微波雷達(dá)智能交通應(yīng)用技術(shù)詳細(xì)介紹

二、基于微波雷達(dá)的交通信息檢測與超速抓拍觸發(fā)技術(shù)
將微波雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于交通信息采集時(shí)關(guān)鍵要解決從雷達(dá)回波信號(hào)中提取車輛信息問題。簡單來說，就是如何利用微波雷達(dá)技術(shù)所具有的測速與測距功能來實(shí)現(xiàn)交通信息實(shí)時(shí)檢測。

1、 速度檢測

微波雷達(dá)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的精確速度檢測基于微波多普勒（Doppler）效應(yīng)。微波在行進(jìn)過程中，碰到障礙物體時(shí)會(huì)反射，而且反射回來的波，其頻率及振幅都會(huì)隨著所碰到的物體的移動(dòng)狀態(tài)而改變。若微波所碰到的物體固定不動(dòng)，那么所反射回來的波其頻率不變。若物體朝著無線電波發(fā)射的方向前進(jìn)，此時(shí)所反射回來的無線電波會(huì)被壓縮，因此該電波的頻率會(huì)隨之增加；反之，若物體朝著遠(yuǎn)離無線電波方向行進(jìn)，則反射回來的無線電波其頻率會(huì)隨之減小。這就是Doppler效應(yīng)。

基于Doppler效應(yīng)原理，可以對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度進(jìn)行精確測量。將相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的接收頻率與發(fā)射頻率之間的差頻稱為Doppler頻率，用fd表示，表達(dá)式為

fd = 2fo*V*cosΘ/c

其中fo表示雷達(dá)前端發(fā)射的微波信號(hào)頻率（一般為24GHz或者35GHz）;V為被檢車輛速度;c表示電磁振蕩在空氣中的傳播速度，Θ表示微波波束方向與運(yùn)動(dòng)方向的夾角。

從上式可以看出，只要測得了Doppler頻率fd ，就可以獲得運(yùn)動(dòng)物體的速度，這就是Doppler測速原理。具體做法是，利用Doppler收發(fā)（T/R）組件產(chǎn)生單頻高頻微波，并接收目標(biāo)的反射信號(hào)，由于反射信號(hào)的頻率與發(fā)射信號(hào)的頻率相比已經(jīng)有了一個(gè)變化，經(jīng)混頻后輸出的中頻（IF）信號(hào)頻率即為發(fā)射頻率與接收頻率之差，也就是fd。利用fd就可以測量出車輛的速度。

基于Doppler效應(yīng)原理的測速精度極高。其測量誤差主要來源于以下因素：T/R組件的發(fā)射頻率fo的誤差，Doppler頻率的fd測量誤差。由fo引起的誤差可通過提高其輸出穩(wěn)定度來解決，比如使用低相位噪聲的諧振腔，也可以采用鎖相（PPL）的方式實(shí)現(xiàn)；由fd測量引起的誤差則依據(jù)不同的檢測方式而采用不同的檢測方法。簡單的檢測方式是檢測單位時(shí)間內(nèi)IF信號(hào)的周期數(shù)，目前的測速雷達(dá)大多采用這種方式，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但是精度一般都不高，雖然可以在硬件和軟件上下功夫，但難以有突破性的進(jìn)展；另一種很精確的方法是利用數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP對(duì)IF信號(hào)進(jìn)行Fourier（傅立葉）變換以求得信號(hào)頻率，這種方法的特點(diǎn)是測量精度足夠高，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對(duì)較高。

2、 車輛流量檢測

利用Doppler效應(yīng)只能檢測具有一定速度運(yùn)動(dòng)的物體，并且只能檢測單一目標(biāo)，因此在智能交通系統(tǒng)中，如果要利用Doppler效應(yīng)對(duì)車輛進(jìn)行存在性檢測將會(huì)面臨只能檢測單一車道高速運(yùn)行車輛的困境，因此不合適該應(yīng)用。

除Doppler效應(yīng)外，微波雷達(dá)還具有距離檢測功能。利用測距功能通過測量車輛與雷達(dá)之間的距離就可以判別車輛處于哪一條車道；對(duì)于同一車道，有無車輛存在時(shí)回波信號(hào)強(qiáng)度相差很大，這樣就可以判定車輛的存在，綜合起來就可以同時(shí)獲得多車道實(shí)時(shí)車輛存在信息而不用擔(dān)心此時(shí)道路是否擁擠（低速甚至停止情形）。

采用調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)體制的雷達(dá)可以很好地實(shí)現(xiàn)上述雷達(dá)測距功能。

FMCW是受一定頻率周期性線性連續(xù)波調(diào)制的微波，雷達(dá)通過天線向外發(fā)射一系列連續(xù)調(diào)頻波，并接收目標(biāo)的反射信號(hào)。發(fā)射波的頻率隨時(shí)間按調(diào)制電壓的規(guī)律（一般為三角波或者鋸齒波信號(hào)） 變化，發(fā)射信號(hào)與經(jīng)過障礙物后的反射信號(hào)的頻率差即為混頻輸出的中頻信號(hào)頻率IF，該頻率正比于雷達(dá)到障礙物之間的距離，也就是說，目標(biāo)距離與雷達(dá)前端輸出的中頻頻率成正比。不同車道的車輛由于距雷達(dá)發(fā)射端口的距離不同，所產(chǎn)生的IF信號(hào)頻率也不相同，因而可以同時(shí)檢測多車道車輛的存在。

3、 其他交通信息參數(shù)檢測

除了車流量和速度以外，另外幾個(gè)主要交通信息參數(shù)是車型、占有率和車頭時(shí)距。對(duì)于微波來說，雖然不同類型的車輛其微波反射截面不同，但是這一特點(diǎn)無法用于車輛分型應(yīng)用之中，因?yàn)橛绊懛瓷浣孛娴囊蛩禺惓?fù)雜，形狀、大小、反射面材料等等都會(huì)起作用。由于車輛通過檢測區(qū)域所需時(shí)間是可以測量的，如果準(zhǔn)確速度知道了，利用速度與通過時(shí)間相乘就可以推算出車輛的長度，因而基于簡單微波技術(shù)的雷達(dá)只能提供基于長度的車輛分類（比如長車、中長車、短車等）。如果需要利用微波技術(shù)對(duì)車輛進(jìn)行準(zhǔn)確分型，則需要利用車輛輪廓診斷技術(shù)，成本將大幅度增加。一般的ITS應(yīng)用不需要對(duì)車輛進(jìn)行嚴(yán)格分型，按長度分類就可以了。

車道占有率以及車頭時(shí)距通過檢測車輛進(jìn)入和離開微波雷達(dá)監(jiān)測區(qū)域的時(shí)刻來計(jì)算。對(duì)于側(cè)向安裝微波雷達(dá)來說，這兩個(gè)時(shí)刻難以準(zhǔn)確測量，因?yàn)椴煌臋z測靈敏度將對(duì)應(yīng)不同的時(shí)刻，所以只能起到參考作用。而正向安裝微波雷達(dá)卻能非常準(zhǔn)確的測量。