TWI474030B - 車輛偵測器及其量測方法 - Google Patents

Description

車輛偵測器及其量測方法

本發明為一種車輛偵測器及其量測方法，尤指一種利用線性調頻連續波(Linear Frequency Modulated Continuous Wave,LFMCW)可量測多車道之單波束雷達車輛偵測器。

自古以來，對交通工具性能的要求一直是人類熱衷的話題。隨著科技的不斷進步，車輛的性能愈來愈好，人們在駕駛時常不自覺地讓行駛速度愈來愈快，以致於造成各種交通事故。因此，各國政府無不依據道路條件，分別訂定速限，以維護社會大眾的安全。是以，車輛偵測器已成為一種必需品。

習知的車輛偵測器，一般而言，若依照安裝方式的不同，可分為正向式與側向式，而若依照檢測技術的不同，可分為單波束與雙波束。所謂的正向式車輛偵測器，僅能對正面而來的車輛進行檢測，換言之，僅能量測單一車道或是單一目標物，因此用途受限。而側向車輛偵測器，不論是單波束或是多波束的設計，因為安裝時都是垂直於車輛的行進方向，所以可以對多車道進行檢測。請參考第1圖，第1圖為習知技術中側向車輛偵測器的安裝示意圖。如第1圖所示，道路10上總共有三個車道11、12、13，車輛14於車道12中沿著箭頭A的方向行進，車輛偵測器15安裝於道路10的側邊，並向道路10發射出波束16，而波束16的發射方向垂直於車輛14的行進方向。

在單波束設計的情形，可以藉由量測車輛通過偵測區的壓佔時間，然後再配合預設的平均車長推估出車速，因為偵測區的長度與預設的平均車長都是固定的，當壓佔時間越長時車速就越慢。而同樣利用單波束的設計，也可以藉由量測車輛通過偵測區的相位變化，來推估出車速， 當相位變化越快時車速越快。至於雙波束設計的情形，是利用微波偵測器的探頭，發射出兩個夾角極窄的波束，再接收這兩個波束的回波。如此一來，便在車道上形成前後兩個檢測點，然後利用兩回波的時間差，來推估出車速。

然而，習知技術都有其不足或不準確之處。由於單波束雷達的車輛偵測器，係利用預設平均車長去推估車速，所以偵測所得的車速，僅可視為一段時間之內的平均車速，而非單一特定車輛的瞬時速度。尤其是在特定情形之下，誤差可能更大。例如，於晚間對車輛進行檢測時，若該區域晚間行駛的多為大卡車，以至於車長的分佈改變時，套用同樣的預設平均車長，所測得的平均車速必定不可靠。而雙波束雷達的車輛偵測器，雖然沒有這方面的問題，但是兩波束的距離必需要有足夠的寬度，才能產生可量測的時間差，在與車輛偵測器距離較近的車道上(例如第1圖中的車道11)，兩波束的寬度往往不足以致於無法量測出時間差，使方法變得不可行。同時，雙波束雷達的車輛偵測器，由於運作時需要利用到兩波束，涵蓋範圍比較寬，當車流輛較大時，並不能保證精確地測量到同一車輛由同一位置進入第一波束(前線圈)和第二波束(後線圈)的時刻，導致測速的不準確。此外，雙波束雷達偵測器必需經由檢測車輛通過兩個波束時的反射信號特徵，並判別其為相同時，才能確定反射信號係由同一輛車所發出。由於實際運作時，微波束是由路面的側上方發射出來，因此在車流較大的情況下，除了距離車輛偵測器最近的車道以外，其餘的車道或多或少都有遮擋的問題。當某一輛車被部份遮擋時，車輛偵測器經由第一波束與第二波束所測得的時間間隔與信號強度均容易失真，進而導致測速的不準確，只有當道路上僅有一輛車通過或是車流輛很小時，才能保證測量到的車速是準確的。

因此，如何設計出新的車輛檢測器，使其僅利用單波束，便能對多車道進行準確量測，便成為十分重要的課題。

因此，本發明的目的是提供一種車輛偵測器及其量測方法，以解決習知技術無法對多車道進行準確量測的問題。

本發明提供一種利用一線性調頻連續波量測車輛距離以及車輛速度的方法，包含有下列步驟：提供一車輛偵測器，該車輛偵測器具有一單波束雷達；將該車輛偵測器安裝於一道路之一側邊，該道路具有複數個車道，且該車輛偵測器之一安裝方向與一車輛行進方向之一垂直方向呈一角度；該單波束雷達對該道路發射該線性調頻連續波之一波束；該單波束雷達接收該波束之一回波；計算該波束與該回波之一時間差，該時間差對應於一差頻；獲取一總差頻；由該總差頻中提取該差頻以及一都卜勒頻率；以及經由該差頻以及該都卜勒頻率分別計算出該車輛距離以及該車輛速度。

依據本發明的實施例，該線性調頻連續波係包含一三角波或是一鋸齒波。

依據本發明的實施例，該角度為15度到30度。

依據本發明的實施例，該時間差與該差頻之對應關係為Δt=f _b ×T/B，Δt為該時間差，f _b 為該差頻，T為掃頻週期，B為掃頻頻寬。

依據本發明的實施例，該總差頻係為該差頻以及該都卜勒頻率之和。

依據本發明的實施例，該差頻係由一第一關係式表示，且該車輛距離係經由該第一關係式計算所得，該第一關係式為f _b =(2R×B)/(c×T)，R為該車輛距離，B為掃頻頻寬，c為光速，T為掃頻週期。

依據本發明的實施例，該都卜勒頻率係由一第二關係式表示，且該車輛速度係經由該第二關係式計算所得，該第二關係式為f _D =(2ν_r ×f _c )/c，f _D 為該都卜勒頻率，ν_r 為逕向速度，f _c 為載波之中心頻率，c為光速。

本發明另提供一種單波束雷達車輛偵測器，該單波束雷達車輛偵測器包含有一波形產生模組、一發射天線、一耦合器、一接收天線、一混波器以及一訊號取樣處理器。該波形產生模組，係用以提供一線性調頻連續波。該發射天線，係用以發射該線性調頻連續波之一發射波。該接收天線，係用以接收一接收波。一混波器，係用以接收由該耦合器傳遞之部分該線性調頻連續波以及該接收波，並計算該發射波與該接收波之差 值，以產生一中頻訊號。該訊號取樣處理器，將該中頻訊號轉換成一差頻訊號，並自一總差頻中提取該差頻訊號以及一都卜勒頻率，以經由該差頻訊號以及該都卜勒頻率分別計算出一車輛距離以及一車輛速度。

依據本發明的實施例，該波形產生模組另包含有：一波形產生器，用以提供一函數訊號；以及一壓控振盪器，用以控制該線性訊號之震盪頻率，以輸出該線性調頻連續波。

依據本發明的實施例，該線性調頻連續波係包含一三角波或是一鋸齒波。

該混波器與該訊號取樣處理器之間另包含有一中頻放大電路，且該中頻放大電路包含有：一濾波器，用以將該混波器輸出之一訊號做濾波處理，以消除干擾訊號；以及一放大器，用以將該混波器輸出之該訊號做放大處理，以輸出該中頻訊號。

該訊號取樣處理器係利用一快速傅立葉轉換，將該中頻訊號轉換成該差頻訊號。

該訊號取樣處理器係利用該差頻訊號之一第一關係式計算出該車輛距離，該第一關係式為f _b =(2R×B)/(c×T)，R為該車輛距離，B為掃頻頻寬，c為光速，T為掃頻週期。

該訊號取樣處理器係利用該都卜勒頻率之一第二關係式計算出該車輛速度，該第二關係式為f _D =(2ν_r ×f _c )/c，f _D 為該都卜勒頻率，ν_r 為逕向速度，f _c 為載波之中心頻率，c為光速。

相較於習知技術，本發明之單波束雷達車輛偵測器適用於側向安裝多車道量測的情形，大多數的現有單波束雷達在不需要變更設計的情形下，就可以實現。同時，採用本發明的方案，訊號處理需求比雙波束雷達來得低，不需要處理單一目標在不同波束時，容易產生的訊號品質不一致問題。此外，本發明之單波束雷達車輛偵測器可以準確量測出車輛的距離、速度、長度以及所位於的車道。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

10、100‧‧‧道路

14、104‧‧‧車輛

11、12、13、101、102、103‧‧‧車道

15‧‧‧車輛偵測器

16、106‧‧‧波束

105、200‧‧‧單波束雷達車輛偵測器

201‧‧‧波形產生器

202‧‧‧線性頻率控制

203‧‧‧壓控振盪器

204‧‧‧發射天線

205‧‧‧耦合器

206‧‧‧接收天線

207‧‧‧混波器

208‧‧‧訊號取樣處理器

209‧‧‧波形產生模組

211‧‧‧中頻放大電路

2111‧‧‧濾波器

2112‧‧‧放大器

第1圖為習知技術中側向車輛偵測器的安裝示意圖。

第2圖為本發明之單波束雷達車輛偵測器對多車道進行量測的示意圖。

第3圖為本發明之單波束雷達車輛偵測器的結構示意圖。

第4圖為本發明之單波束雷達車輛偵測器進行速度量測時的參數設定。

第5圖為本發明之單波束雷達車輛偵測器進行速度量測時的模擬結果。

請參考第2圖，第2圖為本發明之單波束雷達車輛偵測器對多車道進行量測的示意圖。本發明之單波束雷達車輛偵測器105，於側向安裝時，其安裝方向並非垂直於車輛的行進方向，而是偏了一個斜視角θ。如第2圖所示，道路100上總共有三個車道101、102、103，車輛104於車道102中沿著箭頭A’的方向行進，單波束雷達車輛偵測器105安裝於道路100的側邊，其安裝方向如箭頭B所示，與車輛104行進方向的垂直方向(如虛箭頭所示)呈θ角。單波束雷達車輛偵測器105向道路100發射出波束106，在本發明中，使用的是線性調頻連續波，包含三角波或是鋸齒波。在較佳實施例中，斜視角θ的範圍為15度到30度，但不以此為限。

由於本發明的單波束雷達車輛偵測器105，於安裝時並非垂直於車輛104的行進方向，而是偏了一個斜視角θ，因此如第2圖所示，當車速為ν時，將會產生一個沿著逕向的速度分量ν_r ，並且由幾何關係可以輕易求得，ν_r =ν×sinθ。由於單波束雷達車輛偵測器105與車輛104的相對運動，沿逕向的速度分量ν_r ，可以反映出由都卜勒效應所產生的逕向都卜勒頻率。請再參考第1圖，相反地，在習知技術中，由於車輛偵測器15在安裝時並不具有任何斜視角(即θ=0)，因此ν_r =ν×sin0=0，沒有逕向的速度分量產生，不會產生逕向都卜勒頻率，也無法據此測得車輛14的速度。

線性調頻連續波的測距原理，為將發射波s _tx (t)與接收波s _rx (t)經過混波器以後得到中頻訊號s _b (t)，而中頻訊號s _b (t)在經過快速傅立葉轉換(FFT)之後可得到差頻訊號f _b ，再由差頻訊號f _b 倒推出距離R。其基本觀念為先找出掃頻頻寬B與掃頻週期T的比例關係，經由量測波束的 來回時間Δt，可得知差頻訊號f _b ，並將波束的來回時間Δt以掃頻頻寬B、掃頻週期T與差頻訊號f _b 作表示(Δt=f _b ×T/B)。而由於波束為光束，在來回時間Δt內共走了兩倍的距離，因此2R=c×Δt(c為光速)，再將波束的來回時間Δt代入，最後得到差頻訊號f _b 與距離R的關係式為：f _b =(2R×B)/(c×T)

而在另一方面，如前所述，當單波束雷達車輛偵測器105對車輛104發出線性調頻連續波時，由於兩者之間具有相對運動，會產生頻率的偏移，偏移量即為逕向的都卜勒頻率，與逕向速度成正比，並以下式表示：f _D =(2ν_r ×f _c )/c

其中f _c 為載波的中心頻率，並可據此計算出車輛104沿逕向的速度分量ν_r 。總的來說，由線性調頻連續波偵測移動目標車輛104時，所產生的總差頻為：f _b =[(2R×B)/(c×T)]+f _D

而經過信號處理後，這兩項分別與車輛104的距離R與車輛104的速度ν相關，並據此經由計算後，得知車輛104所處的車道與車輛104的速度ν。另外，由於已經準確測得車輛104速度ν，並且車長L=ν×T_d (T_d 為車輛通過偵測區的壓佔時間)，準確的車長L亦可以經過簡單的計算獲得。

請參考第3圖，第3圖為本發明之單波束雷達車輛偵測器的 結構示意圖。如第3圖所示，本發明之單波束雷達車輛偵測器200係包含有一波形產生模組209、一發射天線204、一耦合器205、一接收天線206、一混波器207以及一訊號取樣處理器208。波形產生模組209包含波形產生器201、線性頻率控制202以及壓控振盪器203。波形產生器201是訊號源，用以產生各種波形的函數訊號。所產生的函數訊號經由線性頻率控制202，成為線性的訊號，然後經過壓控震盪器203。壓控振盪器203是一種電子震盪電路設計，可經由輸入電壓的不同來控制震盪頻率，最後輸出線性連續調頻波，在本發明中是三角波或是鋸齒波，並由發射天線204對道路發射出發射波s _tx (t)。但是在經過發射天線204之前，耦合器205會將壓控震盪器203輸出功率的一部分耦合到混波器207，以利於之後得到中頻訊號s _b (t)。

接收波s _rx (t)於進入接收天線206之後，會被混波器207所接收，然後混波器207會計算出發射波s _tx (t)與接收波s _rx (t)之間的差值，進而輸出中頻訊號s _b (t)。一般而言，如第3圖所示，可選擇性地設置一個中頻放大電路211，中頻放大電路211由濾波器2111與放大器2112所構成，用於將混波器207所輸出的訊號做放大及濾波處理，以消除其中的干擾訊號。事實上，中頻放大電路211的性能好壞，往往直接影響到對回波訊號檢測的精準度。

之後，中頻訊號s _b (t)會被訊號取樣處理器208接收，並在訊號取樣處理器208先進行快速傅立葉轉換，以得到差頻訊號f _b 。訊號取樣處理器208會自總差頻中提取出(2R×B)/(c×T)項與f _D 項，並計算出車輛的距離與逕向速度，進而得知車輛所處的車道以及車速。

請參考第4圖與第5圖，第4圖為本發明之單波束雷達車輛偵測器進行速度量測時的參數設定，第5圖為本發明之單波束雷達車輛偵測器進行速度量測時的模擬結果。由第4圖及第5圖可以清楚的看到，當載波的中心頻率f _c 為10.6GHz(赫茲)，掃頻頻寬B為240MHz，掃頻週期T為1毫秒(ms)，斜視角θ為10度(°)時，若車輛距離R被固定為20公尺(m)，並在車速為10公里/小時(km/h)、20公里/小時、30公里/小時、40公里/小時以及50公里/小時的狀況下分別做模擬，所求得的與距離相關的差頻f _b 均非常準確，至於都卜勒頻率f _D 的部份，其模擬結果亦充分反映出了車速的比例關係。本發明之單波束雷達車輛偵測器，確實可以僅利用單一波束，準確量測出車輛的距離與速度。

綜上所述，本發明之單波束雷達車輛偵測器適用於側向安裝多車道量測的情形，大多數的現有單波束雷達在不需要變更設計的情形下，就可以實現。同時，採用本發明的方案，訊號處理需求比雙波束雷達來得低，不需要處理單一目標在不同波束時，容易產生的訊號品質不一致問題。此外，本發明之單波束雷達車輛偵測器可以準確量測出車輛的距離、速度、長度以及所位於的車道。

雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧道路

101、102、103‧‧‧車道

104‧‧‧車輛

105‧‧‧單波束雷達車輛偵測器

106‧‧‧波束

Claims (14)

1. 一種利用一線性調頻連續波量測車輛距離以及車輛速度的方法，其包含有下列步驟：提供一車輛偵測器，該車輛偵測器具有一單波束雷達；將該車輛偵測器安裝於一道路之一側邊，該道路具有複數個車道，且該車輛偵測器之一安裝方向與一車輛行進方向之一垂直方向呈一角度；該單波束雷達對該道路發射該線性調頻連續波之一波束；該單波束雷達接收該波束之一回波；計算該波束與該回波之一時間差，該時間差對應於一差頻；獲取一總差頻；由該總差頻中提取該差頻以及一都卜勒頻率；以及經由該差頻以及該都卜勒頻率分別計算出該車輛距離以及該車輛速度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該線性調頻連續波係包含一三角波或是一鋸齒波。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該角度為15度到30度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該時間差與該差頻之對應關係為Δt=f _b ×T/B，Δt為該時間差，f _b 為該差頻，T為掃頻週期，B為掃頻頻寬。
5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該總差頻係為該差頻以及該都卜勒頻率之和。
6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該差頻係由一第一關係式表示，且該車輛距離係經由該第一關係式計算所得，該第一關係式為f _b =(2R ×B)/(c×T)，R為該車輛距離，B為掃頻頻寬，c為光速，T為掃頻週期。
7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該都卜勒頻率係由一第二關係式表示，且該車輛速度係經由該第二關係式計算所得，該第二關係式為f _D =(2ν_r ×f _c )/c，f _D 為該都卜勒頻率，ν_r 為逕向速度，f _c 為載波之中心頻率，c為光速。
8. 一種單波束雷達車輛偵測器，包含：一波形產生模組，用以提供一線性調頻連續波；一發射天線，用以發射該線性調頻連續波之一發射波；一耦合器；一接收天線，用以接收一接收波；一混波器，用以接收由該耦合器傳遞之部分該線性調頻連續波以及該接收波，計算該發射波與該接收波之差值，以產生一中頻訊號；以及一訊號取樣處理器，將該中頻訊號轉換成一差頻訊號，並自一總差頻中提取該差頻訊號以及一都卜勒頻率，以經由該差頻訊號以及該都卜勒頻率分別計算出一車輛距離以及一車輛速度。
9. 如申請專利範圍第8項所述之單波束雷達車輛偵測器，其中該波形產生模組另包含有：一波形產生器，用以提供一函數訊號；一線性頻率控制，用以將該函數訊號轉換為一線性訊號；以及一壓控振盪器，用以控制該線性訊號之震盪頻率，以輸出該線性調頻連續波。
10. 如申請專利範圍第8項所述之單波束雷達車輛偵測器，其中該線性調頻連續波係包含一三角波或是一鋸齒波。
11. 如申請專利範圍第8項所述之單波束雷達車輛偵測器，其中該混波器與該訊號取樣處理器之間另包含有一中頻放大電路，且該中頻放大電路包含有：一濾波器，用以將該混波器輸出之一訊號做濾波處理，以消除干擾訊號；以及一放大器，用以將該混波器輸出之該訊號做放大處理，以輸出該中頻訊號。
12. 如申請專利範圍第8項所述之單波束雷達車輛偵測器，其中該訊號取樣處理器係利用一快速傅立葉轉換，將該中頻訊號轉換成該差頻訊號。
13. 如申請專利範圍第8項所述之單波束雷達車輛偵測器，其中該訊號取樣處理器係利用該差頻訊號之一第一關係式計算出該車輛距離，該第一關係式為f _b =(2R×B)/(c×T)，R為該車輛距離，B為掃頻頻寬，c為光速，T為掃頻週期。
14. 如申請專利範圍第8項所述之單波束雷達車輛偵測器，其中該訊號取樣處理器係利用該都卜勒頻率之一第二關係式計算出該車輛速度，該第二關係式為f _D =(2ν_r ×f _c )/c，f _D 為該都卜勒頻率，ν_r 為逕向速度，f _c 為載波之中心頻率，c為光速。