基于改进型SISAR处理方法的车辆状态传感器及智能红绿灯系统与流程

本发明涉及智能交通领域，特别是涉及基于改进型SISAR处理方法的车辆状态传感器及智能红绿灯系统。

背景技术：

不堪重负的城市交通使得道路成为社会倍感珍惜的环境资源。智慧出行和智能交通的构想让人们看到了解决交通拥堵难题的曙光。作为智能交通的重要组成，智能红绿灯系统通过对道路车流量实时数据进行采集分析，进而根据实际需要，由智能红绿灯系统自行对交通信号灯变换时间间隔进行调整，就能够克服车流量不均衡，有效挖掘道路通行能力。

人们尝试过用视频来感知车辆信息的方法。视频感知就是从拍摄的视频图像中获取车辆信息。在雾霾、夜晚、雨雪、沙尘暴等天气条件下，视频无法感知车辆信息，做不到全天候。而恶劣天气恰恰易出现交通拥堵。目前视频方案无成功案例。

国内还有尝试运用地感线圈获取车辆信息的方案。在距离路口40m的范围内，每一个车道埋设地感线圈，这种方案的缺点是施工难度大，维护成本高。地感线圈的寿命是2～3年，每个车道需要埋设十个线圈，要保证绝大多数线圈完好，系统可靠工作的时间会降到2年之内。因此系统的高维护成本，使得无法大范围推广。

另外，在红绿灯交通系统改造过程中，采用有线方式传递信息需要敷设电缆。开挖会破坏路面，而架空明线的方式会影响道路环境美化。两者都要付出成本。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的基于改进型SISAR处理方法的车辆状态传感器及智能红绿灯系统。

技术方案：本发明所述的基于改进型SISAR处理方法的车辆状态传感器，包括接收天线、下变频模块、A/D采样模块、信号处理模块、输出模块和控制模块；其中：

接收天线：用于接收卫星导航信号照射车辆后散射的回波信号；

下变频模块：用于对接收天线接收的回波信号进行下变频处理；

A/D采样模块：用于将下变频处理后的回波信号由模拟信号变为数字信号；

信号处理模块：用于根据A/D采样模块得到的数字信号进行改进型SISAR处理并判断是否能得出车辆的像：如果能，则判定车辆是运动的；否则，则判定车辆是静止的；

输出模块：用于将信号处理模块的处理结果输出；

控制模块：用于控制接收天线和输出模块。

进一步，所述信号处理模块采用改进型SISAR处理方法，包括以下步骤：

S1：根据式(1)获得GPS导航卫星C/A码照射时车辆的复全息信号

式(1)中，D(t)为导航数据码，C(t)为C/A码，为等效为纯载频信号照射时车辆的复全息信号，通过式(2)得到；

式(2)中，为车辆复侧影像，根据式(3)计算得到，Ψ为车辆运动方向与基线夹角，λ为GPS导航卫星C/A码载频的波长，η为平面中的η坐标值，b(t)根据式(5)计算得到；

式(3)中，

η、是以车辆中心为原点构成的直角坐标系中平面的坐标值，h(η)为η对应的车辆侧影轮廓上下边沿的高度差，c(η)为η对应的车辆侧影轮廓中线的高度坐标，n₁根据式(4)计算得到：

式(4)、(5)中，V为车辆运动速度，x_p为车辆中心在直角坐标系(x,y,z)中x的坐标值，z₀为车辆中心在直角坐标系(x,y,z)中z的坐标值，传感器所在位置是直角坐标系(x,y,z)的原点，x轴平行于ξ轴，y轴平行于η轴，z轴平行于轴，b为卫星到传感器的距离；

S2：根据式(6)对GPS导航卫星C/A码照射时车辆的复全息信号进行处理，得到等效为纯载频连续波信号照射时车辆的复全息信号的近似值E′(t)：

式(6)中，D′(t)为接收信号解调出的数据码，C′(t)为信号跟踪时获得的C/A码；

S3：对E′(t)进行傅里叶变换，判断是否能得出车辆的像：如果能，则判定车辆是运动的；否则，则判定车辆是静止的。

进一步，所述控制模块包括步进电机和控制单元，控制单元用于控制步进电机和输出模块，步进电机带动接收天线的转动，实现信号的空间扫描接收。

本发明所述的智能红绿灯系统，包括传感器。

进一步，还包括主控制器和红绿灯-倒计时显示模块，主控制器用于根据传感器的输出信号控制红绿灯-倒计时显示模块，红绿灯-倒计时显示模块用于实现红绿灯和倒计时显示。

进一步，还包括第一无线数据传输模块、辅控制器和第二无线数据传输模块，其中：

第一无线数据传输模块：用于将主控制器的输出信号发送出去；

辅控制器：用于将第二无线数据传输模块接收到的信号转换为红绿灯和倒计时的指示信号并发送给红绿灯-倒计时显示模块；

第二无线数据传输模块：用于接收第一无线数据传输模块发送的信息。

进一步，还包括路口选择编码开关，所述辅控制器还用于根据路口选择编码开关选择接收第一无线数据传输模块发送的信号。

进一步，还包括有线传输适配器，主控制器通过有线传输适配器连接红绿灯-倒计时显示模块传输模块发送的信号。

有益效果：本发明公开了一种基于改进型SISAR处理方法的车辆状态传感器和智能红绿灯系统，通过信号处理模块改进型SISAR的处理判断是否能获得车辆的像，来判断车辆是运动还是静止的。本发明不受天气和照明条件的影响，能够全天候进行探测，探测范围大，可靠性高，有效降低了维护成本和施工难度。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的传感器的工作原理图；

图2为本发明具体实施方式的传感器的结构框图；

图3为本发明具体实施方式的智能红绿灯系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的介绍。

首先介绍一下本具体实施方式的传感器的工作原理。卫星导航信号照射到路面及车辆上会产生散射回波，传感器程序式调整接收波束方向，沿车辆行驶方向选择性接收散射回波，然后对散射回波信号采用改进型SISAR处理方法进行信号处理，实现道路上车辆是运行还是停止的检测，并给出道路畅通的区间和拥堵的区间信息。如图1所示，S是车道的方向，Δs_i是车道的一微小段区域，正好处于装置接收波束内。卫星导航信号照射在车道上，图中标注了Δs_i段照射和散射信号被装置接收的情况。当装置的接受波束扫描到Δs_i时，对其信号采用改进型SISAR处理方法进行信号处理，就可以检测出该微区间有无车辆及车辆是运动还是静止的。接收波束循环遍历整个车道S区域并反复检测，就得到了车道上车辆流畅和拥堵的区域。

本具体实施方式公开了一种基于改进型SISAR处理方法的传感器，如图2所示，包括接收天线111、下变频模块112、A/D采样模块113、信号处理模块114、输出模块115和控制模块116。卫星导航信号照射车辆后散射的回波信号通过接收天线111进行接收，然后通过下变频模块112进行下变频处理，接着通过A/D采样模块113将模拟信号变为数字信号，再通过信号处理模块114判断是否能得出车辆的像并形成判定结果，最后通过输出模块115将判定结果输出。其中，信号处理模块114对数字信号进行处理后判断是否能得出车辆的像：如果能，则判定车辆是运动的；否则，则判定车辆是静止的。控制模块116用于控制接收天线111和输出模块115。控制模块116包括步进电机和控制单元，控制单元用于控制步进电机和输出模块115，步进电机带动接收天线111转动，实现信号的空间接收。

其中，信号处理模块114采用改进型SISAR处理方法，阴影逆合成孔径雷达方法(SISAR方法)只适用于纯载频信号照射情形，而卫星导航信号不是纯载频信号，所以对SISAR方法进行了改进，以适合对卫星导航信号的处理。主要包括以下步骤：

S1：根据式(1)获得GPS导航卫星C/A码照射时车辆的复全息信号

式(1)中，D(t)为导航数据码，C(t)为C/A码，为等效为纯载频信号照射时车辆的复全息信号，通过式(2)得到；

式(2)中，为车辆复侧影像，根据式(3)计算得到，ψ为车辆运动方向与基线夹角，λ为GPS导航卫星C/A码载频的波长，η为平面中的η坐标值，b(t)根据式(5)计算得到；

式(3)中，

η，是以车辆中心为原点构成的直角坐标系中平面的坐标值，h(η)为η对应的车辆侧影轮廓上下边沿的高度差，c(η)为η对应的车辆侧影轮廓中线的高度坐标，n₁根据式(4)计算得到：

式(5)中，V为车辆运动速度，x_p为车辆中心在直角坐标系(x,y,z)中x的坐标值，z₀为车辆中心在直角坐标系(x,y,z)中z的坐标值，传感器所在位置是直角坐标系(x,y,z)的原点，x轴平行于ξ轴，y轴平行于η轴，z轴平行于轴，b为卫星到传感器的距离；

S2：根据式(6)对GPS导航卫星C/A码照射时车辆的复全息信号进行处理，得到等效为纯载频连续波信号照射时车辆的复全息信号的近似值E′(t)：

式(6)中，D′(t)为接收信号解调出的数据码，C′(t)为信号跟踪时获得的C/A码；

S3：对E′(t)进行傅里叶变换，判断是否能得出车辆的像：如果能，则判定车辆是运动的；否则，则判定车辆是静止的。也即判断得到的谱线图与车辆的侧影像是否相似：如果相似，则判定车辆是运动的；否则，判定车辆是静止的。

本具体实施方式还公开了一种智能红绿灯系统，如图3所示，包括主控制系统1和辅控制系统2，辅控制系统2与路口一一对应。其中，主控制系统1包括基于改进型SISAR处理方法的传感器11、第一无线数据传输模块12、有线传输适配器13和主控制器14，基于改进型SISAR处理方法的传感器11、第一无线数据传输模块12和有线传输适配器13分别与主控制器14相连。辅控制系统2包括红绿灯-倒计时显示模块21、第二无线数据传输模块22、辅控制器23和路口选择编码开关24，红绿灯-倒计时显示模块21、第二无线数据传输模块22和路口选择编码开关24分别与辅控制器23相连。第一无线数据传输模块12与第二无线数据传输模块22之间通过无线网络进行通信。

其中，主控制器14和辅控制器23的型号均为MSP430F149。第一无线数据传输模块12和第二无线数据传输模块22的型号均为NRF905。

如果将本具体实施方式应用在“东、西、南、北”四个交通路口，则辅控制系统2有四个，分别对应于四个路口。主控制系统1通过基于改进型SISAR处理方法的传感器11探测四个路口的滞留车辆数，并对探测到的信息进行优化决策处理，得出红绿灯显示和倒计时显示的信息并通过第一无线数据传输模块12发送出去。辅控制系统2通过第二无线数据传输模块22接收第一无线数据传输模块12发送的信息，并根据自己的路口选择编码开关24接收符合自己的信息，再将接收到的信息变为红绿灯和倒计时的指示信号发送给红绿灯-倒计时显示模块21。