專利名稱：智能交通中車(chē)流量監(jiān)控的雷達(dá)射頻裝置及測(cè)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種用進(jìn)行高速公路出入口多車(chē)道車(chē)流量及車(chē)速的雷達(dá)射頻(RF)裝置及測(cè)定方法，屬于小型民用雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域。
我國(guó)是一個(gè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的發(fā)展中國(guó)家，改革開(kāi)放以來(lái)，城市化與汽車(chē)化發(fā)展十分迅猛。改革開(kāi)放前，城市化水平不足19％，目前已經(jīng)發(fā)展到超過(guò)30％，預(yù)測(cè)2010年將接近50％；機(jī)動(dòng)車(chē)擁有量目前已達(dá)6000萬(wàn)輛，并以每年10％以上的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2010年達(dá)到1.3億多輛[http//www.epc-its.com.cn/]；進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)家還將繼續(xù)加快公路建設(shè)，建設(shè)適應(yīng)公路客、貨運(yùn)量增長(zhǎng)要求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展需要的中國(guó)公路運(yùn)輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)公路運(yùn)輸現(xiàn)代化是交通運(yùn)輸部門(mén)的重要任務(wù)。隨著公路里程的不斷延伸和增長(zhǎng)，覆蓋全國(guó)的公路主骨架的逐漸形成，如果不能及時(shí)建設(shè)一個(gè)覆蓋全國(guó)高速公路的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，車(chē)輛就像茫茫大海中的一條船，貨主無(wú)法得知貨物的運(yùn)送情況；運(yùn)輸公司無(wú)法得知車(chē)輛的行駛狀態(tài)以及貨物配載情況，更無(wú)法動(dòng)態(tài)地指揮和調(diào)度車(chē)輛；司機(jī)不能及時(shí)地得到公司的調(diào)度信息，無(wú)法欲知行程的路況等等。所以，建設(shè)覆蓋全國(guó)高速公路的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)勢(shì)在必行。
目前國(guó)內(nèi)的交通管理系統(tǒng)中對(duì)車(chē)流量和車(chē)速還缺乏有效的監(jiān)控裝置。往往是某段路已經(jīng)堵車(chē)由駕駛員通過(guò)電話報(bào)告管理部門(mén)以后才進(jìn)行調(diào)度，智能化較差，采用攝像的方法雖然可以對(duì)車(chē)流進(jìn)行監(jiān)控，但是夜晚工作能力較差。采用電磁線圈感應(yīng)的方式雖然測(cè)量比較準(zhǔn)確但是因?yàn)樾枰獙⒕€圈埋入路面而破壞道路，實(shí)施起來(lái)存在許多不便。Mike Juha[Mike Juha，RF playinga key role in transportation telematics，RF design，Nov.2000]經(jīng)研究比較后認(rèn)為，由于雷達(dá)工作的全天候特點(diǎn)，采用雷達(dá)來(lái)完成ITS系統(tǒng)中車(chē)流量和車(chē)速的監(jiān)控是目前最好的手段，并研制了相關(guān)樣機(jī)，他采用5.8GHz波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的雷達(dá)對(duì)車(chē)流量和車(chē)速進(jìn)行監(jiān)控，由于天線的特征尺寸與發(fā)射頻率成反比，因此該裝置存在體積較大的缺點(diǎn)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)一致性差，難以大批量加工的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的內(nèi)容主要是研制高速公路出入口多車(chē)道車(chē)流量及車(chē)速測(cè)定的雷達(dá)射頻裝置，其中涉及到前端收發(fā)組件、中頻放大電路、信號(hào)處理機(jī)等子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，綜合構(gòu)成了一個(gè)特定功能的裝置。
本發(fā)明提供的小型雷達(dá)裝置采用35GHz的毫米波，主要由天線、收發(fā)組件、線性調(diào)制單元、中頻放大器、信號(hào)處理機(jī)、顯示裝置等六個(gè)單元組成。天線將收發(fā)組件產(chǎn)生的35GHz調(diào)頻連續(xù)波發(fā)射出去，當(dāng)碰到目標(biāo)以后被反射回來(lái)并經(jīng)收發(fā)組件混頻以后輸入中頻放大器，經(jīng)放大和濾波后將信號(hào)輸入信號(hào)處理機(jī)計(jì)算和判別出目標(biāo)距離，并根據(jù)汽車(chē)行駛過(guò)雷達(dá)照射區(qū)域的時(shí)間和波形的變化以及信號(hào)處理機(jī)內(nèi)部定時(shí)器記錄的數(shù)值計(jì)算出車(chē)流量和車(chē)速，將其輸入顯示裝置，每隔半分鐘刷新一次顯示。該裝置的各單元說(shuō)明如下(1)該裝置采用收發(fā)共用的小型平面微帶天線，車(chē)行駛方向的主瓣角為5°，垂直于車(chē)道方向的主瓣角為30°，增益為15dB。
(2)收發(fā)組件將壓控振蕩器(VCO)、耦合器、環(huán)行器及混頻器做成一個(gè)平面微帶電路，其發(fā)射功率為2mW，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、一致性好、容易實(shí)現(xiàn)，造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)。
(3)本發(fā)明的線性調(diào)制單元可以產(chǎn)生一線性度好，直流偏置、幅度和頻率均可調(diào)的三角波。依據(jù)不同的需要調(diào)整合適的VCO調(diào)制帶寬。
(4)本發(fā)明提供的車(chē)流量檢測(cè)裝置能夠同時(shí)作用于四個(gè)車(chē)道，其作用距離由安裝位置決定，相對(duì)固定，最大作用距離為30米，增益為88dB。
(5)本發(fā)明的信號(hào)處理部分以TI公司的TMS320C5402的高速數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片為核心，外圍器件包括ADC驅(qū)動(dòng)電路、ADC、高速閃存、電源管理模塊、RS232接口電路等，綜合構(gòu)成了一塊高速數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，其時(shí)鐘頻率為40MHz，可以對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行高速處理，從復(fù)雜的信號(hào)背景下，消除不需要的信號(hào)(如雜波)檢出有用的雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)信號(hào)，具有很好的實(shí)時(shí)性和靈活性。其原理框圖如圖3所示。
(6)車(chē)流量檢測(cè)算法軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是本發(fā)明的核心之一，在建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)復(fù)雜雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行處理，檢測(cè)并計(jì)數(shù)。其核心思想是利用高速DSP芯片的兩個(gè)定時(shí)器產(chǎn)生一定時(shí)間間隔的中斷，同時(shí)DSP芯片對(duì)由ADC采樣的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，由于監(jiān)控器安裝在固定的位置，其覆蓋區(qū)域的背景比較固定，因此可以在頻域上完成雜波的消除算法，將有車(chē)輛通過(guò)時(shí)的頻譜與無(wú)車(chē)輛通過(guò)的頻譜進(jìn)行頻域消干，再根據(jù)頻譜的幅度判定車(chē)輛所屬車(chē)道，分別記錄車(chē)輛通過(guò)的次數(shù)，然后除以定時(shí)器的中斷周期，就可得到車(chē)流量。車(chē)輛進(jìn)入和離開(kāi)雷達(dá)區(qū)域時(shí)分別啟動(dòng)和關(guān)閉定時(shí)器，根據(jù)覆蓋區(qū)域的幾何方程和定時(shí)器記錄的時(shí)間就可以計(jì)算出車(chē)速。其程序流程圖如圖6所示，系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)首先對(duì)DSP芯片的各內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化，然后對(duì)系統(tǒng)中用到的定時(shí)器0和定時(shí)器1以及計(jì)數(shù)器等常數(shù)賦初始值，接下來(lái)在軟件中將定時(shí)器0關(guān)閉、定時(shí)器1開(kāi)啟，兩個(gè)定時(shí)器分別用來(lái)記錄車(chē)通過(guò)雷達(dá)照射區(qū)域的時(shí)間和記算車(chē)流量的時(shí)間。必要的初始化結(jié)束以后，系統(tǒng)通過(guò)ADC進(jìn)行信號(hào)采樣并將采集到的數(shù)據(jù)送入DSP芯片進(jìn)行頻譜分析，記錄下功率最大的前4個(gè)譜峰對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率fi和電壓Ui，然后判斷Ui是否大于門(mén)限電壓，若大于則判斷信號(hào)頻譜是否有變化并對(duì)相應(yīng)車(chē)道的計(jì)數(shù)器加1，表示該車(chē)道又有一輛車(chē)通過(guò)。若不大于門(mén)限電壓則判斷定時(shí)器1是否到達(dá)一個(gè)刷新周期20ms，若沒(méi)有到達(dá)20ms則DSP執(zhí)行空循環(huán)等待，直到到達(dá)20ms才進(jìn)行下一步判斷，詢問(wèn)定時(shí)器0是否打開(kāi)，若已關(guān)閉說(shuō)明當(dāng)前車(chē)輛已經(jīng)完成了進(jìn)入和穿過(guò)雷達(dá)照射區(qū)域的全過(guò)程，可以根據(jù)照射區(qū)域的長(zhǎng)度和定時(shí)器0記錄的時(shí)間計(jì)算出該車(chē)速度，然后程序判斷定時(shí)器0是否到達(dá)30s，若達(dá)到則將當(dāng)前計(jì)數(shù)器中記錄的車(chē)數(shù)乘2便得到了每分鐘的車(chē)流量，并將車(chē)速和車(chē)流量的值送入顯示裝置進(jìn)行顯示，然后進(jìn)入新一輪大循環(huán)進(jìn)行新一輪車(chē)流量監(jiān)測(cè)；若未到達(dá)30s則程序轉(zhuǎn)入小循環(huán)，累計(jì)當(dāng)前車(chē)數(shù)并計(jì)算通過(guò)速度和車(chē)流量。整個(gè)程序每30秒重新顯示一次當(dāng)前的車(chē)流量信息，周而復(fù)始實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
(7)顯示部分用2組4位LED數(shù)碼管分別顯示車(chē)流量和車(chē)速，車(chē)流量每隔半分鐘顯示一次，單位為輛/分鐘，車(chē)速根據(jù)當(dāng)前有無(wú)車(chē)通過(guò)雷達(dá)監(jiān)控區(qū)域?qū)崟r(shí)顯示。
本發(fā)明的性能指標(biāo)工作環(huán)境-40℃～+80℃最大作用距離30m
速度分辨率＜5Km/h刷新頻率0.5Hz電源+8～12V單電源供電輸出數(shù)字顯示車(chē)流量和車(chē)速圖2是

圖1中的中放原理示意圖。
圖3是圖1中的信號(hào)處理原理框圖。
圖4是圖1中的顯示裝置原理框圖。
圖5是本裝置測(cè)定車(chē)流量和車(chē)速的原理圖。
圖6是本裝置測(cè)定車(chē)流量和車(chē)速的程序流程圖。
圖中1-天線 2-收發(fā)組件 3-中放4-信號(hào)處理機(jī) 5-顯示裝置 6-線性調(diào)制單元21-環(huán)行器22-耦合器 23-壓控振蕩器24-混頻器31-中頻輸入 32-中放321-濾波電路 322-線性放大器 33-中頻輸出41-ADC驅(qū)動(dòng)模塊 42-電源模塊 43-模數(shù)轉(zhuǎn)換44-數(shù)字信號(hào)處理器45-硬件復(fù)位 46-高速閃存47-IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)掃描邏輯(JTAG)調(diào)試口48-通信串口49-數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展 51-數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展 52-譯碼器53-鎖存器54-數(shù)碼管 55-電源指示本發(fā)明裝置在具體使用時(shí)，如圖5所示，雷達(dá)波束以垂直于公路的方向發(fā)射高頻電磁波，波束覆蓋4個(gè)車(chē)道(本說(shuō)明書(shū)以4車(chē)道為例，多車(chē)道原理相同)。每車(chē)道寬w＝5m，安裝盲區(qū)L＝1m，則4車(chē)道寬2a＝20m。垂直于車(chē)道方向的主瓣角為θ＝30°，汽車(chē)行駛方向主瓣角γ＝5°，雷達(dá)的安裝高度、照射角度以及波束的寬度經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算，保證波束的覆蓋區(qū)域控制在較狹長(zhǎng)的一個(gè)區(qū)域內(nèi)。本裝置的安裝高度為h＝9.35m，安裝角度α＝6°，這樣可以保證系統(tǒng)工作可靠。
權(quán)利要求
1.一種車(chē)流量監(jiān)控的雷達(dá)射頻裝置，其特征在于(1)采用35GHz的毫米波，主要由天線、收發(fā)組件、線性調(diào)制單元、中頻放大器、信號(hào)處理機(jī)、顯示裝置六個(gè)單元組成；(2)線性調(diào)制單元產(chǎn)生一幅度、偏置和頻率可調(diào)的三角波，輸入到收發(fā)組件中的壓控振蕩器，產(chǎn)生一頻率按三角波規(guī)律變化的毫米波信號(hào)，經(jīng)耦合器、環(huán)行器、天線發(fā)射出去，碰到目標(biāo)并返回再由天線接收，經(jīng)環(huán)行器完成與發(fā)射信號(hào)的隔離后，和耦合器耦合到的發(fā)射信號(hào)的一部分經(jīng)混頻器混頻，混頻后的信號(hào)經(jīng)中放進(jìn)入信號(hào)處理機(jī)檢測(cè)出汽車(chē)目標(biāo)，并啟動(dòng)定時(shí)器中斷，在一定時(shí)間內(nèi)記錄通過(guò)雷達(dá)覆蓋區(qū)域的車(chē)輛，計(jì)算出車(chē)流量和車(chē)速，并將其送入顯示單元進(jìn)行顯示。
2.按權(quán)利要求1所述的車(chē)流量監(jiān)控的雷達(dá)射頻裝置，其特征在于(1)所述的無(wú)線采用收發(fā)共用的小型平面微帶天線，車(chē)行駛方向的主瓣角為5°，垂直于車(chē)道方向的主瓣角為30°，增益為15dB；(2)所述的收發(fā)組件將壓控振蕩器、耦合器、環(huán)行器及混頻器做成一個(gè)平面微帶電路，其發(fā)射功率為2mW；(3)所述的信號(hào)處理部分以TI公司的TMS320C5402的高速數(shù)字信號(hào)處理芯片為核心，外圍器件包括ADC驅(qū)動(dòng)電路、ADC、高速閃存、電源管理模塊、RS232接口電路，綜合構(gòu)成了高速數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，其時(shí)鐘頻率為40MHz；(4)所述的顯示部分用2組4位LED數(shù)碼管分別顯示車(chē)流量和車(chē)速。
3.按權(quán)利要求1或2所述的車(chē)流量監(jiān)控的雷達(dá)射頻裝置，其特征在于本裝置安裝高度為9.35m，安裝角度α＝6°，最大工作距離為30m，速度分辨率＜5Km/h；車(chē)流量每隔半分鐘顯示一次，車(chē)速實(shí)時(shí)顯示。
4.一種車(chē)流量監(jiān)控的雷達(dá)射頻裝置的測(cè)定方法，其特征在于利用高速DSP芯片的兩個(gè)定時(shí)器產(chǎn)生的一定時(shí)間間隔的中斷，同時(shí)DSP芯片對(duì)由ADC采樣的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，在頻域上完成雜波的消除算法，將有車(chē)輛通過(guò)時(shí)的頻譜與無(wú)車(chē)輛通過(guò)的頻譜進(jìn)行頻域消干，再根據(jù)頻譜的幅度判定車(chē)輛所屬的車(chē)道，分別記錄車(chē)輛通過(guò)的次數(shù)，然后除以定時(shí)器的中斷周期，就可得到車(chē)流量；車(chē)輛進(jìn)入和離開(kāi)雷達(dá)區(qū)域時(shí)分別啟動(dòng)和關(guān)閉定時(shí)器，根據(jù)覆蓋區(qū)域的幾何方程和定時(shí)器記錄的時(shí)間就可以計(jì)算出車(chē)速。
5.按權(quán)利要求4所述的車(chē)流量監(jiān)控的雷達(dá)射頻裝置的測(cè)定方法，其特征在于(1)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)首先對(duì)DSP芯片的各內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化，然后對(duì)系統(tǒng)中用到的定時(shí)器0和定時(shí)器1以及計(jì)數(shù)器常數(shù)賦初始值；(2)將定時(shí)器0關(guān)閉、定時(shí)器1開(kāi)啟，兩個(gè)定時(shí)器分別用來(lái)記錄車(chē)通過(guò)雷達(dá)照射區(qū)域的時(shí)間和記算車(chē)流量的時(shí)間；(3)系統(tǒng)通過(guò)ADC進(jìn)行信號(hào)采樣并將采集到的數(shù)據(jù)送入DSP芯片進(jìn)行頻譜分析，記錄下功率最大的前4個(gè)譜峰對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率fi和電壓Ui，然后判斷Ui是否大于門(mén)限電壓，若大于則判斷信號(hào)頻譜是否有變化并對(duì)相應(yīng)車(chē)道的計(jì)數(shù)器加1，表示該車(chē)道又有一輛車(chē)通過(guò)。若不大于門(mén)限電壓則判斷定時(shí)器1是否到達(dá)一個(gè)刷新周期20ms，若沒(méi)有到達(dá)20ms則DSP執(zhí)行空循環(huán)等待，直到到達(dá)20ms才進(jìn)行下一步判斷，詢問(wèn)定時(shí)器0是否打開(kāi)，若已關(guān)閉說(shuō)明當(dāng)前車(chē)輛已經(jīng)完成了進(jìn)入和穿過(guò)雷達(dá)照射區(qū)域的全過(guò)程，根據(jù)照射區(qū)域的長(zhǎng)度和定時(shí)器0記錄的時(shí)間計(jì)算出該車(chē)速度，然后程序判斷定時(shí)器0是否到達(dá)30s，若達(dá)到則將當(dāng)前計(jì)數(shù)器中記錄的車(chē)數(shù)乘2便得到了每分鐘的車(chē)流量，并將車(chē)速和車(chē)流量的值送入顯示裝置進(jìn)行顯示，然后進(jìn)入新一輪大循環(huán)進(jìn)行新一輪車(chē)流量監(jiān)測(cè)；(4)若未到達(dá)30s則程序轉(zhuǎn)入小循環(huán)，累計(jì)當(dāng)前車(chē)數(shù)并計(jì)算通過(guò)速度和車(chē)流量。整個(gè)程序每30秒重新顯示一次當(dāng)前的車(chē)流量信息，周而復(fù)始實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明一種智能交通中車(chē)流量監(jiān)控的雷達(dá)射頻裝置及測(cè)定方法，其特征在于(1)采用35GHz的毫米波，主要由天線、收發(fā)組件、線性調(diào)制單元、中頻放大器、信號(hào)處理機(jī)、顯示裝置六個(gè)單元組成；(2)線性調(diào)制單元產(chǎn)生可調(diào)的三角波，輸入到收發(fā)組件產(chǎn)生一頻率按三角波規(guī)律變化的毫米波信號(hào)，經(jīng)耦合器、環(huán)行器、天線發(fā)射出去，碰到目標(biāo)并返回再由天線接收，經(jīng)環(huán)行器完成與發(fā)射信號(hào)的隔離后，和耦合器耦合到的發(fā)射信號(hào)的一部分經(jīng)混頻器混頻后進(jìn)入信號(hào)處理機(jī)檢測(cè)出目標(biāo)，并啟動(dòng)定時(shí)器中斷，記錄通過(guò)覆蓋區(qū)域的車(chē)輛，利用軟件計(jì)算出車(chē)流量和車(chē)速，并將其送入顯示單元進(jìn)行顯示。流量每隔半分鐘顯示一次，車(chē)速通過(guò)雷達(dá)監(jiān)控區(qū)實(shí)時(shí)顯示。
文檔編號(hào)G01S13/16GK1400475SQ0213654
公開(kāi)日2003年3月5日 申請(qǐng)日期2002年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月16日
發(fā)明者金昶明, 孫曉瑋, 夏冠群 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所