车辆侦测器和量测车辆距离以及车辆速度的方法
【专利摘要】本发明公开一种车辆侦测器及其量测方法，利用线性调频连续波量测车辆距离与速度的方法。提供单波束雷达车辆侦测器。将侦测器安装于道路侧边，且车辆侦测器的安装方向与车辆行进方向的垂直方向呈一角度。对道路发射一波束并接收回波。计算波束与回波的时间差，时间差对应于一差频。获取一总差频。由总差频中提取差频与都卜勒频率，以分别计算车辆距离与速度。
【专利说明】车辆侦测器和量测车辆距离以及车辆速度的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种车辆侦测器和量测车辆距离以及车辆速度的方法，尤指一种利用线性调频连续波(Linear Frequency Modulated Continuous Wave, LFMCW)可量测多车道的单波束雷达车辆侦测器。
【背景技术】
[0002]自古以来，对交通工具性能的要求一直是人类热衷的话题。随着科技的不断进步，车辆的性能愈来愈好，人们在驾驶时常不自觉地让行驶速度愈来愈快，以致于造成各种交通事故。因此，各国政府无不依据道路条件，分别订定速限，以维护社会大众的安全。是以，车辆侦测器已成为一种必需品。
[0003]—般而言,传统车辆侦测器若依照安装方式的不同可分为正向式与侧向式,而若依照检测技术的不同，可分为单波束与双波束。所谓的正向式车辆侦测器，仅能对正面而来的车辆进行检测，换句话说，仅能量测单一车道或是单一目标物，因此用途受限。而侧向车辆侦测器，不论是单波束或是多波束的设计，因为安装时都是垂直于车辆的行进方向，所以可以对多车道进行检测。请参考图1，图1为现有技术中侧向车辆侦测器的安装示意图。如图1所示，道路10上总共有三个车道11、12、13，车辆14于车道12中沿着箭头A的方向行进，车辆侦测器15安装于道路10的侧边，并向道路10发射出波束16，而波束16的发射方向垂直于车辆14的行进方向。
[0004]在单波束设计的情形，可以藉由量测车辆通过侦测区的压占时间，然后再配合默认的平均车长推估出车速，因为侦测区的长度与默认的平均车长都是固定的，当压占时间越长时车速就越慢。而同样利用单波束的设计，也可以藉由量测车辆通过侦测区的相位变化，来推估出车速，当相位变化越快时车速越快。至于双波束设计的情形，是利用微波侦测器的探头，发射出两个夹角极窄的波束，再接收这两个波束的回波。如此一来，便在车道上形成前后两个检测点，然后利用两回波的时间差，来推估出车速。
[0005]然而，现有技术都有其不足或不准确之处。由于单波束雷达的车辆侦测器，利用默认平均车长去推估车速，所以侦测所得的车速，仅可视为一段时间之内的平均车速，而非单一特定车辆的瞬时速度。尤其是在特定情形之下，误差可能更大。例如，于晚间对车辆进行检测时，若该区域晚间行驶的多为大卡车，以至于车长的分布改变时，套用同样的默认平均车长，所测得的平均车速必定不可靠。而双波束雷达的车辆侦测器，虽然没有这方面的问题，但是两波束的距离必需要有足够的宽度，才能产生可量测的时间差，在与车辆侦测器距离较近的车道上(例如图1中的车道11)，两波束的宽度往往不足以致于无法量测出时间差，使方法变得不可行。同时，双波束雷达的车辆侦测器，由于运作时需要利用到两波束，涵盖范围比较宽，当车流辆较大时，并不能保证精确地测量到同一车辆由同一位置进入第一波束(前线圈)和第二波束(后线圈)的时刻，导致测速的不准确。此外，双波束雷达侦测器必需经由检测车辆通过两个波束时的反射信号特征，并判别其为相同时，才能确定反射信号由同一辆车所发出。由于实际运作时，微波束是由路面的侧上方发射出来，因此在车流较大的情况下，除了距离车辆侦测器最近的车道以外，其余的车道或多或少都有遮挡的问题。当某一辆车被部份遮挡时，车辆侦测器经由第一波束与第二波束所测得的时间间隔与信号强度均容易失真，进而导致测速的不准确，只有当道路上仅有一辆车通过或是车流辆很小时，才能保证测量到的车速是准确的。
[0006]因此，如何设计出新的车辆检测器，使其仅利用单波束，便能对多车道进行准确量测，便成为十分重要的课题。
【发明内容】
[0007]因此，本发明的目的是提供一种车辆侦测器和量测车辆距离以及车辆速度的方法，以解决现有技术无法对多车道进行准确量测的问题。
[0008]本发明提供一种利用一线性调频连续波量测车辆距离以及车辆速度的方法，包含有下列步骤:提供一车辆侦测器，所述车辆侦测器具有一单波束雷达；将所述车辆侦测器安装于一道路的一侧边，所述道路具有多个车道，且所述车辆侦测器的一安装方向与一车辆行进方向的一垂直方向呈一角度；所述单波束雷达对所述道路发射所述线性调频连续波的一波束；所述单波束雷达接收所述波束的一回波；计算所述波束与所述回波的时间差，所述时间差对应于一差频；获取一总差频；由所述总差频中提取所述差频以及一都卜勒频率；以及经由所述差频以及所述都卜勒频率分别计算出所述车辆距离以及所述车辆速度。
[0009]依据本发明的实施例，所述线性调频连续波包含一三角波或是一锯齿波。
[0010]依据本发明的实施例，所述角度为15度到30度。
[0011]依据本发明的实施例，所述时间差与所述差频的对应关系为At = fbXT/B，At为所述时间差，fb为所述差频，T为扫频周期，B为扫频带宽。
[0012]依据本发明的实施例，所述总差频为所述差频以及所述都卜勒频率之和。
[0013]依据本发明的实施例，所述差频由一第一关系式表示，且所述车辆距离经由所述第一关系式计算所得，所述第一关系式为fb=(2RXB)/ (cXT)，R为所述车辆距离，B为扫频带宽，c为光速，T为扫频周期。
[0014]依据本发明的实施例，所述都卜勒频率由一第二关系式表示，且所述车辆速度经由所述第二关系式计算所得，所述第二关系式为fD = (2vrXfc)/c,fD为所述都卜勒频率，\为径向速度，f。为载波的中心频率，c为光速。
[0015]本发明另提供一种单波束雷达车辆侦测器，所述单波束雷达车辆侦测器包含有一波形产生模块、一发射天线、一耦合器、一接收天线、一混波器以及一信号取样处理器。所述波形产生模块，用以提供一线性调频连续波。所述发射天线，用以发射所述线性调频连续波的一发射波。所述接收天线用以接收一接收波。一混波器用以接收由所述耦合器传递的部分所述线性调频连续波以及所述接收波，并计算所述发射波与所述接收波的差值，以产生一中频信号。所述信号取样处理器，将所述中频信号转换成一差频信号，并自一总差频中提取所述差频信号以及一都卜勒频率，以经由所述差频信号以及所述都卜勒频率分别计算出一车辆距离以及一车辆速度。
[0016]依据本发明的实施例，所述波形产生模块另包含有:一波形产生器，用以提供一函数信号；以及一压控振荡器，用以控制所述线性信号的震荡频率，以输出所述线性调频连续波。
[0017]依据本发明的实施例，所述线性调频连续波包含一三角波或是一锯齿波。
[0018]依据本发明的实施例，所述混波器与所述信号取样处理器之间另包含有一中频放大电路，且所述中频放大电路包含有:一滤波器，用以将所述混波器输出的信号做滤波处理，以消除干扰信号；以及一放大器，用以将所述混波器输出的所述信号做放大处理，以输出所述中频信号。
[0019]依据本发明的实施例，所述信号取样处理器利用一快速傅立叶变换，将所述中频信号转换成所述差频信号。
[0020]依据本发明的实施例，所述信号取样处理器利用所述差频信号的一第一关系式计算出所述车辆距离，所述第一关系式为fb=(2RXB)/ (cXT)，R为所述车辆距离，B为扫频带宽，c为光速，T为扫频周期。
[0021]依据本发明的实施例，所述信号取样处理器利用所述都卜勒频率的一第二关系式计算出所述车辆速度，所述第二关系式为fD = (2vrXfc) /c，fD为所述都卜勒频率，'为径向速度，f。为载波的中心频率，c为光速。
[0022]相较于现有技术，本发明的单波束雷达车辆侦测器适用于侧向安装多车道量测的情形，大多数的现有单波束雷达在不需要变更设计的情形下，就可以实现。同时，采用本发明的方案，信号处理需求比双波束雷达来得低，不需要处理单一目标在不同波束时，容易产生的信号质量不一致问题。此外，本发明的单波束雷达车辆侦测器可以准确量测出车辆的距离、速度、长度以及所位于的车道。
[0023]为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下:
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为现有技术中侧向车辆侦测器的安装示意图。
[0025]图2为本发明的单波束雷达车辆侦测器对多车道进行量测的示意图。
[0026]图3为本发明的单波束雷达车辆侦测器的结构示意图。
[0027]图4为本发明的单波束雷达车辆侦测器进行速度量测时的参数设定。
[0028]图5为本发明的单波束雷达车辆侦测器进行速度量测时的仿真结果。
【具体实施方式】
[0029]请参考图2，图2为本发明的单波束雷达车辆侦测器对多车道进行量测的示意图。本发明的单波束雷达车辆侦测器105,于侧向安装时,其安装方向并非垂直于车辆的行进方向，而是偏了一个斜视角Θ。如图2所示，道路100上总共有三个车道101、102、103，车辆104于车道102中沿着箭头A’的方向行进，单波束雷达车辆侦测器105安装于道路100的侧边，其安装方向如箭头B所示，与车辆104行进方向的垂直方向(如虚箭头所示)呈Θ角。单波束雷达车辆侦测器105向道路100发射出波束106，在本发明中，使用的是线性调频连续波，包含三角波或是锯齿波。在较佳实施例中，斜视角Θ的范围为15度到30度，但不以此为限。
[0030]由于本发明的单波束雷达车辆侦测器105，于安装时并非垂直于车辆104的行进方向，而是偏了一个斜视角Θ，因此如图2所示，当车速为V时，将会产生一个沿着径向的速度分量V P并且由几何关系可以轻易求得，Vr= V Xsin Θ。由于单波束雷达车辆侦测器105与车辆104的相对运动，沿径向的速度分量Vy可以反映出由都卜勒效应所产生的径向都卜勒频率。请再参考图1，相反地，在现有技术中，由于车辆侦测器15在安装时并不具有任何斜视角(S卩Θ =0)，因此' =V XsinO = 0，没有径向的速度分量产生，不会产生径向都卜勒频率，也无法据此测得车辆14的速度。
[0031]线性调频连续波的测距原理，为将发射波stx(t)与接收波sM(t)经过混波器以后得到中频信号Sb(t)，而中频信号Sb(t)在经过快速傅立叶变换(FFT)之后可得到差频信号fb，再由差频信号fb倒推出距离R。其基本观念为先找出扫频带宽B与扫频周期T的比例关系，经由量测波束的来回时间At，可得知差频信号fb，并将波束的来回时间At以扫频带宽B、扫频周期T与差频信号fb作表示(At = fbXT/B)。而由于波束为光束，在来回时间At内共走了两倍的距离，因此2R = cX Λ t(c为光速)，再将波束的来回时间At代入，最后得到差频信号fb与距离R的关系式为:
[0032]fb = (2RXB)/ (cXT)
[0033]而在另一方面，如前所述，当单波束雷达车辆侦测器105对车辆104发出线性调频连续波时，由于两者之间具有相对运动，会产生频率的偏移，偏移量即为径向的都卜勒频率，与径向速度成正比，并以下式表示:
[0034]fD =(2 VrXfc)/c
[0035]其中f。为载波的中心频率，并可据此计算出车辆104沿径向的速度分量总的来说，由线性调频连续波侦测移动目标车辆104时，所产生的总差频为:
[0036]fb = [(2RXB)/ (cXT) ] + fD
[0037]而经过信号处理后，这两项分别与车辆104的距离R与车辆104的速度v相关，并据此经由计算后，得知车辆104所处的车道与车辆104的速度V。另外，由于已经准确测得车辆104速度V，并且车长L = V XTd (Td为车辆通过侦测区的压占时间)，准确的车长L亦可以经过简单的计算获得。
[0038]请参考图3，图3为本发明的单波束雷达车辆侦测器的结构示意图。如图3所示，本发明的单波束雷达车辆侦测器200包含有一波形产生模块209、一发射天线204、一耦合器205、一接收天线206、一混波器207以及一信号取样处理器208。波形产生模块209包含波形产生器201、线性频率控制202以及压控振荡器203。波形产生器201是信号源，用以产生各种波形的函数信号。所产生的函数信号经由线性频率控制202，成为线性的信号，然后经过压控震荡器203。压控振荡器203是一种电子震荡电路设计，可经由输入电压的不同来控制震荡频率，最后输出线性连续调频波，在本发明中是三角波或是锯齿波，并由发射天线204对道路发射出发射波Stx(t)。但是在经过发射天线204之前，耦合器205会将压控震荡器203输出功率的一部分耦合到混波器207，以利于之后得到中频信号Sb(t)。
[0039]接收波(t)于进入接收天线206之后，会被混波器207所接收，然后混波器207会计算出发射波stx(t)与接收波&(0之间的差值，进而输出中频信号Sb(t)。一般而言，如图3所示，可选择性地设置一个中频放大电路211，中频放大电路211由滤波器2111与放大器2112所构成，用于将混波器207所输出的信号做放大及滤波处理，以消除其中的干扰信号。事实上，中频放大电路211的性能好坏，往往直接影响到对回波信号检测的精准度。
[0040]之后，中频信号Sb(t)会被信号取样处理器208接收，并在信号取样处理器208先进行快速傅立叶变换，以得到差频信号fb。信号取样处理器208会自总差频中提取出(2RXB)/ (cXT)项与fD项，并计算出车辆的距离与径向速度，进而得知车辆所处的车道以及车速。
[0041]请参考图4与图5，图4为本发明的单波束雷达车辆侦测器进行速度量测时的参数设定，图5为本发明的单波束雷达车辆侦测器进行速度量测时的仿真结果。由图4及图
5可以清楚的看到，当载波的中心频率f。为10.6GHz (赫兹)，扫频带宽B为240MHz，扫频周期T为I毫秒(ms)，斜视角Θ为10度(° )时，若车辆距离R被固定为20公尺(m)，并在车速为10公里/小时(km/h)、20公里/小时、30公里/小时、40公里/小时以及50公里/小时的状况下分别做模拟，所求得的与距离差频fb均非常准确，至于都卜勒频率fD的部份，其模拟结果亦充分反映出了车速的比例关系。本发明的单波束雷达车辆侦测器，确实可以仅利用单一波束，准确量测出车辆的距离与速度。
[0042]综合以上，本发明的单波束雷达车辆侦测器适用于侧向安装多车道量测的情形，大多数的现有单波束雷达在不需要变更设计的情形下，就可以实现。同时，采用本发明的方案，信号处理需求比双波束雷达来得低，不需要处理单一目标在不同波束时，容易产生的信号质量不一致问题。此外，本发明的单波束雷达车辆侦测器可以准确量测出车辆的距离、速度、长度以及所位于的车道。
[0043]综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，但该较佳实施例并非用以限制本发明，该领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。
【权利要求】
1.一种利用一线性调频连续波量测车辆距离以及车辆速度的方法，其特征在于，包含有下列步骤: 提供一车辆侦测器，所述车辆侦测器具有一单波束雷达； 将所述车辆侦测器安装于道路的侧边，所述道路具有多个车道，且所述车辆侦测器的安装方向与车辆行进方向的垂直方向呈一角度； 所述单波束雷达对所述道路发射所述线性调频连续波的波束； 所述单波束雷达接收所述波束的回波； 计算所述波束与所述回波的时间差，所述时间差对应于一差频； 获取一总差频； 由所述总差频中提取所述差频以及一都卜勒频率；以及 经由所述差频以及所述都卜勒频率分别计算出所述车辆距离以及所述车辆速度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于:所述线性调频连续波包含三角波或是锯齿波。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于:所述角度为15度到30度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于:所述时间差与所述差频的对应关为At=fbXT/B，At为所述时间差，fb为所述差频，T为扫频周期，B为扫频带宽。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于:所述总差频为所述差频以及所述都卜勒频率之和。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于:所述差频由一第一关系式表示，且所述车辆距离经由所述第一关系式计算所得，所述第一关系式为fb= (2RXB)/ (cXT)，R为所述车辆距离，B为扫频带宽，c为光速，T为扫频周期。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于:所述都卜勒频率由一第二关系式表示，且所述车辆速度系经由所述第二关系式计算所得，所述第二关系式为fD =(2vrXfc) /c, fD为所述都卜勒频率，\为径向速度，f。为载波的中心频率，c为光速。
8.一种单波束雷达车辆侦测器，其特征在于，包含: 波形产生模块，用以提供一线性调频连续波； 发射天线，用以发射所述线性调频连续波的发射波； 耦合器； 接收天线，用以接收一接收波； 混波器，用以接收由所述耦合器传递的部分所述线性调频连续波以及所述接收波，计算所述发射波与所述接收波的差值，以产生一中频信号；以及 信号取样处理器，将所述中频信号转换成一差频信号，并自一总差频中提取所述差频信号以及一都卜勒频率，以经由所述差频信号以及所述都卜勒频率分别计算出一车辆距离以及一车辆速度。
9.如权利要求8所述的单波束雷达车辆侦测器，其特征在于:所述波形产生模块另包含有: 波形产生器，用以提供一函数信号； 线性频率控制，用以将所述函数信号转换为一线性信号；以及 压控振荡器，用以控制所述线性信号的震荡频率，以输出所述线性调频连续波。
10.如权利要求8所述的单波束雷达车辆侦测器，其特征在于:所述线性调频连续波包含三角波或是锯齿波。
11.如权利要求8所述的单波束雷达车辆侦测器，其特征在于:所述混波器与所述信号取样处理器之间另包含有一中频放大电路，且所述中频放大电路包含有: 滤波器，用以将所述混波器输出的信号做滤波处理，以消除干扰信号；以及 放大器，用以将所述混波器输出的所述信号做放大处理，以输出所述中频信号。
12.如权利要求8所述的单波束雷达车辆侦测器，其特征在于:所述信号取样处理器利用快速傅立叶变换，将所述中频信号转换成所述差频信号。
13.如权利要求8所述的单波束雷达车辆侦测器，其特征在于:所述信号取样处理器利用所述差频信号的一第一关系式计算出所述车辆距离，所述第一关系式为fb = (2RXB)/(cXT)，R为所述车辆距离，B为扫频带宽，c为光速，T为扫频周期。
14.如权利要求8所述的单波束雷达车辆侦测器，其特征在于:所述信号取样处理器利用所述都卜勒频率的第二关系式计算出所述车辆速度，所述第二关系式为fD= (2\Xf。)/c，fD为所述都卜勒频率，\为径向速度，fc为载波的中心频率，c为光速。
【文档编号】G01S13/58GK104345308SQ201310315472
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年7月24日 优先权日:2013年7月24日
【发明者】吕向斌, 曹昺昌, 杨长铭, 徐向荣 申请人:均利科技股份有限公司