一種公路車輛監測用窄波束測速雷達組的製作方法

2023-06-02 18:50:36

專利名稱：一種公路車輛監測用窄波束測速雷達組的製作方法
技術領域：
本發明涉及電子信息和交通安全領域，提出一種用於監測公路車輛的窄波 束測速雷達組。
背景技術：
現代交通安全管理要求限制在道路上行駛車輛的速度；要求對闖紅燈車輛 實施管理控制；要求為交通信號控制提供道路交通信息。為了滿足交通科學管 理和嚴肅執法的全面要求，在道路管理設施中已經出現了多種車輛速度和交通 信息傳感器，典型地，有地感線圈和基於視頻、雷射、聲學和微波的傳感器。 在城市道路上破路安裝地感線圈會帶來一系列不良問題。因此在現代城市中， 非植入傳感器受到更多的重視。其中微波測速雷達和微波車流量檢測器具有測 量精度高，非植入，全天候，高可靠等一系列優點，具有最好的競爭力。
雖然市場上出現了多種用於交通管理的雷達傳感器，應用中最需要的雷達 傳感器應該是高性能、多功能和低價格的。超速管理要求準確檢測各車道上單 個車輛的速度；卡口管理要求雷達對各種車輛提供一致性好的觸發位置；闖紅 燈管理要求將雷達的敏感區域限定在止行線前幾個小區域內；車流量檢測要求 在提供車流量統計數據的同時，還要提供車輛平均速度、車輛類型統計和道路 佔用率統計等數據。現有的雷達傳感器功能比較單一，難以同時完成以上這些 功能。而在窄波束測速雷達的基礎上發展成組雷達可以實現所有上述功能，並 且達到低價格的目標。這正是本發明的內容。
在超速管理和卡口管理中使用測速雷達的實踐表明，雷達天線波束在高低 向的一3dB寬度需要進一步減小，同時對天線波束的形狀有較高的要求。具體地 說，要求一10dB波束寬度和—3dB波束寬度的比值應該小於3，以及天線旁瓣 的電平應該低於一14dB。只有這些要求得到滿足，才能使雷達提供出一致性好 的觸發位置，保證攝像系統對大車和小車都能產生出足夠清晰的車牌照片。闖 紅燈管理中，雷達照射區域沿車道縱向的尺寸通常限定在4 5米以內。當雷達 處於止行線後13米處時，要求雷達天線波束在高低向的一3dB寬度為6.8^同 時有良好的波束形狀。如果要求雷達的安裝位置後移到20米處，雷達天線的波束的一3dB寬度應在4e 4.5G以內。由此可見，為了滿足交通管理的全面要求， 在成組雷達中，天線的設計是最重要的關鍵。
在交通安全管理領域中，市面上幾種有代表性的雷達產品如下俄羅斯Olvia 公司的測速雷達，波束寬度5GX7 這種雷達接近全功能的要求，但價格偏高， 不大適合於成規模應用。此外，該雷達使用Gunn振蕩源，發射頻率有跳模現象， 可能使測量的速度數據受到置疑。德國Robot公司推出的測速雷達，波速寬度 5GX20、此雷達適合於路旁的超速管理應用，不適合於卡口和其他管理應用。 美國Wavetronix公司的車流量檢測器，波速寬度7。X65、此種檢測器不適合於 超速管理、卡口管理等應用。本發明提出的雷達具有全功能、高性能的特點， 可以取代所有上述產品。同時，低價格是雷達傳感器能否在交通管理領域中獲 得推廣應用的最後瓶頸。成組雷達的概念為系統的低價格創造了條件。在本發 明中將通過具體的實現技術來體現這些概念。

發明內容
本發明的窄波束測速雷達組的主要技術要求如下 雷達工作頻率24.15GHz士30MHz;
天線一3dB波束寬度5.5GX6G、 4GX4.5G、 4GX7G、 4GX12.5Q (可選)
雷達測速距離》50米
測速範圍2km/H~245km/H
測速誤差《lkm/H
工作溫度範圍一20QC +70GC
測速方向性單向
電源12VDC
每隻雷達功耗 2.5W 成組方式主從式。 一套雷達組包括 主雷達一隻
從雷達1 3隻(可選)
本發明充分考慮了降低雷達組製作成本的問題。從雷達中含有天線、微波
收發部分和中頻通道，不含模數轉換器(ADC)和數位訊號處理器。主雷達含 天線、微波收發部分、中頻通道、模數轉換器(ADC)和數位訊號處理器。各 個從雷達的都卜勒信號匯集到主雷達的ADC輸入端， 一起進行模擬信號到數字 信號的轉換。這樣最多有4個雷達的都卜勒信號被匯集到一起。使用兩個雙道
4串行ADC，每個ADC的輸出包含兩路獨立的都卜勒數位化信號，兩路都卜勒 數位訊號交替地安排，形成一個數據串進入數位訊號處理器。選用的數位訊號 處理器具有兩個通用串行接口。這樣， 一個數位訊號處理器最多能同時接受4 路都卜勒信號，使得一隻主雷達可以同時帶動最多達3隻從雷達。圖l是本發 明雷達組的示意圖。該圖中示出了成組測速雷達系統中含一個主雷達和3個從 雷達的情況。圖1中標號1表示天線；標號2表示微波收發電路；標號3表示 都卜勒中頻電路；標號4和5表示兩個模擬數字變換器；標號6表示高速數字 信號處理器；標號7表示串行接口電路。
本發明中的天線是專門設計的微帶陣列天線。選擇了 4種典型的天線特性， 可以覆蓋大多數的應用需求。用戶可以根據實際的應用需求來選用這些天線。 這4種天線分別具有以下特性
(1) 一3dB波束寬度約為5.5GX6Q，天線微波介質板的外廓尺寸166mmX 148mm，金屬圖形的H面最大尺寸152±0.5是特徵尺寸。輻射單元個數 為284個。
(2) —3dB波束寬度約為4QX4.5Q，天線微波介質板的外廓尺寸212mmX 196mm，金屬圖形的H面最大尺寸202.5±0.5是特徵尺寸。輻射單元個 數為524個。
(3) —3dB波束寬度約為4QX7Q，天線微波介質板的外廓尺寸216mmX 132mm，金屬圖形的H面最大尺寸203 ±0.5是特徵尺寸。輻射單元個數 為332個。
(4) —3dB波束寬度約為4GX12.5G，天線微波介質板的外廓尺寸216mmX 151mm，金屬圖形的H面最大尺寸203土0.5是特徵尺寸。輻射單元個數 為190X2個。此天線由兩個天線構成，兩個天線中任何一個可單獨使用， 也可以合起來用於收發天線需要分離的場合，例如雙向測速雷達。
本發明中的數位訊號處理器將兩路實型都卜勒數位訊號組合成一路復型信 號進行快速傅立葉變換。待變換完成後，可以分拆獲得兩路各自的傅立葉變換。 原理如下。如果用F來記合成復型數據的傅氏變換，兩個信道信號分別的傅氏 變換可以通過下列的簡單計算得到-
5由於兩路數據分別是實型的，它們的傅氏變換幅度在0—一2Ji上關於Ji是對稱 的。因此，只需要計算幅度譜|《|和|F2|的前面一半，即N/2點數據。由此可 見，雖然雷達數量達到最多4套，各雷達彼此獨立工作，但一隻數位訊號處理 器需要處理的主要計算即FFT計算只是一套雷達的加倍，而不是4倍。在實際 情況下，例如選擇32位浮點處理器TMS320C6713B就能夠滿足實時性的計算要 求。當6713B使用200MHz的內部時鐘頻率，用32位字長計算1024點復型FFT， 計算時間在0.1ms量級。24GHz測速雷達的都卜勒頻率在20kHz以內。使用40kHz 的數據採樣率可以保證不失真地分析有用的都卜勒頻率信號。在這些條件下， 積累1024點數據的時間是25.6ms。這個時間也是DSP處理器每個處理循環容 許使用的時間。與這個時間相比，兩次復型1024點FFT需要的時間只佔很少的 部分。由此可見，最多4隻雷達使用一隻數位訊號處理器完全能夠勝任工作， 這可以節省系統成本。
本發明所述的每個雷達前端各個功能電路和所述的微帶陣列天線在結構和 電氣上進行一體化設計，雷達前端的輸出是模擬形式的都卜勒信號。由於模擬 形式都卜勒信號的頻率不高於20kHz，使用低頻屏蔽電纜進行從雷達和主雷達之 間的信號傳遞就容易可靠地實現。雷達前端使用厚度為4mm左右的硬質鋁合金 板， 一面承載微帶陣列天線，另一面直接貼裝微波電路。微波電路的尺寸小， 銑制一個小尺寸的硬質鋁合金蓋扣在微波電路上，保證微波正常傳遞需要的空 間路徑，防止微波信號向外輻射，同時防止微波電路受到外界幹擾。都卜勒中 頻信號放大濾波電路板底面附加一個隔離薄板， 一起貼緊安裝在天線板背面。 中頻電路板可以使用簡單的屏蔽蓋罩起來。在主雷達中需要增加A/D電路板和 DSP電路板。這兩個板可以使用支撐架和天線板結合成一個整體。看出，這種 結構十分緊湊，有利於提高雷達的整體性能；雷達的厚度很小，容許減小總的 外形尺寸；機械加工量很少，能夠降低加工成本；主雷達和從雷達的主要部件 和結構可以相同，適合於成量生產。
本發明所述成組雷達使用一個232接口信道向下位微機傳送獨立的4路雷 達檢測信息是一個優點，省去了在多路雷達信號和微機之間附加合成串口的必 要性，給系統集成帶來方便。使用簡單的通信協議就可以將4路獨立的串行信 號合成一路。本發明提出的一種通信協議如下。串行數據的幀結構包括幀頭和數據段兩部分。成組雷達可以只有一隻雷達，也可以是2隻、3隻、4隻雷達。 數據段的長度可以根據實際應用情況進行調整。圖2中示出了系統中只有一隻 雷達和共有4隻雷達的兩種情況下成組雷達數據的幀結構。
在最簡單的情況下，每路數據採用8位無符號數。當速度數據量化誤差限 定在lkm/H情況下，8位二進位數可表示的最大速度值是255km/H。我們約定 速度的上限值為247km/H (F8h)，留下8個數用於幀頭。幀頭佔8位，安排如 下
F9h FAh 保留
FBh —_命令幀標識，後接數據段長度為8位，用於安排雷達聯機調整的 各種命令。
FCh —一數據幀標識，表明系統中只有一隻雷達，後接數據段長度為8位，
記載單路雷達獲得的無符號速度數據。 FDh —-數據幀標識，表明系統中有2隻雷達，後接數據段長度為2個8
位，分別記載兩路雷達獲得的無符號速度數據。 FEh —一數據幀標識，表明系統中有3隻雷達，後接數據段長度為3個8
位，分別記載3路雷達獲得的無符號速度數據。 FFh —一數據幀標識，表明系統中有4隻雷達，後接數據段長度為4個8
位，分別記載4路雷達獲得的無符號速度數據。
可以看出，基於這種安排，在系統中含4個雷達的情況下，每個信息幀的 最大長度為40比特。在更複雜的應用環境中，需要雷達提供量化誤差更小的速 度數據，同時提供某些附加的信息，如車輛的運動方向信息，信號強度信息等， 8位數據段的長度不足，可以將每路雷達的數據段長度增加到16。可以使用例 如其中的ll位表示精度更高的帶符號(方向)的速度值，其餘5位可以記載關 於車輛目標的其他信息。在這種情況下，每個信息幀的最大長度是72比特。在 25.6ms時間段內傳送72比特相應的數據率只有2812.5bps。在實際應用中，還 必須考慮DSP同時需要作計算和接受數據輸入，DSP並行性不一定完善。另外， 為了提高數據傳送的抗幹擾性，可以增加幀尾和檢校位。因此，實際使用的數 據率比這個數據率要高。但無論如何，使用232接口容許的典型數據率，例如 19200bps或38400bps，是完全可以將最多4路雷達信號用一個單路232接口信 道進行傳送的。這種方法也意味著整個系統硬體成本的節省。當成組雷達用於卡口管理及超速管理時，同時能夠實現交通流量傳感器可 以實現的全部功能，並且提供的統計數據更準確。首先，成組雷達可以消除交 通流量檢測雷達可能發生的大車對小車的橫向遮擋。其次，成組雷達通過測量 車輛的真實速度，利用速度和車輛經過照射區的時間來估計車長和車型。交通 流量檢測雷達通常利用雙波速測量經歷時間、估計速度、估計車長和車型。這 兩種技術對比，成組雷達技術應該更好。第三，成組測速雷達可以測量的速度
下限值己能達到lkm/H或更低，同時窄波速的使用使雷達能夠對沿車道縱向提 供更高的解析度，這使得成組雷達更能適應車輛比較擁堵的市區應用。此外， 車流量檢測雷達的實現代價較高， 一套(多隻)成組雷達的價格不比一套車流 量檢測雷達的價格高。
本發明所述成組雷達將多個雷達合理地組合在一起，從體系結構、數據處 理、信息傳輸等方面充分發揮成組的優點。與多隻雷達按常規的組合應用相比， 在價格和性能方面的優勢是明顯的。成組雷達選用更先進的窄波束天線和與之 相配合的雷達前端設計，使得成組雷達在性能上可以優勝於市場上現有的同類 產品。因此，成組雷達可以作為公路交通管理系統中具有全功能的基礎傳感器， 為公路交通管理和準確執法提供物質手段，其社會經濟意義是積極的。


圖l成組測速雷達結構示意圖
圖2成組測速雷達數據的幀結構
圖3使用帶橫臂立柱安裝成組測速雷達的一種方式
具體實施例方式
為了保證雷達的可靠性和環境適應性，成組雷達設計中進一步將機芯設計 和殼體設計結合成一個整體。殼體的基體採用2mm厚的鋼板，採用密封型結構 和焊接方法。成形後，先經鍍鋅氧化處理，再噴塑。殼體的前面板使用工程塑 料注塑成型。前面板的厚度是在測試試驗的基礎上選擇的，保證有足夠的機械 強度，同時將前面板造成的微波損耗限制在合理範圍內。如果前面板造成的微 波損耗過大，就需要將面板材料改用聚四氟乙烯板。使用聚四氟板會增加不少 材料成本，同時密封設計和加工要複雜一些，這意味著殼體的成本會增高。在 滿足應用需求的條件下，儘可能採用工程塑料面板能夠達到低價格目標。面板 和殼體的基體採用不可拆的密封結合，它們之間需要使用橡膠密封條進行填充。
8殼體與外部的電氣連接通過小型密封多芯接頭來實現。這些方法和技術的使用， 可以保證成組雷達能夠滿足高等級的環境試驗要求，使雷達在惡劣天氣環境下 能長期保持正常工作。
成組雷達在交通管理系統中使用時，如果能夠借用跨路的橫架結構自然是 最方便的。如果沒有跨路橫架可用，系統的安裝可以採用安裝交通信號燈或交
通指示牌常用的帶橫臂立柱。市面上採用的這類立柱，高度通常在6.5米左右， 其橫臂的長度大致在3米到13.5米範圍內。成組雷達中每隻雷達的安裝位置最 好在每個車道中線的正上方，使用長臂立柱有利於這種安裝模式的實現。對於 路面寬、每方向達到4車道或更多的情況，對於從路旁數起的第4車道，要將 雷達安裝到中線的正上方不大現實。事實上，雷達不安裝在車道中線正上方也 能正常工作(避免鄰車道車輛幹擾，同時雷達對本車道車輛的分辨能力無明顯 降低)。圖3是使用長臂立柱安裝成組雷達的示意圖，各個雷達不必處於各車道 中線的正上方。當使用4GX4.5G天線的雷達時，簡單的幾何計算可以確認以下安 裝容許條件雷達距地面高度6米或更高，雷達照射區與雷達安裝位置的縱向 (沿車道方向)距離為20米或更小，在這種條件下，容許雷達安裝位置偏離車 道中線不大於13米。對典型的每個方向4車道的情況，每個車道的典型寬度為 3.5米，第1車道邊線到立柱的距離按4米計算，使用7米到11米的橫臂都可 以適應成組雷達的安裝。如果雷達照射區與雷達安裝位置的縱向距離減小到12 米，容許雷達安裝位置偏離車道中線不大於17米。這種情況下，如果使用40X 4.f天線的雷達，只需要2米的橫臂就可以適應成組雷達的安裝。
成組測速雷達中各個天線的波束寬度可以根據實際需要進行選擇。例如在 闖紅燈管理中，如果直行車道不止一道，所有直行車道可以共用一隻波速寬度 為^X7G或4Gxl2.5a的雷達。這種情況下，可以將雷達個數減少，或者用多出 的雷達實現更多的系統功能。
權利要求
1. 一種測速雷達組的概念和方案，其特徵在於雷達組由一隻主雷達和一到多隻從雷達構成；各個雷達的測速工作是相互獨立的；從雷達不含數位訊號處理器，各個雷達的數位訊號處理由主雷達中的一隻高速數位訊號處理器分時地完成。
2. 權利要求1所述的測速雷達組的概念和方案，其特徵在於採用窄波束天線和 與之配合的一體化微波收發電路。天線基板一面粘貼微帶陣列天線；另一面承 載微波收發電路和其他電路。
3. 權利要求1所述的測速雷達組的概念和方案，其特徵在於主雷達中使用兩個 雙道串行模擬數字變換器。這兩個模擬數字變換器的輸出分別連接到數位訊號 處理器的兩個通用串行接口的輸入端。
4. 權利要求1所述的測速雷達組的概念和方案，其特徵在於數位訊號處理器將 各個雷達的輸出速度數據組合成一個單路的串行數據，並由一個串行接口線路 輸出。
全文摘要
一種應用於交通安全管理的測速雷達組，將多個雷達合理地組合在一起，從體系結構、數據處理、信息傳輸等方面充分發揮成組的優點，達到全功能、高性能、低價格的綜合優勢。選用更先進的窄波束天線和與之相配合的雷達前端設計，以及更先進的信號處理方法，使得成組測速雷達在性能上優勝於市場上現有的同類產品，能夠勝任超速管理、卡口管理、闖紅燈管理、交通流量統計等全功能的應用要求，作為現代交通安全管理系統的基礎設備。
文檔編號G01S13/58GK101520510SQ200910081668
公開日2009年9月2日 申請日期2009年4月8日 優先權日2009年4月8日
發明者鄒謀炎 申請人:鄒謀炎