专利名称：双波束三天线微波交通信息检测雷达和方法
技术领域：
本发 明涉及一种双波束三天线微波交通信息检测雷达和方法，更具体地说涉及了一种侧向安装、具有超高检测精度的双波束三天线微波交通信息检测雷达。属于智能交通系统中的交通信息采集领域
背景技术：
实时交通信息是智能交通系统(ITS)的最基本的信息源之一，只有对各道路实时交通信息有了准确地掌握才能有效地实施和发挥诸如公众出行服务、交通行车诱导、智能红绿灯控制之类的ITS功能，因此对交通信息的实时检测技术是ITS技术中最核心也是最基本的技术之一。交通信息采集技术的研究已经开展多年。目前已有多种交通信息采集技术在实际中应用。通过这些技术采集到的交通信息主要包括各车道的车流量、车道占有率，车速、车型、车头时距等。最先开始发展的是接触式的交通信息采集技术，其主要代表是环行线圈探测。这些采集装置都有共同特点，就是埋藏在路面之下，当汽车经过采集装置上方时会引起相应的压力、电场或磁场的变化，最后采集装置将这些力和场的变化转换为所需要的交通信息。 经过多年发展，路面接触式的交通信息采集技术已经很成熟，其测量精度高，易于掌握，一直在交通信息采集领域中占有主要地位。但是这种路面接触式的交通采集装置有着不可避免的缺点。首先是安装维护困难，必须中断交通、破坏路面；其次使用寿命短。另外，对隧道、桥梁等环境，路面破坏性的安装方式存在更多的困难与不便。所有这些都带来了其使用成本的上升。近年来发展起来的路面非接触式交通信息采集装置-侧向安装(即安装在道路边立杆上)微波雷达在很大程度上解决了这些问题，这类装置有着安装维护方便(不需要中断交通和破坏路面)、使用寿命长、单一雷达能同时覆盖10车道、几乎不受光照度、灰尘以及风、雨、雾、雪等天气气候影响等优点。但是这种侧向安装微波雷达也有其不可克服的缺点，主要体现在存在车辆之间的遮挡与干扰、无法测量实时车速、无法准确检测车辆长度等。而这些参数对于ITS应用来说，都是很重要的，出现这些问题的根本原因是装在道路边上的雷达只具有单一微波波束，由于这种雷达采用的是调频连续波体制(FMCW)，车辆行驶方向与微波波束垂直，因此无法直接测量车辆行驶速度，因而也就无法准确检测车型了。因此研究一种既具有侧向安装微波雷达的优点，同时又能准确检测车辆速度和车辆类型，并提高抗相邻车辆干扰能力的微波交通信息采集雷达很重要也很必要。中国专利号CN 1400475，发明名称为“智能交通中车流量监控的雷达射频装置及测定方法”，采用的是35GHz毫米波，利用三角波调制的FMCW体制进行交通信息检测，属于侧向安装单一微波波束单天线雷达。中国专利号CN 101231341，发明名称为“直接检测和测速的集成车流量雷达装置”，采用对雷达回波进行射频检波的方法，通过对射频检波产生的直流电平进行检测以获得交通信息。属于正向安装单一波束微波雷达。中国专利号CN201383004，发明名称为“一种智能交通车辆检测雷达”。这是实用新型专利，该实用新型采用双天线的全相参脉冲体制。中国专利号CN 101136141，发明名称为“基于单频连续波雷达的车型分类方法”， 该方法将雷达回波多普勒频谱图进行哈夫变换后映射为车辆散射中心位置参数图像再通过一系列复杂特征提取获得车型，这只是一种车型分类方法。再如，US6693557B2，发明名称为“Vehicular Traffic Sensor”，它属于侧向安装
单波束双天线雷达。US7427930B2，发明名称为“Vehicular Traffic Sensor”，它属于侧向安装单波束
双天线雷达。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于智能交通系统中的双波束三天线微波交通信息检测雷达和方法，以克服现有技术中存在的不足。本发明的特征在于⑴采用中心频率在24. IGHz附近、调谐带宽为100 300MHz 的微波，主要由三幅平面阵列天线、微波双通道收发组件、两通道中频信号处理单元、数字信号处理单元以及人机界面五个单元组成；(2)由单一压控振荡器(VCO)作为微波源，通过射频开关切换以产生双路微波输出；(3)具有两路独立发射单元，但是只有一路接收单元， 共有3幅平面阵列天线，其中两幅天线主瓣方向之间具有10 15度的夹角，另一幅天线具有两个主瓣；(4)采用镜像抑制混频器输出相互正交的两路(I、Q)中频(IF)信号；(5)天线与收发组件之间通过同轴穿心针相连(中间隔以铝板)；(6)对IF信号的处理采用双波束关联方法；(7)通过人机界面进行系统参数设置和信息输出。 使用本发明所述的雷达进行交通信息检测的方法步骤是(a)收发组件中的压控振荡器在调制信号的控制下产生频率随调制信号频率变化的微波信号，发射的微波信号经射频开关后变成两路独立的微波信号源；(b)每一路微波信号都通过单缝耦合器变成两路功率不同的微波信号，其中功率较大的一路直接驱动发射天线；功率较小的一路馈入双缝耦合器以作为本振信号驱动混频器；(c)当通过发射天线发射的微波遇到车辆后反射，反射微波通过接收天线接收，作为射频输入信号进入混频器，在混频器中，回波信号与发射信号混频以获得携带有道路实时交通信息的两路相互正交中频信号I/Q ；(d)前端产生的中频信号进入中频信号处理单元，经滤波放大后的中频信号进入数字信号处理单元，通过AD采样将模拟信号数字化，然后进行快速富立叶变换，通过算法计算出所需要的交通信息。本发明的优越功效在于采用双波束三天线方法的微波雷达，收发组件设计巧妙， 最大限度地减少了微波单片集成电路芯片的使用，节省了成本，另外该方案既保留了侧向安装微波雷达的优点，同时又能准确检测车辆实时速度、行驶方向以及车辆类型，并提高抗相邻车辆干扰能力。
图1为本发明雷达的功能模块框图；图2为本发明雷达的功能模块_微波收发组件框图；图3为本发明雷达的功能模块_收发天线单元框图；图4为本发明雷达的功能模块_中频信号处理单元框图；图5为本发明雷达的功能模块_数字信号处理单元框图；图6为本发明雷达的功能模块_人机接口单元框图；图7为本发明雷达的FMCW算法原理框图。
具体实施例方式下面通过附图对本发明作进一步的阐述，以说明本发明的特征。如图1所示，本发明所述的雷达由收发组件2、收发天线3、中频信号处理单元4、 数字信号处理单元5以及人机接口单元6组成。收发组件2产生的微波信号通过收发天线3中的发射天线发射，经障碍物发射的微波信号通过收发天线3中的接收天线进入收发组件2的混频单元，以产生两路中频(IF)信号，该IF信号通过同轴线馈入中频信号处理单元，经中频信号处理单元处理后的两路IF信号进入数字信号处理单元，数字信号处理单元再与外界计算机之间通过人机接口单元相连接。收发组件2中的VC021发射中心频率在24. IGHz左右、调谐带宽为100 300MHz 的微波，经过射频开关22后变成两路独立的微波信号源，每一路微波信号都通过单缝耦合器23(功率分配比为8 2)变成两路功率不同的微波信号，其中功率较大的一路直接驱动发射天线31和发射天线33，功率较小的一路馈入双缝耦合器24(每个单缝的功率分配比为8 2)以作为本振(LO)信号驱动混频器25 ；通过发射天线31和33发射的微波遇到障碍物(车辆)后反射，反射微波通过接收天线32接收，作为射频(RF)输入信号进入混频器 25，在混频器25中，回波信号与发射信号混频以获得携带有道路实时交通信息的两路相互正交中频(IF)信号(I/Q)；为提高信噪比，两路IF信号从收发组件2输出前先经过低噪声放大单元26进行放大。由收发组件2产生的两路IF信号通过同轴穿心针馈入中频信号处理单元4后，首先进入低噪声放大器41处理，然后进入带通滤波器42以产生处理后的2路IF信号；经中频信号处理单元4处理后的两路IF信号进入数字信号处理单元5。数字信号处理单元包括模数转换(ADC)51、数字信号处理(DSP)芯片52、时钟 (RTC) 53、存储Flash 54,DSP其他外设(如Uart等)55以及电源56，2路IF信号先经过模数转换51变成数字信号后DSP芯片52，信号处理在DSP芯片内进行，RTC53、Flash54以及其他外设55均为DSP的必要外设，RTC给DSP提供时钟信号、Flash用于存储信息、Uart用于串口通信，电源56给所有芯片供电。数字信号处理单元5与外界计算机之间通过人机接口单元6相连接。人机接口单元主要处理雷达参数设置与调整621和交通信息发布622。人机接口单元6实际上就是一个接口程序，采用计算机语言C++和VB混合编程而成，在Windows环境下运行，其中最关键的部分是输出传输协议，雷达参数以及交通信息均是通过采用一定的接口协议进行交换的。参数设置主要包括与现场安装环境相关的参数(如雷达安装高度、车道宽度、车道数、雷达安装立杆离第一车道外沿的距离等)以及与通信有关的参数(如传输波特率等)；交通信息主要包括个车道车流量、车速、占有率以及车型等，具体需求将根据用户要求而定。将微波雷达技术应用于交通信息采集时关键要解决从雷达回波信号中提取车辆信息问题。简单来说，雷达具有测距功能，利用测距功能通过测量车辆与雷达之间的距离就可以判别车辆处于哪一条车道；对于同一车道，有无车辆存在时回波信号强度相差很大，这样就可以判定车辆的存在；综合起来再加上其他算法就获得了所需要的交通信息。采用调频连续波(FMCW)体制的雷达可以很好地实现这一功能。FMCW是周期性的线性调频脉冲波，脉冲占空比是100%。雷达通过天线向外发射一系列连续调频波，并接收目标的反射信号。发射波的频率随时间按调制电压的规律变化。 一般调制信号为三角波信号，发射信号与接收信号的频率变化如图7(a)所示。图7(a)中， 横坐标t表示时间，纵坐标f表示雷达发射的信号频率，AF为VCO的调谐带宽，IF为混频后获得的中频信号频率；实线表示发射信号频率随时间的变化，虚线表示反射微波信号频率随时间的变化，反射波与发射波的形状相同，只是在时间上有一个延迟At，At与目标距离R的关系可表示为
权利要求
1.一种双波束三天线微波交通信息检测雷达，其特征在于(a)采用中心频率为24.IGHz的毫米波调频连续波体制雷达；(b)所述的雷达由收发组件(2)、收发天线(3)、中频信号处理单元(4)、数字信号处理单元(5)以及人机接口单元(6)组成；收发组件(2)产生的微波信号通过收发天线(3)的发射天线发射，经障碍物发射的微波信号通过收发天线(3)的接收天线进入收发组件(2) 的混频单元产生两路中频信号，该中频信号通过同轴线馈入中频信号处理单元，经中频信号处理单元处理后的两路中频信号进入数字信号处理单元，数字信号处理单元再与外界计算机之间通过人机接口单元相连接。
2.按权利要求1所述的雷达，其特征在于所述的收发组件由三幅平面阵列天线组成两组发射独立、接收共享的收发天线单元、由微波单片集成电路芯片构成微波收发组件。
3.按权利要求1所述的雷达，其特征在于(a)采用镜像抑制混频器输出正交的两路中频信号；(b)收发天线和收发组件之间通过同轴穿心针相连，中间隔以铝板；(c)中频信号的处理采用双波束关联方法。
4.按权利要求2所述的雷达，其特征在于所述的两组发射独立的微波信号的功率分配比为8 2，两路独立发射单元中只有一路接收单元。
5.按权利要求1所述的雷达，其特征在于由单一压控振荡器作为微波源，微波源的调谐带宽为100-300MHZ。
6.按权利要求2所述的雷达，其特征在于三幅平面阵列天线中两幅天线主瓣方向之间夹角为10-15度。
7.使用如权利要求1所述的雷达进行交通信息检测的方法，其特征在于步骤是(a)收发组件中的压控振荡器在调制信号的控制下产生频率随调制信号频率变化的微波信号，发射的微波信号经射频开关后变成两路独立的微波信号源；(b)每一路微波信号都通过单缝耦合器变成两路功率不同的微波信号，其中功率较大的一路直接驱动发射天线；功率较小的一路馈入双缝耦合器以作为本振信号驱动混频器；(c)当通过发射天线发射的微波遇到车辆后反射，反射微波通过接收天线接收，作为射频输入信号进入混频器，在混频器中，回波信号与发射信号混频以获得携带有道路实时交通信息的两路相互正交中频信号I/Q ；(d)前端产生的中频信号进入中频信号处理单元，经滤波放大后的中频信号进入数字信号处理单元，通过AD采样将模拟信号数字化，然后进行快速富立叶变换，通过算法计算出所需要的交通信息。
8.按权利要求7所述的方法，其特征在于两路中频信号在收发组件输出前经低噪声放大单元进行放大。
9.按权利要求7所述的方法，其特征在于采用算法为C++和VB混合编程而成，在 Windows环境下运行。
10.按权利要求7所述的方法，其特征在于交通信息包括车道车流量、车速、占有率以及车头时距。
全文摘要
一种双波束三天线微波交通信息检测雷达和方法，该雷达基于FMCW体制，采用同一VCO通过射频开关实现相关双路微波信号，并结合特殊算法实现准确交通信息检测，硬件方面采用中心频率在24.1GHz左右的毫米波，主要由3个平面阵列天线、2路微波发射单元、1路微波接收单元、2路中频信号处理单元、数字信号单元以及人机界面五个单元组成。由于采用了双波束三天线技术以及收发组件设计巧妙，最大限度地减少了微波单片集成电路芯片的使用，因而节省了成本，另外该方案既保留了侧向安装微波雷达的优点，同时又能准确检测车辆实时速度、行驶方向以及车辆类型，并提高抗相邻车辆干扰能力。
文档编号G01S13/92GK102169180SQ201010600518
公开日2011年8月31日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者余稳, 孙晓玮, 张宙元, 方菲菲, 许鹏拓, 钱蓉 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所