專利名稱：雙波束四天線微波交通信息檢測雷達及信息檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種智能交通系統(tǒng)中的交通信息采集領(lǐng)域，特別涉及一種雙波束 四天線微波交通信息檢測雷達及信息檢測方法。
背景技術(shù)：
實時交通信息是智能交通系統(tǒng)(ITS)最基本的信息源之一，只有對各道路實時交 通信息有了準(zhǔn)確地掌握才能有效地實施和發(fā)揮諸如公眾出行服務(wù)、交通行車誘導(dǎo)、智能紅 綠燈控制之類的ITS功能，因此對交通信息的實時檢測技術(shù)是ITS技術(shù)中最核心也是最基 本的技術(shù)之一。交通信息采集技術(shù)的研究已經(jīng)開展多年。目前已有多種交通信息采集技術(shù)在實際 中應(yīng)用。通過這些技術(shù)采集到的交通信息主要包括各車道的車流量、車道占有率，車速、車 型、車頭時距等。最先開始發(fā)展的是接觸式的交通信息采集技術(shù)，其主要代表是環(huán)行線圈探測。這 些采集裝置都有共同特點，就是埋藏在路面之下，當(dāng)汽車經(jīng)過采集裝置上方時會引起相應(yīng) 的壓力、電場或磁場的變化，最后采集裝置將這些力和場的變化轉(zhuǎn)換為所需要的交通信息。 經(jīng)過多年發(fā)展，路面接觸式的交通信息采集技術(shù)已經(jīng)很成熟，其測量精度高，易于掌握，一 直在交通信息采集領(lǐng)域中占有主要地位。但是這種路面接觸式的交通采集裝置有著不可避 免的缺點。首先是安裝維護困難，必須中斷交通、破壞路面；其次使用壽命短。另外，對隧 道、橋梁等環(huán)境，路面破壞性的安裝方式存在更多的困難與不便。所有這些都帶來了其使用 成本的上升。新近發(fā)展起來的路面非接觸式交通信息采集裝置是在道路邊立桿上安裝微波雷 達，很大程度上解決了這些問題，這類裝置有著安裝維護方便、使用壽命長、單一雷達能同 時覆蓋10車道、幾乎不受光照度、灰塵以及風(fēng)、雨、霧、雪等天氣氣候影響等優(yōu)點。但是這種 側(cè)向安裝微波雷達也有其不可克服的缺點，主要體現(xiàn)在存在車輛之間的遮擋與干擾、無法 測量實時車速、無法準(zhǔn)確檢測車輛長度等。而這些參數(shù)對于ITS應(yīng)用來說，都是很重要的， 出現(xiàn)這些問題的根本原因是裝在道路邊上的雷達只具有單一微波波束，由于這種雷達采用 的是調(diào)頻連續(xù)波體制(FMCW)，車輛行駛方向與微波波束垂直，因此無法直接測量車輛行駛 速度，因而也就無法準(zhǔn)確檢測車型了。因此研究一種既具有側(cè)向安裝微波雷達的優(yōu)點，同時又能準(zhǔn)確檢測車輛速度和車 輛類型，并提高抗相鄰車輛干擾能力的微波交通信息采集雷達很重要也很必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是要提供一種準(zhǔn)確檢測車輛速度和車輛類型，并提高 抗相鄰車輛干擾能力的雙波束四天線微波交通信息檢測雷達及信息檢測方法。為了解決以上的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種雙波束四天線微波交通信息檢測雷 達，該雷達采用兩路收、發(fā)單元，每路收、發(fā)單元分別有收、發(fā)天線，并且每路收、發(fā)單元采用
3鏡像抑制混頻器輸出相互正交的兩路中頻信號，兩路中頻信號送至數(shù)字信號處理單元處 理，處理后的雷達信號經(jīng)軟件檢測分析出各種交通路況信息。數(shù)字信號處理單元還與人機接口單元連接，人機接口單元與計算機通訊，人機接 口單元處理雷達參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整，以及交通信息發(fā)布。所述兩路收、發(fā)單元中的發(fā)射單元，是射頻信號源經(jīng)射頻開關(guān)后，用兩路功分器分 出兩路射頻信號，再分別經(jīng)倍頻后分別用兩副天線發(fā)射。所述兩路收、發(fā)單元中的接收單元，是用兩副接收天線分別接收前述兩副發(fā)射天 線的雷達回波信號，每路接收的雷達回波信號分別用鏡像抑制混頻器混頻輸出相互正交的 兩路中頻信號I和Q，則兩個鏡像抑制混頻器共混頻輸出四路中頻信號。所述數(shù)字信號處理單元設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)字信號處理芯片、閃存器，外設(shè)以及 時鐘發(fā)生器，數(shù)字信號處理芯片進行快速佛里葉變換FFT，測出交通信息。所述收、發(fā)天線是由兩副平面陣列微波天線構(gòu)成的。該天線由一組12個平面天線 單元串聯(lián)后，與另一組串聯(lián)的12個平面天線單元并聯(lián)構(gòu)成，兩組串、并聯(lián)的平面陣列天線 采用端饋方式給天線陣列饋電，每個平面天線單元采用切口式饋電。兩組并聯(lián)的平面陣列天線采用等功率分配；每組串聯(lián)的天線單元采用不等功率分 配。兩組串、并聯(lián)的平面陣列天線，其波束主瓣方向與平面天線的法線方向有一個夾角。所述的雙波束四天線微波交通信息檢測雷達軟件檢測分析交通信息的方法是 ⑴數(shù)字信號處理芯片的初始化；
⑵第一組正交的中頻信號II、Ql進行FFT處理； ⑶第二組正交的中頻信號12、Q2進行FFT處理； ⑷判斷檢測之前區(qū)域是否有車，如有，轉(zhuǎn)⑶；如無，轉(zhuǎn)下一步；
(5)判斷車輛是否進入檢測區(qū)域，如無，返回⑵；如有，轉(zhuǎn)下一步；
(6)判斷車輛行駛方向；返回⑵；
(7)檢測前區(qū)域若有車輛，則判斷車輛是否離開該區(qū)域；
(8)若未離開區(qū)域，返回⑵；若離開區(qū)域，轉(zhuǎn)下一步； ⑶計算交通信息；
(10)信息交換與處理。本發(fā)明的優(yōu)越功效在于
1)既保留了側(cè)向安裝微波雷達的優(yōu)點，同時又能準(zhǔn)確檢測車輛實時速度、行駛方向以 及車輛類型，并提高抗相鄰車輛干擾能力；
2)本發(fā)明平面陣列微波天線產(chǎn)生的波束主瓣指向與平面天線法線方向成一小夾角，此 時一個波束偏向左邊，另一個波束偏向右邊，兩者互不相干，2個同樣的天線按相反方向擺 放就形成了具有一定夾角的雙波束，完全符合雙波束微波交通信息采集雷達需求；
3)與中心饋電方式相比，本發(fā)明平面陣列微波天線的端饋方式更有利于雷達整體結(jié)構(gòu) 的布局，主要體現(xiàn)在兩方面，一是雷達收發(fā)組件布線長度可以減短有利于減少微波輻射損 耗，另一方面也有利于減小雷達橫截面積。


圖1為本發(fā)明的原理方框圖；圖2為本發(fā)明收、發(fā)信號處理原理方框圖； 圖3為本發(fā)明中頻信號處理原理方框圖； 圖4為本發(fā)明數(shù)字信號處理原理方框圖； 圖5為本發(fā)明人機接口單元原理方框圖； 圖6為本發(fā)明交通信息檢測方法流程圖； 圖7為本發(fā)明調(diào)頻信號示意圖； 圖8本發(fā)明的平面陣列天線平面圖； 圖中標(biāo)號說明
1一調(diào)制/開關(guān)信號；2—收、發(fā)單元；
3—收、發(fā)天線；
33—天線單元；34—端饋電；
4一中頻信號處理單元；5—數(shù)字信號處理單元；
6—人機接口單元。
具體實施例方式請參閱附圖所示，對本發(fā)明作進一步的描述。如圖1所示，本發(fā)明提供了一種雙波束四天線微波交通信息檢測雷達，該雷達采 用兩路收、發(fā)單元，每路收、發(fā)單元分別有收、發(fā)天線，并且每路收、發(fā)單元采用鏡像抑制混 頻器輸出相互正交的兩路中頻信號，兩路中頻信號送至數(shù)字信號處理單元處理，處理后的 雷達信號經(jīng)軟件檢測分析出各種交通路況信息。如圖5所示，數(shù)字信號處理單元還與人機接口單元連接，人機接口單元與計算機 通訊，人機接口單元處理雷達參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整，以及交通信息發(fā)布。如圖2所示，所述兩路收、發(fā)單元中的發(fā)射單元，是射頻信號源經(jīng)射頻開關(guān)后，用 兩路功分器分出兩路射頻信號，再分別經(jīng)倍頻后分別用兩副天線發(fā)射。如圖2所示，所述兩路收、發(fā)單元中的接收單元，是用兩副接收天線分別接收前述 兩副發(fā)射天線的雷達回波信號，每路接收的雷達回波信號分別用鏡像抑制混頻器混頻輸出 相互正交的兩路中頻信號I和Q，則兩個鏡像抑制混頻器共混頻輸出四路中頻信號。如圖4所示，所述數(shù)字信號處理單元設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)字信號處理芯片、閃存 器，外設(shè)以及時鐘發(fā)生器，數(shù)字信號處理芯片進行快速佛里葉變換FFT，測出交通信息。所述收、發(fā)天線是由兩副平面陣列微波天線構(gòu)成的。如圖8所示，該天線由一組12 個平面天線單元串聯(lián)后，與另一組串聯(lián)的12個平面天線單元33并聯(lián)構(gòu)成，兩組串、并聯(lián)的 平面陣列天線采用端饋34方式給天線陣列饋電，每個平面天線單元33采用切口式饋電。兩組并聯(lián)的平面陣列天線采用等功率分配；每組串聯(lián)的天線單元采用不等功率分 配。兩組串、并聯(lián)的平面陣列天線，其波束主瓣方向與平面天線的法線方向有一個夾角。如圖6所示，所述的雙波束四天線微波交通信息檢測雷達軟件檢測分析交通信息 的方法是
⑴數(shù)字信號處理芯片的初始化；
⑵第一組正交的中頻信號II、Ql進行FFT處理；
⑶第二組正交的中頻信號12、Q2進行FFT處理；
5⑷判斷檢測之前區(qū)域是否有車，如有，轉(zhuǎn)⑶；如無，轉(zhuǎn)下一步；
(5)判斷車輛是否進入檢測區(qū)域，如無，返回⑵；如有，轉(zhuǎn)下一步；
(6)判斷車輛行駛方向；返回⑵；
(7)檢測前區(qū)域若有車輛，則判斷車輛是否離開該區(qū)域；
(8)若未離開區(qū)域，返回⑵；若離開區(qū)域，轉(zhuǎn)下一步； ⑶計算交通信息；
(10)信息交換與處理。以下根據(jù)實施例，對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1所示，本發(fā)明是由收、發(fā)單元2，收、發(fā)天線3，中頻信號處理單元4，數(shù)字信號 處理單元5以及人機接口單元6組成。如圖2所示，收、發(fā)單元2中的VC021發(fā)射中心頻率在12. 15GHz、調(diào)諧帶寬為100 300MHz的微波，經(jīng)過射頻開關(guān)22后變成2路獨立的微波信號源，由于對2路微波信號處理 方式一樣，這里只闡述其中一路。從射頻開關(guān)22出來的微波信號經(jīng)過功分器23耦合或者 功分后變成二路，其中一路微波信號經(jīng)過倍頻器24后變成中心頻率在24. 3GHz的微波，直 接通過發(fā)射天線31向外發(fā)射；另一路信號用作驅(qū)動鏡像抑制混頻器25的本振LO信號；通 過發(fā)射天線31發(fā)射的微波遇到障礙物后反射，反射微波通過接收天線32接收，作為射頻RF 輸入信號進入混頻器25，在混頻器25中，回波信號與發(fā)射信號混頻以獲得攜帶有道路實時 交通信息的2路相互正交中頻IF信號，即II、Ql ；另一路微波信號也同樣工作，雷達收、發(fā) 單元2產(chǎn)生4路IF信號輸出，即I1、Q1、I2、Q2。為提高信噪比，4路IF信號從收、發(fā)單元2 輸出前先經(jīng)過低噪聲放大單元26進行放大。如圖3所示，由收、發(fā)單元2產(chǎn)生的4路IF信號通過探針饋入中頻信號處理單元4 后，首先進行低噪聲放大器41處理，然后進入帶通濾波器42以產(chǎn)生處理后的4路IF信號。如圖5所示，經(jīng)中頻信號處理單元4處理后的4路IF信號進入數(shù)字信號處理單元 5，數(shù)字信號處理單元包括A/D轉(zhuǎn)換ADC51、數(shù)字信號處理DSP芯片52、時鐘RTC56、閃儲器 Flash55、DSP其他外設(shè)，如Uart等53以及電源54。如圖5所示，數(shù)字信號處理單元5與外界計算機之間通過人機接口單元6相連接， 人機接口單元主要處理雷達參數(shù)設(shè)置與調(diào)整621和交通信息發(fā)布622。人機接口單元6實 際上就是一個接口程序，采用計算機語言C + +和VB混合編程而成，在Windows環(huán)境下運 行，其中最關(guān)鍵的部分是輸出傳輸協(xié)議，雷達參數(shù)以及交通信息均是通過采用一定的接口 協(xié)議進行交換的。參數(shù)設(shè)置主要包括與現(xiàn)場安裝環(huán)境相關(guān)的參數(shù)，如雷達安裝高度、車道寬 度、車道數(shù)、雷達安裝立桿離第一車道外沿的距離等，以及與通信有關(guān)的參數(shù)，如傳輸波特 率等；交通信息主要包括個車道車流量、車速、占有率以及車型等，具體需求將根據(jù)用戶要 求而定。將微波雷達技術(shù)應(yīng)用于交通信息采集時關(guān)鍵要解決從雷達回波信號中提取車輛 信息問題。簡單來說，雷達具有測距功能，利用測距功能通過測量車輛與雷達之間的距離就 可以判別車輛處于哪一條車道；對于同一車道，有無車輛存在時回波信號強度相差很大，這 樣就可以判定車輛的存在；綜合起來再加上其他算法就獲得了所需要的交通信息。采用調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)體制的雷達可以很好地實現(xiàn)這一功能。FMCW是周期性的線性調(diào)頻脈沖波，脈沖占空比是100%。雷達通過天線向外發(fā)射一
式中C為光速。發(fā)射信號與反射信號的頻率差即為混頻輸出的中頻信號頻率7F，如圖 7。根據(jù)三角關(guān)系，由圖7可以得出
其中r為調(diào)制三角波周期，Zl F為調(diào)頻帶寬。由⑴、⑵式可得目標(biāo)距離R為
(3)
如上所述，目標(biāo)距離與雷達前端輸出的中頻頻率成正比。
本發(fā)明一副平面陣列天線發(fā)射單一微波波束具有一定的發(fā)射角和方位角，采用二 副平面陣列天線發(fā)射的2束微波波束主瓣方向上有一定夾角，在扇形區(qū)域內(nèi)發(fā)射連續(xù)的低 功率調(diào)制微波，并在路面上留下一條長長的投影，從而使微波束能同時照射到路面上8個 車道，根據(jù)被檢測目標(biāo)返回的回波所產(chǎn)生的中頻信號，利用上述FMCW原理就可以得出道路 車流量信息了 ；在檢測車輛存在信息的同時，能獲得車輛進入和離開微波波束覆蓋區(qū)域的 時刻，因而就能測量出車輛的速度，而占有率是時間占有率，也就是說車輛通過微波波束覆 蓋區(qū)域的時間與單位時間的比例。
系列連續(xù)調(diào)頻波，并接收目標(biāo)的反射信號。發(fā)射波的頻率隨時間按調(diào)制電壓的規(guī)律變化。一 般調(diào)制信號為三角波信號，發(fā)射信號與接收信號的頻率變化如圖7所示。反射波與發(fā)射波 的形狀相同，只是在時間上有一個延遲Zl t,A 與目標(biāo)距離/P的關(guān)系可表示為
權(quán)利要求
一種雙波束四天線微波交通信息檢測雷達，其特征在于該雷達采用兩路收、發(fā)單元，每路收、發(fā)單元分別有收、發(fā)天線，并且每路收、發(fā)單元采用鏡像抑制混頻器輸出相互正交的兩路中頻信號，兩路中頻信號送至數(shù)字信號處理單元處理，處理后的雷達信號經(jīng)軟件檢測分析出各種交通路況信息。
2.按權(quán)利要求1所述的雙波束四天線微波交通信息檢測雷達，其特征在于數(shù)字信號 處理單元還與人機接口單元連接，人機接口單元與計算機通訊，人機接口單元處理雷達參 數(shù)的設(shè)置和調(diào)整，以及交通信息發(fā)布。
3.按權(quán)利要求1所述的雙波束四天線微波交通信息檢測雷達，其特征在于所述兩路 收、發(fā)單元中的發(fā)射單元，是射頻信號源經(jīng)射頻開關(guān)后，用兩路功分器分出兩路射頻信號， 再分別經(jīng)倍頻后分別用兩副天線發(fā)射。
4.按權(quán)利要求1所述的雙波束四天線微波交通信息檢測雷達，其特征在于所述兩路 收、發(fā)單元中的接收單元，是用兩副接收天線分別接收前述兩副發(fā)射天線的雷達回波信號， 每路接收的雷達回波信號分別用鏡像抑制混頻器混頻輸出相互正交的兩路中頻信號I和 Q，則兩個鏡像抑制混頻器共混頻輸出四路中頻信號。
5.按權(quán)利要求1或2所述的雙波束四天線微波交通信息檢測雷達，其特征在于所述 數(shù)字信號處理單元設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)字信號處理芯片、閃存器，外設(shè)以及時鐘發(fā)生器， 數(shù)字信號處理芯片進行快速佛里葉變換FFT，測出交通信息。
6.按權(quán)利要求1所述的雙波束四天線微波交通信息檢測雷達，其特征在于所述收、發(fā) 天線是由兩副平面陣列微波天線構(gòu)成的。
7.按權(quán)利要求1所述的雙波束四天線微波交通信息檢測雷達軟件檢測分析交通信息 的方法是⑴數(shù)字信號處理芯片的初始化；⑵第一組正交的中頻信號II、Ql進行FFT處理；⑶第二組正交的中頻信號12、Q2進行FFT處理；⑷判斷檢測之前區(qū)域是否有車，如有，轉(zhuǎn)⑶；如無，轉(zhuǎn)下一步；(5)判斷車輛是否進入檢測區(qū)域，如無，返回⑵；如有，轉(zhuǎn)下一步；(6)判斷車輛行駛方向；返回⑵；(7)檢測前區(qū)域若有車輛，則判斷車輛是否離開該區(qū)域；(8)若未離開區(qū)域，返回⑵；若離開區(qū)域，轉(zhuǎn)下一步；⑶計算交通信息；(10)信息交換與處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙波束四天線微波交通信息檢測雷達，該雷達采用兩路收、發(fā)單元，每路收、發(fā)單元分別有收、發(fā)天線，并且每路收、發(fā)單元采用鏡像抑制混頻器輸出相互正交的兩路中頻信號，兩路中頻信號送至數(shù)字信號處理單元處理，處理后的雷達信號經(jīng)軟件檢測分析出各種交通路況信息。本發(fā)明的優(yōu)點是既保留了側(cè)向安裝微波雷達的優(yōu)點，同時又能準(zhǔn)確檢測車輛實時速度、行駛方向以及車輛類型，并提高抗相鄰車輛干擾能力。
文檔編號G01S7/36GK101915921SQ20101026202
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月25日
發(fā)明者豐志娟, 余穩(wěn), 張宙元, 徐代艮, 徐建華, 方菲菲, 王世杰, 王飛 申請人:上?；鄄悄芙煌ㄏ到y(tǒng)有限公司