道路监测雷达的一种斜横向照射方法和支架设计的制作方法
【专利摘要】现有的道路车辆监测雷达主要地采用顶装正向照射和侧装斜纵向照射。本发明提出侧装斜横向照射具有更多的优越性。由此，本发明提出了实现侧装斜横向照射的几何原理和方法，并以一种雷达支架设计来具体体现。利用本发明提出的设计，雷达安装姿态需要俯仰角和方位角能够根据现场尺寸数据计算出来，并利用雷达支架上的刻度尺方便地设定。
【专利说明】
道路监测雷达的一种斜横向照射方法和支架设计
技术领域
[0001] 本专利涉及电子信息和交通安全领域，提出道路监测雷达的一种侧装斜横向照射 方法和支架设计。 技术背景
[0002] 道路车辆监测雷达在交通安全管理上起着重要作用。在应用中，监测雷达有两种 典型的安装方式：侧装和顶装。顶装方式是将雷达安装在每个车道正上方约6~8米高处， 需要利用龙门架或长臂支柱（灯杆）来实现这种安装方式。如果没有适当的现存龙门架或 长臂支柱可利用，顶装方式需要的材料工程费用比较高。侧装方式通常用于电子警察类测 速抓拍系统。雷达置于路旁，使雷达波束与道路纵向成25°~30°角。这种方式下的雷达 波束可以照射多个车道，每个车道上车辆进入照射区能够引起雷达触发高清相机工作，而 各个车道上引起雷达触发的位置距离差异较大，要求相机视场覆盖宽，同时分辨率高，意味 着相机价格高。在附图1和附图2中示出了所述的两种典型安装方式，在图中示意了车道、 雷达位置、车辆触发位置、雷达波束照射区等。为了便于区分起见，将图1的安装方式称为 顶装正向照射；而将图2的照射方式称为侧装斜纵向照射。
[0003] 在应用中为了降低安装工程成本，无长臂的支柱（灯杆）路旁安装或侧向安装是 更好的选择。附图3和附图4示出了本专利提出的侧装应用方式。
[0004] 附图3示意的侧装方式例子中，3只雷达安装在路旁灯杆的一个短臂上，离地高度 为6~8米（未示出），每只雷达各照射一个车道，照射距离18~28米，3个照射区排成直 线，与车道方向垂直。在本专利中，将这种照射方式称为对车道的侧装斜横向照射，或简称 横向照射。这种方式下，雷达安装成本较低，相机的覆盖视场不大，有利于降低卡口监测系 统的成本。图4也是斜横向照射，相对于图3,图4中用一只单面宽波束的雷达取代3只窄 波束雷达。在某些实际环境下，例如道路宽但不很规则，车流密度比较稀疏，对区分车道无 严格要求，图4的方案能够节省雷达。但如果对区分车道有要求，为了图4的系统方案能够 应用，必须使用体制上更先进的雷达，如频移键控（FSK)雷达、线性调频（LFM)雷达等。无 论是图3或图4,都为降低道路监测系统价格提供了可能性。
[0005] 图5是侧装雷达横向照射多个车道的示意图例子。图5中，数字1~8标识8个 不同的车道，可以分为来向和去向两组。图5中11示意雷达安装位置；12示意常见的一种 横向照射情况下雷达波束在路面形成的椭圆形照射区，这个照射区椭圆的长轴和雷达支柱 形成一个垂直于路面的平面。特别地，将照射区处于12位置的照射方式称为正横向照射。 目前交通管理中使用的车流量检测雷达，无论国产还是进口，均采用这种正横向照射方式。 正横向照射方式适合于线性调频（LFM)雷达，能够用相对简单的算法检测车辆是否存在于 照射区内并决定处于哪个车道。这种体制的车流量检测雷达无法利用多普勒效应直接测量 车辆通过时的速度，不得不借用一些辅助方法来得到速度估计值，例如利用双波束或路段 区间计数平均。速度精度不高会影响车长估计、车型分类等。更合理的照射方式是采用斜 横向照射。图5中在位置13的照射区示意了斜横向照射的例子，这时照射区椭圆长轴与雷 达支柱不在一个平面上。一个车流量检测雷达如果采用斜横向照射，优点是可以直接检测 车辆速度，而代价是必须改变雷达的调制体制和检测算法，实现多目标区分。但无疑这是技 术进步。
[0006] 本专利关注的是斜横向照射的实现方法和支架设计。
[0007] 典型的道路监测雷达天线是微带阵列天线，天线波束具有椭圆型，例如_3dB波束 宽度为4° X5°，4° X7°，4° X12°，4° X16°，5° X12°，等等，天线波束在道路上 形成一个照射区，通常按_3dB或-7dB照射强度分布的等强度线来定义照射区，它具有椭圆 形。在图3和图4中示意了天线波束照射区的椭圆。在图3中，3个照射区椭圆排成直线， 这个直线与车道方向垂直，而3个照射区各自照射一个车道。在图4中一个长圆形照射区 覆盖3个车道，椭圆长轴与车道方向垂直。如前面所述，图3和图4的照射方式以及图5中 13标识的照射方式在本专利中称为斜横向照射。问题是如何安排雷达天线的朝向才能实现 这种斜横向照射方式？本专利首先提出实现横向照射的几何原理，在此基础上提出一种具 有二度旋转的支架结构，可以方便地实现斜横向照射的雷达安装方式。
【发明内容】
[0008] 指定在本发明中雷达所使用的微带阵列天线，其波束具有扁圆形。天线正俯视地 照射道路时，会在道路上形成一个椭圆形照射区，椭圆的长轴与雷达天线平面的法线相垂 直，或者说与天线平面相平行。如果正俯视姿势不变，在水平面上旋转雷达，在地面上的椭 圆照射区也随之移动，并保持椭圆长轴与天线平面平行。容易理解，按这种方式侧装雷达， 其照射区不会符合横向照射的要求：椭圆照射区的长轴方向会随雷达转动发生转动，不会 保持垂直于车道。
[0009] 考虑图6的几何关系。该图中的六面体是一个雷达示意图，雷达正面的天线辐射 电磁波，波束有扁圆形，在道路路面上的照射区是椭圆形。假定雷达不是按水平面旋转，而 是以雷达几何体的、与天线平面法线垂直的纵向轴为旋转轴进行旋转，雷达波束经360° 旋转后在空间上将形成一个光碟型的圆盘，这个圆盘与地平面的交将是一条直线形的窄条 带。进一步地，波束旋转照射在地面上形成的直线条带上一定有一点与雷达的距离最小， 雷达照射区的中心点为最小距离点的情况下，雷达六面体的姿态称为对地的正俯视。现考 虑雷达侧向安装的情形，假定雷达正俯视时，雷达天线平面法线在地面上的投影与道路方 向平行。让雷达按六面几何体纵轴转动，雷达六面体的姿态将偏离正俯视，变成对地的斜俯 视。而雷达波束将在路面上扫描形成一个直线形条带，该条带将垂直于道路方向。按照这 种方法，就能够使用3只雷达，以斜俯视的方式实现图3的侧装斜横向照射或斜横向照射， 分别照射3个车道；也能够侧装一只单面宽波束雷达以斜横向照射方式覆盖3个或更多个 车道。
[0010] 根据以上照射几何原理，能够整理出实现斜横向照射的方法要点。（1)整个雷达 必须安装在一个能够调整俯仰姿态的支架上，这意味着必须有一个固定于安装支柱、形成 水平面参照的底座，和一个与底座连接的俯仰调整支架，雷达安装在可俯仰调整的支架支 撑面上；（2)取正俯视时的雷达天线平面法线方向在地面的投影与道路方向平行（简单地 说，取雷达照射方向为顺车道方向）；（3)调整俯仰角，使雷达在地面的照射区达到指定的 距离；（4)雷达必须能够在俯仰调整支架支撑面上进行方位向的转动调整，将正俯视照射 变成斜俯视照射，使波束照射区落到指定车道的中心线上，或覆盖指定的一个或多个车道。
[0011] 能够实现所述照射方法的支架结构例子如图7~11所示。
[0012] 图7示出的支架结构中，1是底座，它需要被固定在道路旁支撑杆上的一个水平支 臂上，并保证它的一个基面（通常是底座结构的底面）能够作为水平面参照；2是俯仰调整 支架，该支架与底座链连，能够相对于底座进行俯仰方向转动，同时该支架有一个平面（例 如顶面）可作为雷达的支撑面，这意味着俯仰调整支架上的支撑面与水平面的夹角即俯仰 角可以调整，在俯仰调整支架的侧面制造刻度，能够方便地指示俯仰角；3是雷达保护罩加 强构件，它和雷达保护罩固定结合，以加强雷达保护罩的牢度，但保护罩连同加强构件相对 于俯仰调整支架可以进行方位向的转动；4是雷达保护罩；5是安置于保护罩中的雷达；6 是雷达波束照射方向。在图7中还示出了雷达支架当俯仰角不为0和为0两种姿态下的整 体侧示图。
[0013] 图8是一种俯仰调整支架的单件图样例子，图9是它的三视图。
[0014] 图10以顶视图的方式示出了雷达保护罩连同加强构件和雷达相对于俯仰调整支 架发生转动的情形。图10中，2是俯仰调整支架，3是雷达保护罩加强构件，4是雷达保护 罩，雷达安装于保护罩中。当雷达保护罩连同加强构件和雷达发生转动时，雷达在方位上的 视角就可以从正视变为右斜视或左斜视，并且斜视的方位角能够从俯仰调整支架顶面上读 出来。
[0015] 图11是雷达保护罩一种结构例子的三视图。由图11能够容易地理解图10的转 动方式。
【附图说明】
[0016] 图1道路车辆监测雷达的顶装正向照射方式
[0017] 图2道路车辆监测雷达的一种常规的侧装斜纵向照射方式
[0018] 图3道路车辆监测雷达的一种侧装方式：单车道、斜横向照射方式
[0019] 图4道路车辆监测雷达的一种侧装方式：多车道、斜横向照射方式
[0020] 图5侧装雷达正横向照射和斜横向照射多个车道的方式
[0021] 图6雷达侧装实现横向照射的几何原理
[0022] 图7实现侧装斜横向照射的一种支架结构整体侧视图
[0023] 图8-种俯仰调整支架的单件图样例子
[0024] 图9图8中俯仰调整支架的三视图
[0025] 图10以顶视图的方式示出雷达护罩连同加强构件和雷达相对于俯仰调整支架进 行方位向偏转的情形。
[0026] 图11 一种雷达外罩结构例子的三视图
[0027] 图12决定雷达安装俯仰角和方位角的立体几何
【具体实施方式】
[0028] 利用本专利发明的雷达安装支架，实施本专利发明中的雷达安装方法需要事先计 算雷达安装的俯仰角和方位角，这能够利用图12的几何关系来进行。图12中，1是雷达安 装高度，记为h ;2是照射区纵向中心线到路旁安装支柱的最短距离，记为c ;3是照射区横 向中心线到路旁安装支柱的距离，记为1 ;4是照射区横向尺寸，记为d。雷达天线法线相对 于平视的俯仰角可以按下式计算
[0030] 而雷达天线法线相对于正前视的方位偏角可以按下式计算
[0032] 俯仰角α和方位角β都可以方便地利用俯仰调整支架上的角刻度来调定。
[0033] 同时，利用图12的几何，能够依据应用对照射区尺寸的要求来决定对雷达波束方 向性的技术要求。为了保证波束的_7dB照射区符合图12的几何要求，波束的_7dB宽度按 下式计算
[0035] 根据本专利提供的技术方法和安装支架，实现任何的横向照射可以很规范和方便 地进行。只要测量出工程现场的尺寸数据h、c、1，俯仰角α和方位角β可以在支架上设 定。只要在安装中保证基座水平，就能够保证照射区域的准确性。本专利同时提供了决定 波束宽度技术要求的方法。这些结果能够用于先进车辆监测系统的设计和实施。
【主权项】
1. 道路车辆监测雷达的一种侧装方法和支架设计，用以实现雷达波束以斜横向照射方 式覆盖单个或多个车道，技术方法以雷达支架设计来具体体现，其特征在于，雷达支架中有 一只底座，它固定安装于预定的雷达安装位置，并包含有水平面参考的功能；雷达支架中有 一只俯仰调整支架，它与底座有可转动连接并有一个雷达支撑面，能够相对于底座的水平 面来调整和固定雷达支撑面的倾斜角，并且在俯仰调整支架的雷达支撑面上制作有旋转中 心孔和定位槽，使得雷达保护罩及加强构件连同雷达能够在俯仰调整支架的雷达支撑面上 作方位向转动并能够将转角固定到指定的方位角上。2. 权利要求1中所述雷达支架，其特征在于，雷达支架中的俯仰调整支架上可以制作 有刻度，指示俯仰调整支架的雷达支撑面相对于水平面的倾斜角；同时也可以在雷达支撑 面上制作刻度，指示雷达保护罩及加强构件连同雷达相对于雷达支撑面上的对称中轴向作 方位向转动的角度。
【文档编号】G08G1/01GK105987263SQ201510040926
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年1月28日
【发明人】邹谋炎
【申请人】邹谋炎