到机动车。
对应本发明的第二方面，提供了一种机动车检测方法，该方法包括一声音采集步骤，该步骤中通过多个置于道路附近的传声器采集行进中的机动车所产生的噪音；一方向估算步骤，该步骤中利用时间窗对上述多个传声器采集到的输入信号周期采样，并在各时间窗中估算出声音源的方向；一相似度计算步骤，该步骤中计算方向估算步骤的估算结果和表明机动车行进中声音源方向随时间改变的模板之间的相似度。按照该方法，通过计算该相似程度，可以检测到机动车位置随时间的改变，从而检测到机动车。
前述的本发明的机动车检测方法可以包括：一声音采集步骤，在该步骤中通过多个置于道路附近并与机动车行进方向平行的排列成一直线的传声器来采集行进中的机动车所产生的噪音；一方向估算步骤，该步骤中利用时间窗对上述多个传声器采集到的输入信号周期采样，并在各时间窗中估算出声音源的方向；一机动车检测步骤，在该步骤中计算在方向估算步骤的估算结果和表明机动车行进中声音源方向随时间改变的模板之间的相似度，并根据计算结果检测机动车。按照该方法，通过计算该相似度，可以检测到机动车在机动车行进方向位置随时间的改变，从而检测到机动车，并利用不同速率的模板(多个模板)可以计算出机动车的行进速率。
前述的本发明的机动车检测方法可以包括：一声音采集步骤，该步骤中通过多个平行于机动车行进方向排列成一直线和多个垂直于机动车行进方向排列成一直线并置于道路附近的传声器采集到行进中的机动车产生的噪音；一方向估算步骤，该步骤中利用时间窗对上述多个传声器采集到的输入信号周期采样，并在各时间窗中估算声音源在机动车行进方向和车道方向中的方向；一机动车检测步骤，在该步骤中计算方向估算步骤中得到的机动车行进方向中的估算结果和多个表明机动车行进中声音源方向随时间改变的模板之间的相似度，并根据该计算结果检测该机动车；一车道检测步骤，在该步骤中对各车道通过上述方向估算步骤得到的车道方向的估算结果进行计数，并根据该计数结果检测该声音源在车道中的位置。按照该方法，可以检测到一机动车在机动车行进方向和车道方向中的位置。
前述的本发明的机动车检测方法可以包括：一声音采集步骤，该步骤中通过多个以矩阵的形式排列于同一平面并置于多车道道路附近的传声器采集到行进中的机动车产生的噪音；一方向估算步骤，在该步骤中利用时间窗对上述多个传声器采集到的输入信号周期采样，并在各时间窗中估算一声音源的机动车行进方向和车道方向中的二维方向；一机动车检测步骤，在该步骤中计算方向估算步骤中得到的机动车行进方向中的估算结果和多个表明机动车行进中声音源方向随时间改变的模板之间的相似度，并在根据该计算结果检测到该机动车；一车道检测步骤，在该步骤中对各车道通过上述方向估算步骤得到的车道方向的估算结果进行计数，并在该计数结果的基础上检测到该声音源在车道中的位置。按照该方法，与某些情况相比，例如，当传声器按照X轴和Z轴排列设置为α方向(车道方向)或β方向(机动车行进方向)时，本方法通过抑制其它噪声源引起的检测精度的降低，可以更精确的检测机动车在机动车行进方向和车道方向中的位置。
前述的本发明的机动车检测方法可以包括：一声音采集步骤，该步骤中通过多个以矩阵的形式排列于同一平面并置于多车道道路附近的传声器采集到行进中的机动车产生的噪音；一方向估算步骤，该步骤利用时间窗对上述多个传声器采集到的输入信号周期采样，并在各时间窗中估算声音源在机动车行进方向和车道方向中的二维方向；一机动车检测步骤，该步骤计算方向估算步骤中得到的机动车行进方向中的估算结果和多个表明机动车行进中声音源方向随时间改变的模板之间的相似度，并根据该计算结果检测到该机动车；一车道检测步骤，该步骤对各车道的通过上述方向估算步骤中得到的车道方向的估算结果进行计数，并根据该计数结果检测到该声音源在车道中的位置。按照该方法，与某些情况相比，例如，当传声器按照X轴和Z轴排列设置为α方向(车道方向)或β方向(机动车行进方向)时，本方法通过抑制其它噪声源引起的检测精度的降低，可以更精确的检测到机动车在机动车行进方向和车道方向中的位置。此时，在上述方向估算步骤中，将在车道方向中的声音源方向限制在道路的中央，通过搜索机动车行进方向来估算声音源的方向。
前述的本发明的机动车检测方法可以包括：一声音采集步骤，该步骤中通过多个以矩阵的形式排列于同一平面并置于多车道道路附近的传声器采集到行进中的机动车产生的噪音；一方向估算步骤，用于对上述多个传声器采集到的输入信号定期通过时间窗采样，并估算在各时间窗中的一声音源在机动车行进方向和车道方向中的二维方向；一机动车检测步骤，用于计算方向估算步骤的机动车行进方向中的估算结果和多个表明机动车行进中声音源方向随时间改变的模板之间的相似度，并在该计算结果的基础上检测到该机动车；一车道检测步骤，对各车道的通过上述方向估算步骤中得到的车道方向的估算结果进行计数，并在该计数值的基础上检测到该声音源在车道中的位置。按照该方法，与某些情况相比，例如，当传声器按照X轴和Z轴排列设置为α方向(车道方向)或β方向(机动车行进方向)，本方法通过抑制其它噪声源引起的检测精度的降低，可以更精确的检测机动车在行进方向中的位置和机动车的车道方向。此时，在上述方向估算步骤中，当机动车行进方向中的声音源方向被限制时，通过搜索车道方向来估算声音源的方向。
前述的本发明的机动车检测方法可以包括：一声音采集步骤，该步骤中通过多个以矩阵的形式排列于同一平面并置于多车道道路附近的传声器采集到行进中的机动车产生的噪音；一方向估算步骤，利用时间窗对上述多个传声器采集到的输入信号周期采样，并在各时间窗中估算声音源在机动车行进方向和车道方向中的二维方向；一特殊车道机动车检测步骤，在该步骤中对于各车道由估算步骤中得到的车道方向的估算结果进行计数，从而执行车辆检测，并对于各车道对检测到的车辆进行计数。按照该方法，与某些情况相比，例如，当传声器按照X轴和Z轴排列设置为α方向(车道方向)或β方向(机动车行进方向)，本方法通过抑制其它噪声源引起的检测精度的降低，可以更精确地对各车道通过的机动车进行计数。
前述的本发明的机动车检测方法可以包括：一声音采集步骤，该步骤中通过多个以矩阵的形式排列于同一平面并置于多车道道路附近的传声器采集到行进中的机动车产生的噪音；一方向估算步骤，利用时间窗对上述多个传声器采集到的输入信号周期采样，并在各时间窗中估算声音源在机动车行进方向和车道方向中的二维方向；一特殊车道机动车检测步骤，对于各车道的方向估算步骤中得到的车道方向估算结果进行计数，来执行车辆检测，并对于各车道对检测到的车辆计数。按照该方法，与某些情况相比，例如，当传声器按照X轴和Z轴排列设置为α方向(车道方向)或β方向(机动车行进方向)，本方法通过抑制其它噪声源引起的检测精度的降低，可以更精确地对各个车道通过的机动车进行计数。此时，在上述方向估算步骤中，用限制在机动车行进方向中的声音源方向，通过搜索车道方向来估算声音源的方向。
在前述的本发明机动车检测方法中的机动车检测步骤中，计算利用以不同速率行进的机动车发出的声音制成的模板和上述机动车检测步骤中的估算结果之间的相似度。按照本方法，通过计算上述相似度，可以检测到机动车在机动车行进方向中的位置随时间变化，从而检测到机动车，且通过利用不同速率的模板(多个模板)，可以计算出机动车行进的速率。
本发明的机动车检测方法中，上述机动车检测步骤还包括一速率检测步骤，该步骤中，计算通过扩展或压缩利用一机动车以一固定速率行进发出的声音制成的模板的时基备制而得到的模板和上述估算结果之间的相似度，并且根据该计算结果，根据模板的扩展率和用于制造模板的机动车速率可以计算出检测到的机动车的速率。按照本方法，通过计算上述相似度，可以检测到机动车在机动车行进方向上的位置随时间的改变，从而检测到机动车，且通过利用不同速率的模板(多个模板)，可以计算出机动车行进的速率。
在前述的本发明机动车检测方法中，模板匹配被用于计算上述模板和估算结果之间的相似度。根据本方法，通过计算上述相似度，可以检测到机动车位置随时间的变化，从而检测到该机动车。通过计算上述相似度，可以检测到机动车位置的变化，从而在机动车行进方向中检测到该机动车。
在前所述的本发明机动车检测方法中，DP匹配被用于计算模板和估算结果之间的相似度。根据本方法，通过计算上述相似度，可以检测到机动车位置随时间的变化，从而检测到该机动车。通过计算上述相似度，可以检测到机动车位置随时间的变化，从而在机动车行进方向中检测到该机动车。
在前所述的本发明机动车检测方法中，上述多个传声器的数目应等于或大于“假设的声音源的数目＋1”。根据本方法，提高了对声音源的方向的估算精度，且即使当多个机动车同时行进或当存在其它非目标机动车的噪声源时，也可以检测到机动车。
                          附图说明
本发明以及其优越性将结合下面附图通过下述详细的描述加以说明，即：
图1是本发明第一实施例中的机动车检测装置100的系统结构方块图。
图2是本发明第一实施例中的机动车检测装置的具体部分系统结构方块图。
图3是本发明第一实施例中的传声器阵列的排列方式图。
图4是本发明第一实施例中机动车检测方法的流程图。
图5是本发明第二实施例中的机动车检测装置的具体部分系统结构方块图。
图6是本发明第二实施例中机动车检测方法的流程图。
图7是本发明第三实施例中的机动车检测装置的具体部分系统结构方块图。
图8是本发明第三实施例中的机动车检测装置的具体(α方向噪音部件计算部分和α方向计算部分)部分系统结构方块图。
图9是本发明第三实施例中的传声器阵列的排列方式图。
图10是本发明第三实施例中机动车检测方法的流程图。
图11是本发明第四实施例中的机动车检测装置的具体部分系统结构方块图。
图12是本发明第四实施例中的传声器阵列的排列方式图。
图13是本发明第四实施例中机动车检测方法的流程图。
图14是本发明第五实施例中的机动车检测装置的具体部分系统结构方块图。
图15是本发明第五实施例中机动车检测方法的流程图。
图16是常规的机动车检测装置的具体部分系统结构方块图。
具体实施方式
这里将通过附图对本发明实施例作详细说明。
[第一实施例]
如图1所示，本发明第一实施例中的机动车检测设备100包括一CPU4和一存储器5，用于控制整个检测装置；一声音采集器3，用于收集一行进中的机动车产生的噪音；一输入控制部件1，用于控制声音采集器3的驱动(包括下面将说明的传声器阵列102的旋转)；一算术电路11，用于执行大量估算，如用于计算噪音部件、用于计算噪音源的估算方向和用于检测机动车；一算术控制部件8，用于控制驱动算术电路11；一CRT 9和一显示控制部件6，用于显示检测结果；一打印机10和一打印控制部件7，用于打印检测结果，以及一定时电路2，用于计时。
如图2和3所示，上述机动车检测设备100包括一传声器阵列102，该阵列包括M(M＞2)个传声器；一β方向噪声分量矩阵计算部件122，用于接收传声器阵列102的输出以及计算输出中的噪声分量；一β方向计算部件123，用于接收β方向噪声分量矩阵计算部件122的输出以及计算一声音源的估算的β方向；一机动车检测部件124，用于检测一行进在道路101上行进的机动车，其具体部分包括声音采集器3、CPU 4、存储器5和算术电路11。
如图3(a)所示，传声器阵列102被放置在一平行于道路101的机动车行驶方向的直线上，上述M个传声器以一固定间距d排列在上述直线上。该传声器之间的间距不需为一常数。但是，在本实施例中，所以设置为一固定间距d是为了简化β方向计算部件123中的方向控制向量的计算。该间距d必须被设置为小于目标声音源信号波长的一半，且在此范围内，估算声音源方向的精度随着间距d的增加而提高。当目标声音源为一机动车时，虽然不同机动车之间的频率特性会彼此不同，但由于大量不同类型的机动车会产生一在500Hz到3kHz频率范围内的足够的能量，所以为了检测到上述频率范围内的声音源的方向，传声器之间的间距d最好设置为5-34cm。特别是，当间距被设为5-10cm时，还可缩小传感器的体积。另外，为了提高声音源方向估算的精度，传声器的数目M最好等于或大于“假设的声音源(机动车)数目＋1”。特别是，当道路为一单车道道路时，M最好为3或4，当道路为一多车道道路时，M适合为“车道数目＋1”到“车道数目x2”范围的数目。
如图3(b)所示，传声器阵列102配置为可在垂直方向旋转。从传声器阵列102所在的平面的伸出的法线与z轴之间成α角，且通过道路的中央。另外，如图3(c)所示，传声器阵列102被配置为也可在水平方向旋转，且可通过传声器阵列102所在的平面的伸出的法线与x轴之间所成的β角来估算噪音(机动车)方向。
β方向噪声分量矩阵计算部件122包括：M个放大器103，该放大器与传声器阵列102相连并接收传声器阵列102中的传声器的输出；与M个放大器103相连并接收对应放大器103的输出的M个波形采样器104；与M个波形采样器104相连并接收对应波形采样器104的输出的M个频率分析器105，一与M个频率分析器105相连并接收频率分析器105的输出(复合振幅矩阵)S1的相关矩阵计算器107；一与相关的矩阵计算器107相连的特征向量计算器108；一与该特征向量计算器108相连的噪声分量矩阵计算器109。
另外，β方向计算部件123包括：一β方向设定装置111，用于设定搜索传声器阵列102中的β方向；一与该β方向设定装置111相连的方向向量计算器112，一与方向向量计算器112和β方向噪声分量矩阵计算部件122(噪声分量矩阵计算器109)相连的特殊方向能量计算器110，一与特殊方向能量计算器110相连的频率平均装置113，以及一与频率平均装置113相连的时间平均装置114。通过频率平均装置113和时间平均装置114从上述特殊方向能量计算器110中可得到β方向计算部件123的输出(估算的β方向)S3。
另外，机动车方向部件124包括：一与β方向计算部件123相连的估算方向缓存器116，一与估算的方向缓存器116相连并接收一预置的声音源位置模板S4的距离计算器117，以及一与距离计算器117相连并接收预置的距离参考值S5的比较器119。比较器119的输出S6为机动车检测的结果(机动车检测部件124的输出)。
下面，将说明一基于上述机动车检测装置100的机动车检测方法。
如图4，本实施例的机动车检测方法包括一声音采集步骤(s1001)，一噪声分量计算步骤(s1002)，一估算的β方向计算步骤(s1003)和一机动车检测步骤(s1004)。
在声音采集步骤(s1001)中，由上述输入控制部件1控制传声器阵列102来采集道路101上的机动车等产生的噪音，传声器阵列102的输出由放大器103放大。
在噪声分量计算步骤(s1002)中，当传声器阵列102的输出被放大器103放大后，放大后的输出被输入至波形采样器104并由一窗长为W的时间窗周期采样。
虽然时间窗的形状可以为矩形的，但优选两端具有较小幅度的时间窗，例如一汉宁窗。至于窗长W，较短的窗长W更使方向估算的精度变差，而一较长的窗长W却更容易不能跟踪声音源的突然移动。因此，最佳的窗长W必须根据目标声音源的行进速率来选择，例如，当估算一以40km/hr的速率通过一离传声器阵列102距离L为10米的位置的机动车的方向时，时间窗长度W为2到10ms适当。时间窗的采样周期为W/2到2W合适。
对于在波形采样器104中如此采样的时间信号，在频率分析器105中计算对应各频率的一复合振幅。作为用于计算复合振幅的方法，基于已知快速付利叶变换(FFT)的方法比较合适。但是，当计算复合振幅对应的频率的数目等于或小于四时，基于公知的离散付利叶变换(DFT)法比较合适。至于上述频率，当它们在低于波长为传声器阵列102中的距离d的两倍时的频率的前提下，它们的频率越高，方向估算的精度就会越高。因此，特别是，频率对应的波长为不小于c/10d，其中c表示声音的速率，而小于c/2d，其中c与上述定义相同，此时比较合适。对应某一频率，计算出一复合振幅矩阵S1并将其表示为一如表达式1的向量组X[m]
X[m]＝[x1，x2，…xM]T    (表达式1)
在上述表达式中，xM(m＝1到M)表示对应该频率的复合振幅，该振幅通过第m个传声器的输入信号计算得到。另外，字母T表示矩阵[-]的转置矩阵。
然后，在相关矩阵计算器107中，通过具有M个频率分析器105的输出(复合振幅矩阵)S1由表达式2计算出一相关矩阵并将其表示为矩阵R[m，m]
R[m，m]＝X[m]·X[m]H    (表达式2)
在上述表达式中，字母H表示一转置复共轭，m为1到M。
然后，在特征向量计算器108中，计算出上述矩阵R[m，m]的特征向量V1[m]，V2[m]，VM[m](m＝1到M)。为了计算上述特征向量，由于上述矩阵R为一厄密共轭矩阵，因此要先将其通过一公知的Householder法转换为一个三对角(tridiagonal)矩阵，然后利用公知的QR法计算出特征向量。
然后，在噪声分量矩阵计算器109中，当声音源有K个时，计算出对应噪声分量的矩阵Rn[m，m]，如表达式3所示。
Rn[m，m]＝VK＋1[m]VK＋1[m]H＋VK＋2[m]VK＋2[m]H＋…＋VM[m]VM[m]H(表达式3)
在上述表达式中，声音源的数目K必须不大于“传声器数目－1”，且当声音源的数目不能被预先估算出时，它将被设为“K＝M－1”。计算出的噪声分量矩阵Rn被从β方向噪声分量矩阵计算部件122中输出，并输入至β方向计算部件123中。噪声分量计算步骤(s1002)按上述说明执行。
在估算β方向计算步骤(s1003)中，首先，一预期的β被设置入β方向计算部件123中的β方向设置装置111中。然后，在方向控制向量计算器112中，利用上述β，方向控制向量S2被表示为如表达式4所示的一列向量d[m]。
d[m]＝[1，e-jwτ，e-jw2τ，…，e-jw(M－1)τ]T    (表达式4)
在上述表达式中τ由表达式5定义
τ＝(dsinβ)/c                                    (表达式5)
在上述表达式中，c表示声音的速率。
然后，β方向能量计算器110接收到β方向噪声分量矩阵计算部件122的输出(噪声分量矩阵Rn)和上述方向控制向量S2，从而计算β方向中的一能量P(β)。
P(β)＝1/(d[m]H·Rn[m，m]·d[m])                  (表达式6)
在表达式6中，通过从-90°到90°改变β方向并计算对应各β的P(β)，计算出特殊方向能量。从而，确定了提供最大P(β)的β。通过上述步骤，利用一在特定时间窗中的特定频率，计算出估算的声音源方向。
然后，对应各频率重复操作上述步骤，在频率平均装置113中将β方向能量计算器110的输出平均，从而计算出在上述时间窗中估算的声音源方向。
然后，对应各时间窗重复操作上述步骤，在时间平均装置114中将频率平均装置113的输出平均，从而计算出声音源如此估算β该估算方向S3。估算的β方向计算步骤(s1003)按上述说明执行，声音源的估算的β方向S3作为β方向计算部件123的输出被输入至机动车检测部件124中。
在机动车检测步骤(s1004)中，首先，上述声音源的估算的β方向S3被存储在机动车检测部件124的估算的方向缓存器116中一段固定时间。需要的缓存器存储时间取决于目标机动车的速率。速率越低，需要的存储时间就越多。例如，当一目标机动车以大约60km/hr的速率行进时，至少需要一秒的缓存时间，当速率降低为一半时，缓存时间将加倍。
然后，在距离计算器117中，计算已存储在一估算的方向缓存器116中一段时间的声音源的上述估算的β方向S3和预置的声音源位置模板S4之间的距离D。估算的方向缓存器116中的内容被表示为f[i](i＝1到W，W表示模板的尺寸)。进而，当声音源位置模板S4的内容被表示为t[i](i＝1到W，W表示模板的尺寸)时，由模板尺寸归一化的距离D可按表达式7表示。    
Figure A0112482200191
当上述估算的已经存储在估算的方向缓存器116中的声音源β方向S3和声音源位置模板S4之间的相似度越高，距离D就更接近于0。为了制作声音源位置模板S4，需要一种方法，该方法通过对在声音源估算方向上的数据进行取样制取声音源位置模板，该估算的声音源方向是在声音源周围无其它机动车和噪音源的理想的情况下使机动车行进在不同的速率时而计算得到的。但是，当此方法不能被使用时，选用一方法，该方法中声音源位置模板S4根据由传声器阵列102的位置估算的声音源方向的改变制取得到。
然后，在比较器119中，上述距离D与距离参考值S5进行比较。当上述距离D小于S5时，确定机动车被检测到，上述距离D被作为机动车检测结果S6输出。该机动车检测结果S6被通过CRT9显示或通过打印机10打印。
最合适的距离参考值S5根据传声器阵列102所在的位置而改变。当周围的噪音水平相对较低时，S5最好为20°到50°。
如上所述，本发明第一实施例的机动车检测检测装置包括一声音采集装置3中的由M个排列为平行于机动车行进方向的直线上的传声器组成的传声器阵列102；还包括噪声分量矩阵计算部件122，该部件与包括CPU4、存储器5和算术电路11的检测装置的具体部分中的传声器阵列102相连。在噪声分量矩阵计算部件122中，M个传声器的输出在放大器103中被放大，放大器103的输出利用波形采集器104中的特定时间窗被周期的采样，频率分析由频率分析器105处理，从而计算对应上述频率的复合振幅矩阵，相关矩阵被通过上述的相关矩阵计算器107中的复合振幅矩阵计算出来，特征向量计算电路108计算出上述对应矩阵的特征向量，噪声分量矩阵计算器109计算出对应噪声分量的噪声分量矩阵。
另外，上述检测装置的具体部分还包括β方向计算部件123，该部件123与噪声分量矩阵计算部件122相连。在β方向计算部件123中，对应传声器阵列102中的视在β方向的方向被设置在β方向设置装置111中，方向控制向量计算器112计算出一方向控制向量，通过上述方向控制向量和上述噪声分量矩阵计算出β方向能量，在频率平均装置113和时间平均装置114中计算出对应频率和时间窗的上述β方向能量的平均值，该平均值被作为估算的β方向输出。
另外，上述检测装置的具体部件还包括机动车检测部件124，该部件与β方向计算部件123相连接。在机动车检测部件124中，在上述估算的β方向被存储在估算的方向缓存器116中一段时间后，计算上述估算的β方向和指示当机动车行进时声音源的位置随时间改变的声音源位置模板之间的距离，在比较器119中对上述计算距离和预置的距离参考值进行比较。当上述距离小于参考距离时，确定机动车被检测到，将上述距离作为机动车检测结果输出。
因此，由于具有在上述声音采集器3中的包括M个排列在平行于机动车行进方向的直线上的传声器组成的传声器阵列102、噪声分量矩阵计算部件122、β方向计算部件123、和包括CPU4、存储器5和算术电路11的检测装置的具体部分中的机动车检测部件124，当大量机动车同时行进或非目标机动车产生噪音时，可以通过抑制其它机动车或噪音的干扰检测到声音源(机动车)。
[第二实施例]
图5示出本发明第二实施例中的机动车检测装置的具体部分。由于整个机动车检测装置的构造和传声器阵列的构造和排列大致与第一实施例中的相同，因此，可以利用图1和3，同时与第一实施例中相同的构件由相同的标记和符号来表示，这里不再说明。
本实施例与第一实施例不同之处在于用机动车和速率检测部件214代替了机动车检测部件(图2中124)，并在机动车和速率检测部件214中提供了一时基扩展器(time-base expander)208和一速率计算器209。根据本结构，通过抑制其它机动车或噪声的干扰，可以实现有效地检测机动车的速率。
机动车和速率检测部件214包括：一估算的方向缓存器205，该缓存器与β方向计算部件123相连；一距离计算器206，该距离计算器与估算的方向缓存器205和时基扩展器208相连；一比较器211，该比较器与距离计算器206相连，并接收一预置的距离参考值S5；与上述距离计算器206和速率计算器209相连并接收一预置的声音源位置模板S18的时基扩展器208；与时基扩展器208相连的速率计算器209。上述比较器211的输出S6为机动车检测结果，速率计算器209的输出S7为机动车的速率，它们都是机动车和速率检测部件214的输出。
下面，将说明基于上述机动车检测装置100的机动车检测方法。
图6示出本发明第二实施例的机动车检测方法。该方法与第一实施例中的方法不同之处在于用机动车和速率检测步骤(s2004)代替了机动车检测步骤(图4中s1004)且输出机动车的检测结果和机动车速率。
一声音采集步骤(s1001)，一噪声分量计算步骤(s1002)和一估算的β方向计算步骤(s1003)与第一实施例中相同。
在机动车和速率检测步骤(s2004)中，对应第一实施例的已经被估算的声音源的估算的β方向S3被作为β方向计算部件123的输出输入至机动车和速率检测部件214中并首先存储在估算的方向缓存器205中一段时间。需要的缓存存储时间取决于目标机动车的速率。速率越低，所需存储时间就越长。例如，当一目标机动车以大约60km/hr的速率行进时，至少需要一秒的缓存时间，当速率降低为一半时，缓存时间将加倍。
其间，预置的声音源位置模板S18被输入至时基扩展器208中。为得到声音源位置模板S18，需要使用一种方法，该方法通过对在声音源估算方向上的数据进行取样而制取声音源位置模板S18，该估算的声音源方向是通过在声音源周围无其它机动车和噪音源的理想情况下，使机动车以一固定的速率V0行进而计算得到的。但是，当此方法不能被使用时，选用一方法，使用该方法根据通过传声器阵列102的位置估算的声音源方向的改变制取声音源位置模板S4。
在时基扩展器208中，上述声音源位置模板S18的时基被扩展或压缩，且扩展或压缩后的模板被输出。时基的扩展率p由将被检测的机动车的速率决定。例如，当将被检测的速率为用于制作上述声音源位置模板S18的机动车速率V0的n倍时，扩展率p被设为1/n。当扩展率p小于1时，声音源位置模板S18被压缩，而当扩展率p大于1时，声音源位置模板S18被扩展。另外，当声音源位置模板S18的时基为一离散形式时，声音源位置模板S18将近似于连续，然后计算扩展或压缩后的模板。经扩展或压缩后的模板将被输入至距离计算器206中。
然后，距离计算器206接收已经存储在估算的方向缓存器205中的声音源的估算的β方向S3和上述扩展或压缩的模板，并计算模板和声音源之间的距离D。
扩展或压缩的模板的尺寸Ws为W×p。当扩展或压缩的模板被表示为ts[i](i＝1到Ws)且估算的方向缓存器205中的内容(声音源的估算的β方向S3)被表示为f[i](i＝1到W，W表示模板的尺寸)时，距离D可通过模板的尺寸被归一化，如表达式8所示。
Figure A0112482200221
距离D通过在估算的机动车速率的范围内改变扩展率p来计算。估算的方向缓存205和扩展或压缩的模板ts[i]之间的相似度越高，距离D就越接近于0。
然后，比较器211用预先输入的预置的距离参考值S5与距离计算器206的输入(上述距离D)比较。当上述距离D比较小时，确定检测到机动车，将上述距离D作为机动车检测结果S6输出。最佳距离参考值S5根据传声器阵列102的位置改变。当周围的噪音水平相对较低时，其最好为20°到50°。
其间，速率计算器209根据时基扩展器208输入(上述时基扩展率)计算机动车速率。当机动车的速率为V0，且提供了最短距离D的扩展率为pm时，计算“pm×V0”作为机动车速率S7。该机动车速率S7与前述的机动车检测结果S6一起显示在CRT9上或通过打印机10打印。
如上所述，本发明第二实施例的机动车检测装置包括一机动车和速率检测部件214，该部件与上述检测装置的具体部分中的β方向计算部件123相连。在该机动车和速率检测部件214中，当声音源位置模板S18的时基在时基扩展器208中被扩展或压缩时，根据其扩展率，通过速率计算器209计算检测到的机动车的速率S7。
[第三实施例]
图7和图8示出本发明第三实施例中机动车检测装置中的具体部分。由于整个机动车检测装置的结构与第一实施例中基本相同，因此，可以利用图1，同时与第一实施例中相同的结构均由与第一实施例相同数字标记和符号来表示，这里不再说明。
本实施例与第一实施例不同之处在于用包括M1个按x轴方向排列和M2个按y轴方向排列的传声器的传声器阵列302代替包括M个按x轴方向排列的传声器的传声器阵列(图1中102)。另外，本实施例与第一实施例不同之处还在于还提供了一α方向噪声分量矩阵计算部件303，α方向噪声分量矩阵计算部件303中提供了放大器603、波形采样器604、频率分析器605、一相关矩阵计算器607、一特征向量计算器608和一噪声分量矩阵计算器609。另外，本实施例与第一实施例不同之处还在于提供了一α方向计算部件305，在α方向计算部件305中还提供了一α方向设置装置611、一特殊方向能量计算器610、一方向控制向量计算器612、一频率平均装置613和一时间平均装置614。另外，本发明与第一实施例不同之处还在于提供了一车道检测部件312，在车道检测部件312中提供了一车道1方向计数器307、一车道2方向计数器308和通过判断装置309和310。根据本结构，通过抑制具有多个车道的道路上的其它机动车或噪音的干扰，可以有效地检测机动车在车道上的位置。
如图9(a)所示，传声器阵列302安装为像是它向下俯视道路一样。另外，如图7所示，传声器阵列302包括M1个排列在与具有多车道(如图9所示的车道1和车道2)的道路301的机动车行进方向平行的直线上的传声器和M2个排列在垂直于机动车行进方向直线上的传声器。组成传声器阵列302的传声器与第一实施例中组成传声器阵列102相似。另外，上述传声器的数目M1和M2与第一实施例中传声器的数目M相同，且在本实施例中(多车道)，M1和M2分别被设置为“车道数目＋1”到“车道数目×2”之间。另外，传声器之间也根据第一实施例设置为一固定间距d，且d的值被设为5到34cm之间，最好为5到10cm之间。
另外，如图9(b)所示，传声器阵列302可被安装为可在垂直方向旋转。α代表传声器阵列302所在平面伸出的法线与z轴之间的夹角。图9(b)表示上述法线经过多车道道路中央的情况。另外，如图9(c)所示，传声器阵列302可安装为还可在水平方向旋转，且通过传声器阵列102所在平面伸出的法线与x轴之间的夹角β估算出噪音(机动车)的方向。
在传声器阵列302中，M1个排列在与机动车行进方向平行的直线上的传声器的输出被输入至β方向噪声分量矩阵计算部件(噪声分量矩阵计算部件)122中，M2个排列在与机动车行进方向垂直的直线上的传声器的输出被输入至α方向噪声分量矩阵计算部件303中。
α方向噪声分量矩阵计算部件303包括与具有M2个传声器的传声器阵列302连接的M2个放大器603；M2个与M2个放大器603连接的波形采样器604；与M2个波形采样器604相连的M2个频率分析器605；一相应的矩阵计算器607，该计算器与M2个频率分析器605相连；一与相应的矩阵计算器607相连的特征向量计算器608；以及一与特征向量计算器608相连的噪声分量矩阵计算器609。
另外，α方向计算部件305包括一α方向设置装置611，该装置设定传声器阵列302的垂直搜寻方向(α方向)；一与α方向设置装置611相连的方向控制向量计算器612；一特殊方向能量计算器610，该计算器与方向控制向量计算器612相连并接收α方向噪声分量矩阵计算部件303的输出；一与特殊方向能量计算器610相连的频率平均装置613；以及一与频率平均装置613相连的时间平均装置614。α方向计算部件305的输出(估算的α方向)S17通过频率平均装置613和时间平均装置614从上述特殊方向能量计算器610中输出。
除了传声器阵列中的传声器数目从M变为M1外，β方向噪声分量矩阵计算部件(噪声分量矩阵计算部件)122和β方向计算部件123均与其在第一实施例中的对应物相同。另外，α方向噪声分量矩阵计算部件303和α方向计算部件305除了传声器阵列中的传声器数目从M变为M2以及可变α被可变β替换外，其它均与其在第一实施例中的对应物相同。
车道检测部件312包括一车道1方向计数器307和一车道2方向计数器308，它们与α方向计算部件305相连；分别与车道1方向计数器301和车道2方向计数器308相连，并接收预置的通过判断阈值S8的通过判断装置309和310。通过判断装置309和310的输出S9和S10为车道检测装置312的输出(车道1检测结果和车道2检测结果)。
下面，将说明基于上述机动车检测装置100的机动车检测方法。
图10示出本发明第三实施例的机动车检测方法。该方法与第一实施例不同之处在于，它包括一声音采集步骤(s3001)，一αβ方向噪声分量计算步骤(s3002)，一估算的αβ方向计算步骤(s3003)和一机动车和车道检测步骤(s3004)。根据本方法，可以实现检测到机动车在机动车行进方向和车道方向中的位置。
在声音检测步骤(s1001)中，传声器阵列302由上述输入控制部件1控制，用于采集具有车道1和车道2的多车道道路301上的机动车及其类似物所产生的噪音。在该传声器阵列302中，M1个排列在平行于机动车行进方向的直线上的传声器的输出被输入至β方向噪声分量矩阵计算部件122中的放大器103中并被放大，M2个排列在垂直于机动车行进方向的直线上的传声器的输出被输入至α方向噪声分量矩阵计算部件303中的放大器603中并被放大。
在αβ方向噪声分量计算步骤(s3002)中，在上述传声器阵列302的M1个传声器的输出被放大器103放大且上述传声器阵列302的M2个传声器的输出被放大器603放大后，这些放大后的输出被分别输入至波形采样器104和604中，并被具有窗长度为W的时间窗周期采样。时间窗的形状、时间窗窗长度W和时间窗采样的周期均按照第一实施例设置。
对于波形采样器104和604中被采样的时间信号，在频率分析器105和605中计算出对应各频率的复合振幅S1和S15。根据第一实施例，选出一计算复合振幅的方法。
然后，在相关矩阵计算器107和607中，通过上述表达式2，从M1个频率分析器105的输出(复合振幅矩阵)S1和M2个频率分析器605的输出(复合振幅矩阵)S15来计算出相关矩阵，并表示为矩阵R[m，m]的形式。
然后，在特征向量计算器108和608中，计算出各矩阵R[m，m]的特征向量V1[m]，V2[m]，VM[m](m＝1到M1和1到M2)。根据第一实施例，选出一计算上述特征向量的方法。
然后，在上述噪声分量矩阵计算器109和609中，当有K个声音源时，按照上述表达式3计算出对应α和β方向的噪声分量的矩阵Rn[m，m]。当声音源的数目K并没有被预先估算出来时，根据第一实施例其可被设为“K＝M-1”。这样计算出的α方向噪声分量矩阵和β方向噪声分量矩阵由α方向噪声分量矩阵计算部件303和β方向组分矩阵计算部件122输出，并被分别输入至α方向计算部件305和β方向计算部件123中。
在上述αβ方向计算步骤(s3003)中，首先，α被设置在α方向计算部件305中的α方向设定装置611中。然后上述α被输入至方向控制向量计算器612中，且利用上述表达式4和5计算出方向控制向量S16。其间，根据第一实施例β被设置在β方向计算部件123中的β方向设定装置111中。然后上述β被输入至方向控制向量计算器112中，且利用上述表达式4和5计算出方向控制向量S2。
然后，特殊方向能量计算器610接收到α方向噪声分量矩阵计算部件303和上述方向控制向量S16的输出，并通过上述表达式6计算α方向的能量P(α)。从-90°到90°改变α方向并计算对应各α的P(α)，从而确定提供最大P(α)的αmax。通过上述步骤，计算(α方向计算过程)出利用一在特定时间窗中的特定频率的声音源的估算α方向。同时，特殊方向能量计算器110接收到β方向噪声分量矩阵计算部件122的输出(噪声分量矩阵Rn)和上述方向控制向量S2，从而计算β方向的能量P(β)，并通过上述对应第一实施例的表达式6确定提供最大P(β)的βmax，从而计算(β方向计算过程)出利用一在特定时间窗中的特定频率的声音源的估算β方向。
然后，对应各频率重复操作上述α方向计算过程，且α方向能量计算器610的输出在频率平均装置613中被平均，从而计算出在上述时间窗中估算的声音源的α方向。其间，上述β方向计算步骤对应各频率被重复操作，且β方向能量计算器110的输出在频率平均装置113中被平均，从而计算出在上述时间窗中估算的声音源的β方向。
然后，对应各时间窗被重复操作上述α方向计算过程，且在时间平均装置614中对频率平均装置113的输出进行平均，从而计算出估算的声音源的α方向S17。其间，对应各时间窗重复操作上述β方向计算步骤，且在时间平均装置114中对频率平均装置113的输出进行平均，从而计算出估算的声音源的β方向S3。
估算的αβ方向计算步骤(s3003)按上述方法执行。声音源估算的估算α方向S17作为α方向计算部件305的输出被输入至车道检测部件312中，声音源估算的β方向S3作为β方向计算部件123的输出被输入至车道检测部件124中。
在机动车和车道检测步骤(s3004)中，α方向计算部件305的输出α(声音源的估算的α方向S17)被输入至车道检测部件312中的车道1方向计数器307中，并被存储在一缓存器中一特定时间。在存储的输出α中，输出在车道1方向的预置的下限(α1L)和上限(α1H)之间的数目。
其间，α方向计算部件305的输出α(声音源的估算的α方向S17)被输入至车道2方向计数器308并存储在一缓存器中一段时间。在存储的输出α中，输出在车道2方向的预置的下限(α2L)和上限(α2H)之间的数目。
车道1方向计数器307和车道2方向计数器308所要求的缓存器存储时间取决于目标机动车的速率。速率越低，需要的存储时间就越多。例如，当一目标机动车以大约60km/hr的速率行进时，至少需要一秒的缓存时间，当速率降低为一半时，缓存时间将加倍。
然后，通过判断装置309接收到车道1方向计数器307的输出和预置的通过判断阈值S8，当车道1方向计数器307的输出大于或等于通过判断阈值S8时，将车道1方向计数器307的输出作为车道1检测结果S9输出。作为通过判断阈值S8的值适合车道1方向的一缓存长度中所有方向的检测数目的1/5到1/2。
另外，车道2通过判断装置310接收到车道2方向计数器308的输出和预置的通过判断阈值S8，并当车道2方向计数器308的输出大于或等于通过判断阈值S8时，将车道2方向计数器308的输出作为车道2检测结果S10输出。
其间，对应第一实施例，β方向计算部件123的输出(声音源估算的β方向S3)被输入至机动车检测部件124中，并被存储在估算的方向缓存器116一段时间。然后，距离计算器117接收到上述声音源的估算的β方向S3和预置的声音源位置模板S4并计算距离D。此后，比较器119将上述距离D与距离参考值S5相比较，当上述距离D比较小时，将距离D作为机动车检测结果S6输出。
如上所述，本发明第三实施例的机动车检测装置包括声音采集器3中的传声器阵列302，该阵列包括M1个排列在平行于机动车行进方向的直线上的传声器和M2个排列在垂直于机动车行进方向的直线上的传声器；还有α方向噪声分量矩阵计算部件303，该部件与包括CPU4、存储器5和算术电路11的检测装置的具体部分中的传声器阵列302中的上述M2个传声器相连。在α方向噪声分量矩阵计算部件303中，M2个排列在垂直于机动车行进方向的直线上的传声器的输出在放大器603中被放大，放大器603的输出通过波形采样器604中特定时间窗被周期采样，在频率分析器605中进行频率分析，从而计算出对应上述频率的复合振幅矩阵，在相关矩阵计算器607中通过上述复合振幅矩阵计算出相关矩阵，在特征向量计算器608中计算出上述相关矩阵的特征向量，在噪声分量矩阵计算器609中计算出对应M2个传声器的输出的噪声分量的噪声分量矩阵。
另外，上述检测装置的具体部分还包括与α方向噪声分量矩阵计算部件303相连的α方向计算部件305。在α方向计算部件305中，在α方向设置装置611中设定对应从传声器阵列302而来的视在α方向的方向，在方向向量计算器612中计算一方向控制向量，并从上述方向控制向量和上述噪声分量矩阵中计算出α方向能量，在频率平均装置613和时间平均装置614中计算出对应各频率和时间窗的β方向能量的平均值，且该平均值被作为估算的α方向输出。
另外，上述检测装置的具体部分还包括与α方向计算部件305相连的车道检测部件312。在车道检测部件312中，α方向计算部件305的输出S17被输入至车道1方向计数器307和车道2方向计数器308中，并被存储在其中一段时间。在所存储的输出α中，在车道1和车道2方向的α方向中的预置的上下限之间的输出数目被作为车道1的检测结果和车道2的检测结果分别输出。
另外，由于上述检测装置的具体部分包括对应于第一实施例的β方向噪声分量矩阵计算部件122、β方向计算部件123和机动车检测部件124，因此，机动车在机动车行进方向上的位置可以通过M1个传声器的输出检测到。
这样，当一行进中的机动车被机动车检测部件124检测到且检测结果S6被输出时，考虑到上述车道1检测结果S9和车道2检测结果S10，可以确定被检测到的机动车在哪个车道上行进。也就是说，就是当大量机动车同时行进或当存在其它非目标机动车产生噪音时，也可以通过抑制其它机动车或噪音源的干扰而检测到机动车在机动车行进方向中的位置和机动车所在的车道。
[第四实施例]
图11示出本发明第四实施例的机动车检测装置中的具体部分。由于整个机动车检测装置的结构与第一实施例基本相同，因此，可以利用图1，同时与第一实施例中相同的组成部分均采用与第一实施例相同的数字标记和符号来表示，这里不再说明。
本实施例与第一实施例不同之处在于用包括M个在同一平面上排列为一矩阵式的传声器的传声器阵列402代替了包括M个按x轴方向排列的传声器的传声器阵列(图1中102)。另外，本实施例与第一实施例不同之处还在于还提供了一α方向计算部件410，以及在α方向计算部件410中提供了α方向设定装置406、一β方向设定装置407、一方向控制向量计算器405、一特殊方向能量计算器404和一时间平均装置408。另外，本实施例与第一实施例不同之处还在于提供了一β方向计算部件417代替了β方向计算部件123，以及在β方向计算部件417中提供了α方向设定装置413、一β方向设定装置414、一方向控制向量计算器412、一特殊方向能量计算器411和一时间平均装置415。另外，本发明与第一实施例不同之处还在于提供了一车道检测部件312(第三实施例)，在车道检测部件312中提供了一车道1方向计数器307、一车道2方向计数器308和通过判断装置309和310。根据本结构，通过抑制多个车道的道路上其它机动车或噪音的干扰，可以实现检测一检测到的机动车在车道上的位置。
如图12(a)所示，传声器阵列402排列为像是它向下俯视具有车道1和车道2的道路401一样，且该阵列包括M个排列为如图11的矩阵式的传声器。与第一实施例中组成传声器阵列102相同，传声器组成传声器阵列402。至于传声器的数目，M被设置为“车道数目＋1”到“车道数目×2”从而利于传声器应用于多车道道路401。另外，传声器之间的间距与第一实施例一样被设为一定间距d，且d的值应在5到34cm，最好为5到10cm。
另外，如图12(b)所示，传声器阵列402可被安装为可在垂直方向旋转。α代表传声器阵列402所在平面伸出的法线与z轴之间的夹角。图12(b)表示上述法线经过多车道道路中央的情况。另外，如图12(c)所示，传声器阵列402可安装为还可在水平方向旋转，且通过传声器阵列402所在平面的法线与x轴之间的夹角β估算出噪音(机动车)的方向。
另外，α方向计算部件410包括一α方向设置装置406，该装置设定传声器阵列402的垂直搜寻方向(α方向)，一设定传声器阵列402的水平搜寻方向(β方向)的β方向设置装置407，一与α方向设置装置406和β方向设置装置407相连的方向控制向量计算器405，一特殊方向能量计算器404，该计算器与方向控制向量计算器405相连并接收噪声分量矩阵计算部件122的输出，一与特殊方向能量计算器404相连的时间平均装置408。α方向计算部件410的输出(估算的α方向)S13通过时间平均装置408从上述特殊方向能量计算器404中输出。
其间，β方向计算部件417包括一α方向设置装置413，该装置设定传声器阵列402的垂直搜寻方向(α方向)；一设定传声器阵列402的水平搜寻方向(β方向)的β方向设置装置414；一与α方向设置装置413和β方向设置装置414相连的方向控制向量计算器412；一特殊方向能量计算器411，该计算器与方向控制向量计算器412相连并接收噪声分量矩阵计算部件122的输出；一与特殊方向能量计算器411相连的时间平均装置415。β方向计算部件417的输出(估算的β方向)S14通过时间平均装置415从上述特殊方向能量计算器411中输出。
下面，将说明基于上述机动车检测装置100的机动车检测方法。
图13示出本发明第四实施例的机动车检测方法。该方法与第一实施例不同之处在于，用一声音采集步骤(s4001)，一估算的αβ方向计算步骤(s4003)，和一机动车和车道检测步骤(s3004)分别代替声音采集步骤(图4中的s1001)、估算的β方向计算步骤(图4中的s1003)和机动车检测步骤(图4中的s1004)。根据本方法，可以检测到被检测到的机动车在机动车行进方向中的位置。
在声音采集步骤(S4001)中，具有M个在同一平面排列为一矩阵式的传声器的传声器阵列402由上述输入控制部件1控制，用于采集具有车道1和车道2的道路401上的机动车及其类似物所产生的噪音，并将上述M个传声器的输出输入至噪声分量矩阵计算部件122中的放大器103中并被放大。
在噪声分量计算步骤(s4002)中，对应第一实施例，在上述传声器阵列402的输出被放大器103放大后，计算出一噪声分量矩阵Rn[m，m]，并将其从噪声分量矩阵计算部件122中输出。噪声分量矩阵计算部件122的输出被输入至α方向计算部件410和β方向计算部件417中。
在上述估算的αβ方向计算步骤(s4003)中，在α方向计算部件410中，α方向设定装置406搜索的角度α覆盖了机动车在车道方向上的行进区域。其间，β方向设定装置407设定一β(固定值)。该固定值β最大可为90°，该值对应传声器阵列402的前部。
然后，方向控制向量计算器405接收到α方向设定装置406和β方向设定装置407的输出，并通过表达式9计算出一方向控制向量d[m]。
d[m]＝[1，e-jwτ[1]e-jwτ[2]，…，e-jwτ[M－1]]T    (表达式9)
在上述表达式中，τ[m]由表达式10定义。
τ[m]＝(Δ[m])/c                                    (表达式10)
在上述表达式中，c表示声音的速率。另外，Δ[m]表示路径差可如表达式11所示利用传声器的坐标(x[m]，y[m]，z[m])和方向(α，β)以及声音源和传声器之间的距离L表示。根据声音源和传声器之间的距离计算出路径差。
Δ[m]＝{(x[m]－x[1]－Lcosαsinβ)2＋(y[m]－y[1]－Lsinαsinβ)2＋(z[m]－z[1]－Lcosβ)2}1/2    (表达式11)
在上述表达式中，一足够大的距离L(例如1000m或更大)导致平面波入射状态。作为机动车检测实际值，距离L适合设为传声器和道路中央之间的距离。这样计算出的方向控制向量S11作为方向控制向量计算器405的输出被输入至特殊方向能量计算器404中。
然后，特殊方向能量计算器404接收到方向控制向量S11并根据第一实施例的方式计算特殊方向能量。该特殊方向能量被输入至时间平均装置408中。特殊方向能量计算器404对应如图2所示的特殊方向能量计算器110。
上述特殊方向能量计算过程对应各时间窗重复进行。通过在时间平均装置408中对计算出的特殊方向能量进行平均，输出一估算的α方向S13。时间平均装置408对应于图2所示的时间平均装置114。通过固定β的值搜索α，可以计算出估算的α方向S13。
其间，在β方向计算部件417中，α方向设定装置413设定一α(固定值)。当该固定值对着道路中央方向时最为合适。β方向设定装置414搜索覆盖机动车行进方向上机动车行进区域的角β。
然后，方向控制向量计算器412接收到α方向设置装置413和β方向设置装置414的输出并通过上述的表达式9到表达式11计算方向控制向量d[m]。由此计算的方向控制向量被作为方向控制向量计算器412的输出S12输入至特殊方向能量计算器411中。
然后，特殊方向能量计算器411接收到方向控制向量计算器412的输出(方向控制向量)S12，并利用该方向控制向量S12计算特殊方向能量。特殊方向能量计算器411与图2所示的特殊方向能量计算器110完全相同。
然后，时间平均装置415接收到特殊方向能量计算器411的输出(特殊方向能量)并与第一实施例对应输出一估算的β方向S14。时间平均装置415完全与图2所示的时间平均装置114相同。这样，通过固定α值搜索β，可以计算出估算的β方向S14。
在机动车和车道检测步骤(s3004)中，车道检测部件312接收到α方向计算部件410的输出S13，并按照第三实施例输出一车道1检测结果S9和车道2检测结果S10。
其间，在机动车检测部件124中，估算的方向缓存器116接收到β方向计算部件417的输出S14，并输出一对应第一实施例的机动车检测结果S6。这样，当机动车检测部件124检测到一行进中的机动车并输出检测结果S6时，通过参考上述车道1检测结果S9和车道2检测结果S10，可以确定被检测到的机动车在哪个车道行进。
如上所述，本发明第四实施例的机动车检测检测装置包括在声音采集装置3中由M个以矩阵方式排列在同一平面上的传声器组成的传声器阵列402；还包括噪声分量矩阵计算部件122，该部件与包括CPU4、存储器5和算术电路11的检测装置的具体部分中传声器阵列402的M个传声器相连。在噪声分量矩阵计算部件122中，在放大器103中放大M个传声器的输出，放大器103的输出通过波形采集器104中的特定时间窗周期采样；频率分析由频率分析器105处理，从而计算对应上述频率的复合振幅矩阵；通过上述的相关矩阵计算器107中的复合振幅矩阵计算出相关矩阵；特征向量计算电路108计算出上述对应矩阵的特征向量；在噪声分量矩阵计算器109中计算出与上述M个传声器的输出中的噪声分量对应的噪声分量矩阵。
另外，上述检测装置的具体部分还包括α方向计算部件410，该部件与噪声分量矩阵计算部件122相连。在α方向计算部件410中，对应传声器阵列402中的视在α方向的方向被设置在α方向设置装置406中，对应传声器阵列402中的视在β方向的方向被设置在β方向设置装置407中，方向控制向量计算器405计算出一方向控制向量，在特殊方向能量计算器404中通过上述方向控制向量和上述噪声分量矩阵计算出α方向能量，在时间平均装置408中计算出对应各时间窗的上述α方向能量的平均值，该结果作为估算的α方向被输出。
其间，上述检测装置的具体部分还包括β方向计算部件417，该部件与噪声分量矩阵计算部件122相连。在β方向计算部件417中，对应传声器阵列402中的视在α方向的方向被设置在α方向设置装置413中，对应传声器阵列402中的视在β方向的方向被设置在β方向设置装置414中，方向控制向量计算器412计算出一方向控制向量，在特殊方向能量计算器411中通过上述方向控制向量和上述噪声分量矩阵计算出β方向能量，在时间平均装置415中计算出对应各时间窗的上述β方向能量的平均值，该结果能作为估算的β方向被输出。
另外，上述检测装置的具体部分还包括车道检测部件312，按照第一实施例，该部件与α方向计算部件410相连接。在车道检测部件312中，α方向计算部件410的输出α被输入至车道1方向计数器307和车道2方向计数器308中，并存储一段时间。在上述存储的输出α中，在车道1方向的α方向和车道2方向中的预置的上下限之间的输出数目被作为车道1的检测结果和车道2的检测结果分别输出。另外，由于上述检测装置的具体部件还包括机动车检测部件124，按照第一实施例，该部件与β方向计算部件417相连，因此，通过M个传声器的输出可以检测到机动车在机动车行进方向中的位置。
这样，通过安装在同一平面上具有排列为矩阵式的M个传声器的传声器阵列402，可以检测到机动车在机动车行进方向和车道方向的位置。
[第五实施例]
图14示出本发明第五实施例的机动车检测装置中的具体部分。由于整个机动车检测装置的结构与第一实施例基本相同，因此，可以利用图1，同时与第一实施例中相似的组成部分均由与第一实施例相同的数字标记和符号来表示，这里不再说明。
本实施例与第一实施例不同之处在于用包括M个在同一平面上排列为一矩阵式的传声器的传声器阵列402代替了包括M个按x轴方向排列的传声器的传声器阵列(图1中102)(第四实施例)。另外，本实施例与第一实施例不同之处还在于还提供了一代替β方向计算装置(图2中的123)的α方向矩计算部件410(第三实施例)，在α方向计算部件410中提供了α方向设定装置406、一β方向设定装置407、一方向控制向量计算器405、一特殊方向能量计算器404和一时间平均装置408。另外，本发明与第一实施例不同之处还在于提供了一代替机动车检测部件(图2中124)的车道检测部件312(第三实施例)，车道检测部件312中提供了一车道1方向计数器307、一车道2方向计数器308和通过判断装置309和310。另外，本实施例与第三实施例不同之处在于提供了与车道检测部件312连接的车道1计数器508和车道2计数器509。根据本结构，可以对每条车道上通过的机动车计数。
下面，将说明基于上述机动车检测装置100的机动车检测方法。
图15示出本发明第五实施例的机动车检测方法。该方法与第一实施例不同之处在于，用第四实施例中的声音采集步骤(s4001)和噪声分量计算步骤(s4002)代替声音采集步骤(图4中的s1001)和噪声分量计算步骤(图4中的s1002)，用估算的α方向计算步骤(s5003)代替了估算的β方向计算步骤(图4中的s1003)，用特殊车道机动车检测步骤(s5004)代替机动车检测步骤(图4中的s1004)。根据本方法，在特殊车道机动车检测步骤(s5004)中可以对各车道通过的机动车计数。
在声音检测步骤(s4001)中，按照第四实施例，具有M个在同一平面排列为一矩阵式的传声器的传声器阵列402由上述输入控制部件1控制，用于采集具有车道1和车道2的道路上的机动车及其类似物所产生的噪音，并将上述M个传声器的输出输入至噪声分量矩阵计算部件122中的放大器103中并被放大。
在噪声分量计算步骤(s4002)中，对应第一和第四实施例，在上述传声器阵列402的输出被放大器103放大后，计算出一噪声分量矩阵Rn[m，m]，并将其从噪声分量矩阵计算部件122中输出。噪声分量矩阵计算部件122的输出被输入至α方向计算部件410。
在估算的α方向计算步骤(s5003)中，在α方向计算部件410中，对应第四实施例，方向控制向量计算器405接收到α方向设定装置406设定的α值和β方向设定装置407设定的β值(固定值)，并输出方向控制向量S11；特殊方向能量计算器411接收到上述方向控制向量S11和噪声分量矩阵计算部件122的输出，并计算一特殊方向能量；时间平均装置415接收到特殊方向能量计算器411的输出(特殊方向能量)并输出估算的α方向S13。如上所述，通过固定β值搜索α，可以计算出估算的α方向S13。
在特殊车道机动车检测步骤(s5004)中，车道检测部件312接收到α方向计算部件410的输出(估算的α方向)S13，并对应第四实施例输出一车道1检测结果S9和一车道2检测结果S10。
然后，车道1计数器508接收到车道检测部件312的输出(车道1检测结果)S9并对车道1的通过的机动车计数。其间，车道2计数器509接收到车道检测部件312的输出(车道2检测结果)S10并对车道2通过的机动车计数。
如上所述，本发明第五实施例的机动车检测装置包括与检测装置的具体部分中的车道检测部件312相连的车道一计数器508和车道2计数器509。车道1计数器508和车道2计数器509接收到在车道检测部件312中检测到的机动车在车道中的位置并对各车道通过的机动车计数(检测到的机动车)。
另外，虽然在上述实施例中描述的是在距离计算器117和206中使用基于模板匹配的方法来计算距离的方法，但当本发明采用一非模板匹配方法的另一方法，如基于公知的DP(动态编程)匹配法，也可以达到同样的效果。
包括上述传声器阵列102、302或402的声音采集器3组成了上述声音采集装置；CPU4、存储器5和算术电路11以及类似的包括噪声分量矩阵计算部件(β方向噪声分量矩阵局算部件)的122、α方向噪声分量矩阵计算部件303、α方向计算部件305和410以及β方向计算部件123和417组成了上述方向估算装置；CPU 4、存储器5和算术电路11以及类似的包括机动车检测部件124、机动车和速率检测部件214和车道检测部件312组成了上述相似度计算装置；CPU 4、存储器5和算术电路11以及类似的包括α方向计算部件305、410和β方向计算部件123、417组成了上述估算装置；车道1方向计数器307和车道2方向计数器308组成了计数器或第一计数器；车道1计数器508和车道2计数器509组成了第二计数器；通过判断装置309和310组成了上述机动车位置检测装置；估算的方向缓存器116和205和距离计算器117和206组成了上述比较装置；时基扩展器208组成上述时基扩展装置。另外，噪声分量计算步骤(s1002)、αβ方向噪声分量计算步骤(s3002)、估算的β方向计算部分(s1003)、估算的αβ方向计算部分(s3003和s4003)和估算的α方向计算部分(s5003)均被包括在上述方向估算步骤中。
综上所述，本发明可提供一种机动车检测装置和一种机动车检测方法，当大量机动车同时行进或当存在大量非目标机动车产生噪音时，它们可以很好的实现检测到声音源，可以计算声音源在机动车行进方向和车道方向中的位置，还可利用时间窗，通过从置于道路附近的包含多个传声器的声音采集装置周期采集时间信号来计算通过机动车的数目，并计算估算结果和多个表示当机动车行进中声音源的方向随时间改变的模板之间的相似度。

Claims (27)

1.一种机动车检测装置，包括一包含多个传声器并置于道路附近的声音采集装置；一利用时间窗用于对声音采集装置发出的输入信号周期进行采样并在各时间窗中估算声音源的方向的方向估算装置；一用于计算方向估算装置的估算结果和多个表示机动车在行进中声音源的方向随时间改变的模板之间的相似度的相似度计算装置。
2.如权利要求1所述的机动车检测装置，其中声音采集装置包括多个排列在平行于机动车行进方向的直线上的传声器。
3.如权利要求1所述的机动车检测装置，其中声音采集装置包括多个排列在平行于机动车行进方向的直线上以及排列在垂直于机动车行进方向的直线上的传声器。
4.如权利要求3所述的机动车检测装置，其中方向估算装置包括一用于估算声音源在机动车行进方向和车道方向中的方向的估算装置。
5.如权利要求4所述的机动车检测装置，其中该机动车检测装置包括计数器和一车道检测装置，所述计数器用于对由方向估算装置对各车道的估算结果进行计数，所述车道检测装置用于当道路有多个车道时根据上述计数器的计数结果检测声音源在车道中的位置。
6.如权利要求1所述的机动车检测装置，其中声音采集装置包括多个排列在同一平面的矩阵式的传声器。
7.如权利要求6所述的机动车检测装置，其中方向估算装置包括一用于二维的估算声音源在机动车行进方向和车道方向的方向的估算装置。
8.如权利要求7所述的机动车检测装置，其中方向估算装置包括一估算装置，用于当声音源在车道方向中的方向被限制在道路中央时，通过在机动车行进方向中搜索来估算声音源的方向。
9.如权利要求7所述的机动车检测装置，其中方向估算装置包括一估算装置，用于当声音源在机动车行进方向中的方向被限制时，通过在车道方向中搜索来估算声音源的方向。
10.如权利要求7所述的机动车检测装置，其中还包括：一个第一计数器，用于对方向估算装置对各车道的估算结果计数；一个车道位置检测装置，用于在上述计数器的计数值的基础上检测声音源在车道中的位置；以及一个第二计数器，用于当道路有多个车道时对由车道位置检测装置对各车道的检测结果进行计数。
11.如权利要求1到10之一所述的机动车检测装置，其中相似度计算装置包括一个用于将多个模板和估算结果进行比较的比较器。
12.如权利要求11所述的机动车检测装置，其中利用机动车在不同速率下发出的声音制成大量模板。
13.如权利要求11所述的机动车检测装置，其中对利用在一恒定速率下行进的机动车发出的声音制成的模板的时基进行扩展或压缩制成多个模板，且相似度计算装置包括一个用于扩展或压缩模板的时基的时基扩展装置。
14.如权利要求1到13之一所述的机动车检测装置，其中声音采集装置包括多个传声器，这些传声器的数目等于或大于“假设的声音源的数目＋1”。
15.一种机动车检测方法，包括：一声音采集步骤，该步骤中通过多个置于道路附近的传声器采集到行进中的机动车产生的噪音；一方向估算步骤，该步骤中利用时间窗对多个传声器输出的输入信号周期进行采样并在各时间窗中估算出声音源的方向；一相似度计算步骤，该步骤中计算出方向估算步骤中的估算结果和多个表示机动车在行进中声音源的方向随时间改变的模板之间的相似度。
16.一机动车检测方法，其中包括：一声音采集步骤，该步骤中通过多个置于道路附近并排列在平行于机动车行进方向的直线上的传声器采集到行进中的机动车产生的噪音；一方向估算步骤，该步骤中利用时间窗对多个传声器输出的输入信号周期进行采样并在各时间窗中估算出声音源的方向；一机动车检测步骤，该步骤中计算出方向估算步骤中的估算结果和多个表示机动车在行进中声音源的方向随时间改变的模板之间的相似度且在该计算结果的基础上检测机动车。
17.一种机动车检测方法，包括：一声音采集步骤，该步骤中通过多个置于多车道道路附近并排列在平行于机动车行进方向的直线上以及排列在垂直于机动车行进方向的直线上的传声器采集到行进中的机动车产生的噪音；一方向估算步骤，该步骤中利用时间窗对多个传声器输出的输入信号周期进行采样，并在各时间窗中估算出声音源在机动车行进方向和车道方向的方向；一机动车检测步骤，该步骤中计算出方向估算步骤中机动车行进方向中的估算结果和多个表示机动车在行进中声音源的方向随时间改变的模板之间的相似度，并在该计算结果的基础上检测到机动车；以及一车道检测步骤，该步骤中对各车道的方向估算步骤的车道方向估算结果计数并在该计数结果基础上检测到声音源在车道上的位置。
18.一种机动车检测方法，包括：一声音采集步骤，该步骤中通过多个置于多车道道路附近并在同一平面上排列为一矩阵形式的传声器采集行进中的机动车产生的噪音；一方向估算步骤，该步骤中利用时间窗对多个传声器输出的输入信号周期进行采样，并在各时间窗中估算出声音源在机动车行进方向和车道方向中的方向；一机动车检测步骤，该步骤中计算出方向估算步骤中机动车行进方向中的估算结果和多个表示机动车在行进中声音源的方向随时间改变的模板之间的相似度，并在该计算结果的基础上检测到机动车；以及一车道检测步骤，该步骤中对各车道的方向估算步骤的车道方向估算结果计数并在该计数值基础上检测到声音源在车道上的位置。
19.如权利要求18所述的机动检测方法，其中在方向估算步骤中，当在车道方向中的声音源方向被限制在道路中央时，通过对机动车行进方向进行搜索估算出声音源的方向。
20如权利要求18所述的机动检测方法，其中在方向估算步骤中，当在机动车行进方向中的声音源方向被限制时，通过对车道方向进行搜索估算出声音源的方向。
21.一种机动车检测方法，包括：一声音采集步骤，该步骤中通过多个置于多车道道路附近并在同一平面上排列为一矩阵形式的传声器采集到行进中的机动车产生的噪音；一方向估算步骤，该步骤中利用时间窗对多个传声器输出的输入信号周期进行采样并在各时间窗中估算出声音源在机动车行进方向和车道方向中的方向；一特殊车道机动车检测步骤，该步骤中对各车道中方向估算步骤在车道方向的估算结果进行计数从而执行机动车检测，并对各车道检测到的机动车计数。
22.如权利要求20所述的机动车检测方法，其中在方向估算步骤中，当在机动车行进方向中的声音源方向被限制时，通过对车道方向进行搜索估算出声音源的方向。
23.如权利要求15到22之一所述的机动车检测方法，其中在机动车检测步骤中，计算出利用机动车在不同速率下行进中所产生的声音制成的模板和估算的结果之间的相似度。
24.如权利要求15到22之一所述的机动车检测方法，其中机动车检测步骤还包括一速率检测步骤，该速率检测步骤中计算利用对在一恒定速率下行进的机动车发出的声音制成的模板的时基进行扩展或压缩制成的多个模板和估算的结果之间的相似度，并且根据该计算的结果，从模板的扩展率和用于制成模板的机动车速率可以计算出检测到的机动车的速率。
25.如权利要求15到24之一所述的机动车检测方法，其中模板匹配被用于计算模板和估算结果之间的相似度。
26.如权利要求15到24之一所述的机动车检测方法，其中DP匹配被用于计算模板和估算结果之间的相似度。
27.如权利要求15到26之一所述的机动车检测方法，其中大量传声器的数目等于或大于“假设的声音源数目＋1”。
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