一种基于微波的交叉口感应控制系统及其方法与流程

本发明涉及道路交通检测领域，特别是一种基于微波的交叉口感应控制系统及其方法。

背景技术：

进入21世纪以来，我国的城市化、机动化进程不断加快，城市道路网络迅速扩大，小汽车保有量10％～20％的速度增长，导致城市道路交通拥堵状况逐渐加剧。在城市路网中城市平面交叉口作为道路相交点，往往成为城市道路网络交通流运行的瓶颈，作为城市平面交叉口的主要控制方式，城市交通信号控制在城市道路交通管理中受到越来越多的关注。而感应控制方式是对应交通状况的变动进行实时控制的方式，根据使用车辆检测器获得的较短时间的交通需求的变动来改变绿灯时间和周期长。感应控制能够高度适应交通需求及交通模式的变化，因此能够明显降低延误，而完善的检测信息也使控制机能够在每周期内有效地分配时间。

CN201510650462.2公开了一种基于微波的智能交通行为感知方法及系统，该智能交通行为感知方法包括：交通参数设置步骤、道路交通背景学习步骤、道路背景噪声抑制步骤、计算步骤、建立坐标系统步骤、车型分类步骤、跟踪处理步骤、触发报警步骤。本发明的有益效果是：本发明提出一种基于微波(毫米波)方式的能够在全天候运行，具备高精度、高可靠性、大区域检测、高经济效益费用比、安装简便、能够多维度对检测区域内的各类车辆进行综合交通行为分析的方法与系统，同时针对道路上存在的一些例如隔离带或金属栏杆等会影响到雷达性能，通过一种二维雷达图像法进行背景噪声抑制。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于微波方式的全天候、高性能、安装简便的、能够明显降低延误、有效地分配时间的交叉口感应检测系统及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种基于微波的交叉口感应控制系统，包括供电模块、雷达前端、微控制模块，所述微控制模块包括信号采集模块、信号处理模块、存储模块，所述微控制模块分别与供电模块和雷达前端相连接，所述雷达前端包括阵列天线模块，所述信号处理模块用于完成对采集的回波数据进行处理和对外部模块进行控制，所述信号处理模块把雷达输出的数据进行预处理，所述信号处理模块完成对雷达回波数据的运算、处理后，通过串口上传雷达数据到PC机。

进一步的，所述信号处理模块包括隔直跟随电路、电压比较器、程控放大器，所述隔直电路用于获取信号的交流分量，所述电压比较器采用电压比较芯片LM393AP，将隔直缓冲后的中频信号转换成标准的3.3V的TTL电平信号，所述程控放大器包括模拟多路复用器加运算放大器，根据前段AD转换器采集的数据来改变程控放大器的放大倍数，使得信号的幅值保持在2-3V之间。

进一步的，所述微控制模块连接有接口模块。

一种基于微波的交叉口感应控制方法，步骤包括：

1)雷达对检测区域周期性扫描；

2)对背景主动学习并去除背景噪声；

3)根据差频率值计算各目标的径向速度、径向距离和RCS值；

4)以雷达为中心点建立直角坐标系；

5)将各目标的径向速度与径向距离转换为直角坐标系中的坐标点并判定所在车道；

6)设定感应检测线；

7)输出各目标在感应检测线处的速度、所在车道号、存在信息；

8)信号控制系统根据微波感应装置的目标数据信息控制交叉口的信号配时。

进一步的，所述步骤7)具体为：

7a)雷达实时监测区域内目标，之后执行步骤7b)；

7b)当有目标进入监测区域时，则执行步骤7c)，否则返回步骤7a)；

7c)对目标进行跟踪处理：对检测区内各个离散点进行跟踪处理从而完成区域内目标轨迹的重建，之后执行步骤7d)；

7d)当目标到达感应检测线位置时，则输出目标在感应检测线处的速度、所在车道号、存在时间信息，否则返回步骤7c)。

进一步的，所述步骤8)具体为：

8a)信号处理模块接收雷达输出的目标在感应检测线处的速度、所在车道号、存在信息；

8b)计算目标到达停止线的时间t’：设感应检测线位置距离停止线X′，雷达检测到的目标X方向的速度信息为IDx_X_Velocity，可计算出目标到达停止线的时间为

8c)设信号控制系统在目标当前车道绿灯剩余时间为T，当t≤T时，则无需调整信号灯配时，否则执行步骤8d)；

8d)当目标所在车道优先通行，则将该车道相位的绿灯时间增加t’-T，否则无需调整信号灯配时。

相比于现有技术，本发明的优点在于：本发明获得的较短时间的交通需求的变动来改变绿灯时间和周期长。能够高度适应交通需求及交通模式的变化，能够明显降低延误，本发明完善的检测信息也使控制机能够在每周期内有效地分配时间。本发明全天候、高性能、安装简便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为主动学习的背景频谱学习算法流程图。

图3为连续线性调频波原理图。

图4为FMCW雷达在有速度存在时的回波信号。

图5为坐标系建立示意图。

图6为雷达感应检测流程图。

图7为感应控制流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

如图1所示，一种基于微波的交叉口感应控制系统，包括供电模块、雷达前端、微控制模块，所述微控制模块包括信号采集模块、信号处理模块、存储模块，所述微控制模块分别与供电模块和雷达前端相连接，所述雷达前端包括阵列天线模块，所述信号处理模块主要完成对采集的回波数据进行处理和对外部模块进行控制，包括射频前端发射信号参数的配置、目标检测、目标信息获取以及雷达数据上传等功能。信号处理模块把雷达输出的数据进行预处理，该模块主要由隔直跟随电路、电压比较器、程控放大器组成。隔直电路是获取信号的交流分量，由于雷达传感器输出的中频放大信号含有+2V的三极管静态直流工作点，若不将其隔离，则在后续处理时会使信号发生截止，影响工作的进一步进行。电压比较器采用电压比较芯片LM393AP，将隔直缓冲后的中频信号转换成标准的3.3V的TTL电平信号，通过增加硬件的工作简化软件处理。程控增益放大器由模拟多路复用器加运算放大器组成，根据前段AD转换器采集的数据来改变程控放大器的放大倍数，从而使信号的幅值尽可能的保持在2-3V之间，实现全量程的统一，进一步提高信号的采样精度。数字信号处理器完成对雷达回波数据的运算、处理后，通过串口上传雷达数据到PC机。所述微控制模块连接有接口模块。

一种基于微波的交叉口感应控制方法，利用连续频率调制波(FMCW)实现对多车道交通的实时检测。该微波检测器利用微波感应检测装置感应到车辆存在步骤包括：

1)雷达通过一个窄波束对检测区域周期性扫描；

2)对背景主动学习并去除背景噪声；

3)根据差频率值计算各目标的径向速度、径向距离和RCS值；

4)以雷达为中心点建立直角坐标系；

5)将各目标的径向速度与径向距离转换为直角坐标系中的坐标点并判定所在车道：

6)设定感应检测线；

7)输出各目标在感应检测线处的速度、所在车道号、存在信息；

8)信号控制系统根据微波感应装置的目标数据信息控制交叉口的信号配时。

目标的运动速度相较于背景的运动速度要大些，利用动目标和杂波之间在速度上的差异加以辨别，并对杂波进行有效的抑制。采用主动学习的方法获取该区域雷达视场内的背景杂波频谱图，迭代次数n可自由设置，具体算法流程如图所示。背景杂波频谱图学习完成后，采用背景差法去除背景杂波信号的频谱，将背景频谱图与每次迭代的杂波频谱图进行差值运算，模拟出当前目标的频谱图像。

如图2所示，步骤2)具体为：

2a)MTI滤波；

2b)异常值去除；

2c)平滑滤波；

2d)快速傅立业变换；

2e)更新背景杂波频谱包络图；

2f)当迭代n次时，则结束；否则执行步骤2a)。

步骤3)中微波波束调制方式：本发明采用调频连续波体制，采用对称三角波调制，其工作原理如图3所示，发射信号的频率为对称三角波调制，发射信号幅度不变，在一个周期T内，信号的频率为：

因此，在一个周期内，发射信号的上下扫频段可表示为：

其中，A为信号幅度(备注：表示回波的能量值)；f0为信号有效中心频率；△F为信号有效带宽；u＝2△F/T为调频系数；T为三角波周期；ψ0为初始相位。在有效的信号周期内，信号回波为：

其中，△T＝2R/C；R为目标距离；C为光速。

在有效信号周期内-(T/2-△T)≤t＜0&△T≤t＜T/2内，将公式2和公式3的瞬时相位相减，可得到发射信号与回波信号混频所得的差频信号的瞬时相位为：

对公式4求导即可得到差频信号频率为：

由公式5可以知道，目标的距离和差频信号频率成正比，因此只要测得输出中频信号的频率，就可以计算出目标的距离，以上为目标静止的情况，若目标以速度为v沿着雷达波束径向运动，将会使雷达回波增加多普勒频移fd，该多普勒频移使得回波的频率-时间曲线升高或降低，从而导致一部分差频上增加了一个多普勒频移，另一部分差频上减少了一个多普勒频移，如图4所示。

如果目标临近雷达，则在调频周期内的差频为：

fb⁺＝fm-fd 上扫频段

fb^-＝fm+fd下扫频段………………………公式6

目标的距离和速度信息则可由公式7与公式8计算得到：

由公式7可见，只要测得输出差频信号的平均频率，即可得到目标距离。如果要测得目标速度，则须分别测得上下扫频段输出的差频信号，如公式8所示。

根据模糊函数推导，三角波调频连续波的距离分辨率和速度分辨率为：

如图5所示，平行于车道水平方向为X轴方向(正方向为传感器波束发射方向)；垂直于车道水平方向为Y轴方向(正方向为传感器波束发射方向)；目标与雷达的水平偏向夹角为α，垂直俯仰角度为θ。

被检测目标相对于传感器的径向速度：Vr

被检测目标距离传感器的径向距离：Dr

则目标位于坐标系中X方向坐标值：

IDx_X_Coordinate＝(Dr*sinθ)*cosα

目标位于坐标系中Y方向坐标值：

IDx_Y_Coordinate＝(Dr*sinθ)*sinα

被检测目标在坐标系中的运动速度(IDx_X_Velocity，IDx_Y_Velocity)：

目标位于坐标系中X方向速度值：

IDx_X_Velocity＝(Vr*sinθ)*cosα

目标位于坐标系中Y方向速度值：

IDx_YVelocity＝(Vr*sinθ)*sina

根据实际交通现场信息对车道进行划分，根据某个目标的Y方向坐标值可以判定某个目标所在车道：

车道0：0＜Lane0＜Y0；

车道1：Y0＜Lanel＜Y1；

车道N：YN-i＜LaneN＜YN

雷达对所有进入检测区域内目标信号预处理后，进行感应线检测。首先在目标进入雷达检测后对其持续跟踪，直至目标到感应检测线位置即输出该目标的速度、车道号、存在时间信息等。

如图6所示，步骤7)具体为：

7a)雷达实时监测区域内目标，之后执行步骤7b)；

7b)当有目标进入监测区域时，则执行步骤7c)，否则返回步骤7a)；

7c)对目标进行跟踪处理：对检测区内各个离散点进行跟踪处理从而完成区域内目标轨迹的重建，之后执行步骤7d)；

7d)当目标到达感应检测线位置时，则输出目标在感应检测线处的速度、所在车道号、存在时间信息，否则返回步骤7c)。

如图7所示，步骤8)具体为：

8a)信号处理模块接收雷达输出的目标在感应检测线处的速度、所在车道号、存在信息；

8b)计算目标到达停止线的时间t’：设感应检测线位置距离停止线X′，雷达检测到的目标X方向的速度信息为IDx_X_Velocity，可计算出目标到达停止线的时间为

8c)设信号控制系统在目标当前车道绿灯剩余时间为T，当t’≤T时，则无需调整信号灯配时，否则执行步骤8d)；

8d)当目标所在车道优先通行，则将该车道相位的绿灯时间增加t’-T，否则无需调整信号灯配时。