微波雷達智能交通應用技術(shù)詳細介紹

二、基于微波雷達的交通信息檢測與超速抓拍觸發(fā)技術(shù)
將微波雷達技術(shù)應用于交通信息采集時(shí)關(guān)鍵要解決從雷達回波信號中提取車(chē)輛信息問(wèn)題。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是如何利用微波雷達技術(shù)所具有的測速與測距功能來(lái)實(shí)現交通信息實(shí)時(shí)檢測。

1、 速度檢測

微波雷達對運動(dòng)物體的精確速度檢測基于微波多普勒（Doppler）效應。微波在行進(jìn)過(guò)程中，碰到障礙物體時(shí)會(huì )反射，而且反射回來(lái)的波，其頻率及振幅都會(huì )隨著(zhù)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(lái)的波其頻率不變。若物體朝著(zhù)無(wú)線(xiàn)電波發(fā)射的方向前進(jìn)，此時(shí)所反射回來(lái)的無(wú)線(xiàn)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(zhù)遠離無(wú)線(xiàn)電波方向行進(jìn)，則反射回來(lái)的無(wú)線(xiàn)電波其頻率會(huì )隨之減小。這就是Doppler效應。

基于Doppler效應原理，可以對運動(dòng)目標的速度進(jìn)行精確測量。將相對運動(dòng)所引起的接收頻率與發(fā)射頻率之間的差頻稱(chēng)為Doppler頻率，用fd表示，表達式為

fd = 2fo*V*cosΘ/c

其中fo表示雷達前端發(fā)射的微波信號頻率（一般為24GHz或者35GHz）;V為被檢車(chē)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，并接收目標的反射信號，由于反射信號的頻率與發(fā)射信號的頻率相比已經(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(chē)輛的速度。

基于Doppler效應原理的測速精度極高。其測量誤差主要來(lái)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(guò)提高其輸出穩定度來(lái)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；由fd測量引起的誤差則依據不同的檢測方式而采用不同的檢測方法。簡(jiǎn)單的檢測方式是檢測單位時(shí)間內IF信號的周期數，目前的測速雷達大多采用這種方式，其特點(diǎn)是結構簡(jiǎn)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字信號處理芯片DSP對IF信號進(jìn)行Fourier（傅立葉）變換以求得信號頻率，這種方法的特點(diǎn)是測量精度足夠高，缺點(diǎn)是結構復雜，成本相對較高。

2、 車(chē)輛流量檢測

利用Doppler效應只能檢測具有一定速度運動(dòng)的物體，并且只能檢測單一目標，因此在智能交通系統中，如果要利用Doppler效應對車(chē)輛進(jìn)行存在性檢測將會(huì )面臨只能檢測單一車(chē)道高速運行車(chē)輛的困境，因此不合適該應用。

除Doppler效應外，微波雷達還具有距離檢測功能。利用測距功能通過(guò)測量車(chē)輛與雷達之間的距離就可以判別車(chē)輛處于哪一條車(chē)道；對于同一車(chē)道，有無(wú)車(chē)輛存在時(shí)回波信號強度相差很大，這樣就可以判定車(chē)輛的存在，綜合起來(lái)就可以同時(shí)獲得多車(chē)道實(shí)時(shí)車(chē)輛存在信息而不用擔心此時(shí)道路是否擁擠（低速甚至停止情形）。

采用調頻連續波(FMCW)體制的雷達可以很好地實(shí)現上述雷達測距功能。

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

3、 其他交通信息參數檢測

除了車(chē)流量和速度以外，另外幾個(gè)主要交通信息參數是車(chē)型、占有率和車(chē)頭時(shí)距。對于微波來(lái)說(shuō)，雖然不同類(lèi)型的車(chē)輛其微波反射截面不同，但是這一特點(diǎn)無(wú)法用于車(chē)輛分型應用之中，因為影響反射截面的因素異常復雜，形狀、大小、反射面材料等等都會(huì )起作用。由于車(chē)輛通過(guò)檢測區域所需時(shí)間是可以測量的，如果準確速度知道了，利用速度與通過(guò)時(shí)間相乘就可以推算出車(chē)輛的長(cháng)度，因而基于簡(jiǎn)單微波技術(shù)的雷達只能提供基于長(cháng)度的車(chē)輛分類(lèi)（比如長(cháng)車(chē)、中長(cháng)車(chē)、短車(chē)等）。如果需要利用微波技術(shù)對車(chē)輛進(jìn)行準確分型，則需要利用車(chē)輛輪廓診斷技術(shù)，成本將大幅度增加。一般的ITS應用不需要對車(chē)輛進(jìn)行嚴格分型，按長(cháng)度分類(lèi)就可以了。

車(chē)道占有率以及車(chē)頭時(shí)距通過(guò)檢測車(chē)輛進(jìn)入和離開(kāi)微波雷達監測區域的時(shí)刻來(lái)計算。對于側向安裝微波雷達來(lái)說(shuō)，這兩個(gè)時(shí)刻難以準確測量，因為不同的檢測靈敏度將對應不同的時(shí)刻，所以只能起到參考作用。而正向安裝微波雷達卻能非常準確的測量。