CN1400475A - 智能交通中车流量监控的雷达射频装置及测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种智能交通中车流量监控的雷达射频装置及测定方法，其特征在于：(1)采用35GHz的毫米波，主要由天线、收发组件、线性调制单元、中频放大器、信号处理机、显示装置六个单元组成；(2)线性调制单元产生可调的三角波，输入到收发组件产生一频率按三角波规律变化的毫米波信号，经耦合器、环行器、天线发射出去，碰到目标并返回再由天线接收，经环行器完成与发射信号的隔离后，和耦合器耦合到的发射信号的一部分经混频器混频后进入信号处理机检测出目标，并启动定时器中断，记录通过覆盖区域的车辆，利用软件计算出车流量和车速，并将其送入显示单元进行显示。流量每隔半分钟显示一次，车速通过雷达监控区实时显示。

Description

智能交通中车流量监控的雷达射频装置及测定方法
技术领域
本发明提供一种用进行高速公路出入口多车道车流量及车速的雷达射频(RF)装置及测定方法，属于小型民用雷达技术领域。
背景技术
【1】ITS(智能交通系统)是以信息通信技术将人、车、路三者紧密协调、和谐统一，而建立起的大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输管理系统。ITS将有效地利用现有交通设施、减少交通负荷和环境污染、保证交通安全、提高运输效率、促进社会经济发展、提高人民生活质量，并以推动社会信息化及形成新产业受到各国的重视。目前已成为世界二十一世纪的交通发展方向[史其信，中国智能交通系统发展框架构想，http：//166.111.44.9/forum/sqx.htm]。
我国是一个经济持续发展的发展中国家，改革开放以来，城市化与汽车化发展十分迅猛。改革开放前，城市化水平不足19％，目前已经发展到超过30％，预测2010年将接近50％；机动车拥有量目前已达6000万辆，并以每年10％以上的速度增长，预计2010年达到1.3亿多辆[ http：//www.epc- its.com.cn/]；进入21世纪，国家还将继续加快公路建设，建设适应公路客、货运量增长要求和国民经济可持续发展需要的中国公路运输系统，实现公路运输现代化是交通运输部门的重要任务。随着公路里程的不断延伸和增长，覆盖全国的公路主骨架的逐渐形成，如果不能及时建设一个覆盖全国高速公路的自动监控系统，车辆就像茫茫大海中的一条船，货主无法得知货物的运送情况；运输公司无法得知车辆的行驶状态以及货物配载情况，更无法动态地指挥和调度车辆；司机不能及时地得到公司的调度信息，无法欲知行程的路况等等。所以，建设覆盖全国高速公路的自动监控系统势在必行。
目前国内的交通管理系统中对车流量和车速还缺乏有效的监控装置。往往是某段路已经堵车由驾驶员通过电话报告管理部门以后才进行调度，智能化较差，采用摄像的方法虽然可以对车流进行监控，但是夜晚工作能力较差。采用电磁线圈感应的方式虽然测量比较准确但是因为需要将线圈埋入路面而破坏道路，实施起来存在许多不便。Mike Juha[Mike Juha，RF playinga key role in transportation telematics，RF design，Nov.2000]经研究比较后认为，由于雷达工作的全天候特点，采用雷达来完成ITS系统中车流量和车速的监控是目前最好的手段，并研制了相关样机，他采用5.8GHz波导结构的雷达对车流量和车速进行监控，由于天线的特征尺寸与发射频率成反比，因此该装置存在体积较大的缺点和波导结构一致性差，难以大批量加工的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对高速公路出入口多车道车流量及车速测定的雷达射频装置及测定方法，该装置采用全芯片集成和平面天线，体积小、重量轻，能够在雨天、雾天、白天、黑夜全天候可靠工作，它能克服现有装置不能同时测量多车道参数和不能全天候工作的不足，而且在该发明的基础上可进一步通过无线通信的手段将所测数据发送给智能交通控制中心，实现车流量的有序监控，保证城市道路交通的通畅，实现交通管理智能化，在交通飞速发展的今天该项发明具有重要现实意义。
本发明的内容主要是研制高速公路出入口多车道车流量及车速测定的雷达射频装置，其中涉及到前端收发组件、中频放大电路、信号处理机等子系统的开发，综合构成了一个特定功能的装置。
本发明提供的小型雷达装置采用35GHz的毫米波，主要由天线、收发组件、线性调制单元、中频放大器、信号处理机、显示装置等六个单元组成。天线将收发组件产生的35GHz调频连续波发射出去，当碰到目标以后被反射回来并经收发组件混频以后输入中频放大器，经放大和滤波后将信号输入信号处理机计算和判别出目标距离，并根据汽车行驶过雷达照射区域的时间和波形的变化以及信号处理机内部定时器记录的数值计算出车流量和车速，将其输入显示装置，每隔半分钟刷新一次显示。该装置的各单元说明如下：
(1)该装置采用收发共用的小型平面微带天线，车行驶方向的主瓣角为5°，垂直于车道方向的主瓣角为30°，增益为15dB。
(2)收发组件将压控振荡器(VCO)、耦合器、环行器及混频器做成一个平面微带电路，其发射功率为2mW，具有结构简单、一致性好、容易实现，造价低廉等优点。
(3)本发明的线性调制单元可以产生一线性度好，直流偏置、幅度和频率均可调的三角波。依据不同的需要调整合适的VCO调制带宽。
(4)本发明提供的车流量检测装置能够同时作用于四个车道，其作用距离由安装位置决定，相对固定，最大作用距离为30米，增益为88dB。
(5)本发明的信号处理部分以TI公司的TMS320C5402的高速数字信号处理(DSP)芯片为核心，外围器件包括ADC驱动电路、ADC、高速闪存、电源管理模块、RS232接口电路等，综合构成了一块高速数字信号处理系统，其时钟频率为40MHz，可以对中频信号进行高速处理，从复杂的信号背景下，消除不需要的信号(如杂波)检出有用的雷达探测目标信号，具有很好的实时性和灵活性。其原理框图如图3所示。
(6)车流量检测算法软件的设计与实现是本发明的核心之一，在建立数学模型的基础上，对复杂雷达信号进行处理，检测并计数。其核心思想是利用高速DSP芯片的两个定时器产生一定时间间隔的中断，同时DSP芯片对由ADC采样的信号进行频谱分析，由于监控器安装在固定的位置，其覆盖区域的背景比较固定，因此可以在频域上完成杂波的消除算法，将有车辆通过时的频谱与无车辆通过的频谱进行频域消干，再根据频谱的幅度判定车辆所属车道，分别记录车辆通过的次数，然后除以定时器的中断周期，就可得到车流量。车辆进入和离开雷达区域时分别启动和关闭定时器，根据覆盖区域的几何方程和定时器记录的时间就可以计算出车速。其程序流程图如图6所示，系统开机时首先对DSP芯片的各内部寄存器进行初始化，然后对系统中用到的定时器0和定时器1以及计数器等常数赋初始值，接下来在软件中将定时器0关闭、定时器1开启，两个定时器分别用来记录车通过雷达照射区域的时间和记算车流量的时间。必要的初始化结束以后，系统通过ADC进行信号采样并将采集到的数据送入DSP芯片进行频谱分析，记录下功率最大的前4个谱峰对应的信号频率fi和电压Ui，然后判断Ui是否大于门限电压，若大于则判断信号频谱是否有变化并对相应车道的计数器加1，表示该车道又有一辆车通过。若不大于门限电压则判断定时器1是否到达一个刷新周期20ms，若没有到达20ms则DSP执行空循环等待，直到到达20ms才进行下一步判断，询问定时器0是否打开，若已关闭说明当前车辆已经完成了进入和穿过雷达照射区域的全过程，可以根据照射区域的长度和定时器0记录的时间计算出该车速度，然后程序判断定时器0是否到达30s，若达到则将当前计数器中记录的车数乘2便得到了每分钟的车流量，并将车速和车流量的值送入显示装置进行显示，然后进入新一轮大循环进行新一轮车流量监测；若未到达30s则程序转入小循环，累计当前车数并计算通过速度和车流量。整个程序每30秒重新显示一次当前的车流量信息，周而复始实时监测。
(7)显示部分用2组4位LED数码管分别显示车流量和车速，车流量每隔半分钟显示一次，单位为辆/分钟，车速根据当前有无车通过雷达监控区域实时显示。
本发明的性能指标：
工作环境：-40℃～+80℃
最大作用距离：30m
速度分辨率：＜5Km/h
刷新频率：0.5Hz
电源：+8～12V单电源供电
输出：数字显示车流量和车速
附图说明
图1是本发明的系统原理图。
图2是图1中的中放原理示意图。
图3是图1中的信号处理原理框图。
图4是图1中的显示装置原理框图。
图5是本装置测定车流量和车速的原理图。
图6是本装置测定车流量和车速的程序流程图。
图中：
1-天线               2-收发组件          3-中放
4-信号处理机         5-显示装置          6-线性调制单元
21-环行器            22-耦合器           23-压控振荡器
24-混频器            31-中频输入         32-中放
321-滤波电路         322-线性放大器      33-中频输出
41-ADC驱动模块       42-电源模块         43-模数转换
44-数字信号处理器    45-硬件复位         46-高速闪存
47-IEEE1149.1标准扫描逻辑(JTAG)调试口    48-通信串口
49-数据总线扩展      51-数据总线扩展     52-译码器
53-锁存器            54-数码管           55-电源指示
具体实施方式
本发明的具体实施方式如图1所示，线性调制单元6产生一幅度、偏置和频率可调的三角波，输入到收发组件2中的压控振荡器23，使之产生一频率按三角波规律变化的毫米波信号，经耦合器22、环行器21、天线1发射出去，碰到目标并返回再由天线1接收，经环行器21完成与发射信号的隔离后，和耦合器22耦合到的发射信号的一部分经混频器24混频，混频后的信号经中放3进入信号处理机4检测出汽车目标，并启动定时器中断，在一定时间内记录通过雷达覆盖区域的车辆，计算出车流量和车速，并将其送入显示单元5进行显示。又如图2所示，中放系统是把收发组件2中混频器24的中频输入31送给滤波器321，滤掉泄漏的三角波信号然后经放大器322放大，以满足A/D变换器对中频输出33信号幅度的要求。又如图3所示，信号处理系统是把中放的中频输出33送入ADC驱动模块进行放大、抗混叠滤波和电位平移，经模数转换43将模拟信号转换成数字信号送给数字信号处理芯片44进行目标的识别，并启动定时器中断，在一定时间内记录通过雷达覆盖区域的车辆，计算出车流量和车速，再将数显板所需要的数据线和控制线通过数据扩展槽49给报警及显示5，其中程序存储器46存储系统应用程序，硬件复位45使系统复位，电源42提供+12V、+5V、+3.3V、+1.8V的不同电压等级供给不同芯片，JTAG调试口47用于在线编程和调试程序，串口48用于该装置和PC机的串行通讯。
本发明装置在具体使用时，如图5所示，雷达波束以垂直于公路的方向发射高频电磁波，波束覆盖4个车道(本说明书以4车道为例，多车道原理相同)。每车道宽w＝5m，安装盲区L＝1m，则4车道宽2a＝20m。垂直于车道方向的主瓣角为θ＝30°，汽车行驶方向主瓣角γ＝5°，雷达的安装高度、照射角度以及波束的宽度经过严格的计算，保证波束的覆盖区域控制在较狭长的一个区域内。本装置的安装高度为h＝9.35m，安装角度α＝6°，这样可以保证系统工作可靠。

Claims (5)

1、一种车流量监控的雷达射频装置，其特征在于：
(1)采用35GHz的毫米波，主要由天线、收发组件、线性调制单元、中频放大器、信号处理机、显示装置六个单元组成；
(2)线性调制单元产生一幅度、偏置和频率可调的三角波，输入到收发组件中的压控振荡器，产生一频率按三角波规律变化的毫米波信号，经耦合器、环行器、天线发射出去，碰到目标并返回再由天线接收，经环行器完成与发射信号的隔离后，和耦合器耦合到的发射信号的一部分经混频器混频，混频后的信号经中放进入信号处理机检测出汽车目标，并启动定时器中断，在一定时间内记录通过雷达覆盖区域的车辆，计算出车流量和车速，并将其送入显示单元进行显示。
2、按权利要求1所述的车流量监控的雷达射频装置，其特征在于：
(1)所述的无线采用收发共用的小型平面微带天线，车行驶方向的主瓣角为5°，垂直于车道方向的主瓣角为30°，增益为15dB；
(2)所述的收发组件将压控振荡器、耦合器、环行器及混频器做成一个平面微带电路，其发射功率为2mW；
(3)所述的信号处理部分以TI公司的TMS320C5402的高速数字信号处理芯片为核心，外围器件包括ADC驱动电路、ADC、高速闪存、电源管理模块、RS232接口电路，综合构成了高速数字信号处理系统，其时钟频率为40MHz；
(4)所述的显示部分用2组4位LED数码管分别显示车流量和车速。
3、按权利要求1或2所述的车流量监控的雷达射频装置，其特征在于：本装置安装高度为9.35m，安装角度α＝6°，最大工作距离为30m，速度分辨率＜5Km/h；车流量每隔半分钟显示一次，车速实时显示。
4、一种车流量监控的雷达射频装置的测定方法，其特征在于：利用高速DSP芯片的两个定时器产生的一定时间间隔的中断，同时DSP芯片对由ADC采样的信号进行频谱分析，在频域上完成杂波的消除算法，将有车辆通过时的频谱与无车辆通过的频谱进行频域消干，再根据频谱的幅度判定车辆所属的车道，分别记录车辆通过的次数，然后除以定时器的中断周期，就可得到车流量；车辆进入和离开雷达区域时分别启动和关闭定时器，根据覆盖区域的几何方程和定时器记录的时间就可以计算出车速。
5、按权利要求4所述的车流量监控的雷达射频装置的测定方法，其特征在于：
(1)系统开机时首先对DSP芯片的各内部寄存器进行初始化，然后对系统中用到的定时器0和定时器1以及计数器常数赋初始值；
(2)将定时器0关闭、定时器1开启，两个定时器分别用来记录车通过雷达照射区域的时间和记算车流量的时间；
(3)系统通过ADC进行信号采样并将采集到的数据送入DSP芯片进行频谱分析，记录下功率最大的前4个谱峰对应的信号频率fi和电压Ui，然后判断Ui是否大于门限电压，若大于则判断信号频谱是否有变化并对相应车道的计数器加1，表示该车道又有一辆车通过。若不大于门限电压则判断定时器1是否到达一个刷新周期20ms，若没有到达20ms则DSP执行空循环等待，直到到达20ms才进行下一步判断，询问定时器0是否打开，若已关闭说明当前车辆已经完成了进入和穿过雷达照射区域的全过程，根据照射区域的长度和定时器0记录的时间计算出该车速度，然后程序判断定时器0是否到达30s，若达到则将当前计数器中记录的车数乘2便得到了每分钟的车流量，并将车速和车流量的值送入显示装置进行显示，然后进入新一轮大循环进行新一轮车流量监测；
(4)若未到达30s则程序转入小循环，累计当前车数并计算通过速度和车流量。整个程序每30秒重新显示一次当前的车流量信息，周而复始实时监测。
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