測(cè)速測(cè)距微波雷達(dá)在智能交通信息實(shí)時(shí)檢測(cè)中的應(yīng)用技術(shù)解析

導(dǎo)讀：ITS是未來(lái)交通系統(tǒng)的發(fā)展方向，實(shí)時(shí)交通信息是ITS最基本的信息源之一。相較于線圈檢測(cè)技術(shù)與視頻檢測(cè)技術(shù)，雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)在交通信息檢測(cè)方面具有無(wú)須破壞路面、抗干擾能力強(qiáng)、安裝維護(hù)方便、使用壽命長(zhǎng)、應(yīng)用前景廣闊等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)城市道路環(huán)境特點(diǎn)與應(yīng)用需求，交通流量監(jiān)測(cè)雷達(dá)TBR-540、廣域多目標(biāo)雷達(dá)WTR-470與交通流量計(jì)雷達(dá)WTR-422可滿足各路段交通信息實(shí)時(shí)檢測(cè)需求，幫助掌握路網(wǎng)交通狀態(tài)的時(shí)空變化規(guī)律與趨勢(shì)。

近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通需求日益增加，城市交通擁堵，交通事故頻發(fā)，交通環(huán)境惡化等成為當(dāng)前世界各國(guó)面臨的共同問(wèn)題。此外，交通系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的綜合性系統(tǒng)，單獨(dú)從道路或車輛的角度來(lái)考慮，都將很難解決交通問(wèn)題。

20世紀(jì)80年代末90年代初，智能交通系統(tǒng)(ITS=Intelligent Transportation System)應(yīng)運(yùn)而生，許多發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家相繼提出各自的發(fā)展戰(zhàn)略，并試圖通過(guò)發(fā)展ITS帶動(dòng)本國(guó)基于車輛、通信、電子、計(jì)算機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)的經(jīng)濟(jì)大發(fā)展。據(jù)預(yù)測(cè)，應(yīng)用智能交通系統(tǒng)后，可有效提高交通運(yùn)輸效益，使交通擁擠降低20％，延誤損失減少10~25％，車禍降低50~80％，油料消耗減少30％，廢氣排放也得以減少。

ITS是未來(lái)交通系統(tǒng)的發(fā)展方向，它是將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)、控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等有效地集成運(yùn)用于整個(gè)地面交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)。

實(shí)時(shí)交通信息是ITS最基本的信息源之一，只有對(duì)各道路實(shí)時(shí)交通信息有了準(zhǔn)確地掌握才能有效地實(shí)施和發(fā)揮諸如交通誘導(dǎo)之類的ITS功能，因此交通信息的實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)是ITS技術(shù)中最核心也是最基本的技術(shù)之一。

一、交通信息實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)

隨著道路交通信息監(jiān)測(cè)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)交通信息檢測(cè)的技術(shù)手段更加多樣，采集的信息更加豐富。目前已有多種交通信息采集技術(shù)在實(shí)際中應(yīng)用，如最先開(kāi)始發(fā)展的路面接觸式交通信息采集技術(shù)——線圈檢測(cè)技術(shù)，以及新發(fā)展起來(lái)的路面非接觸式交通信息采集技術(shù)——視頻檢測(cè)技術(shù)與雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)等。通過(guò)這些技術(shù)采集到的交通信息主要包括各車道的車速、車流量、車道占有率、車型、車頭時(shí)距等。

線圈檢測(cè)技術(shù)基于電磁感應(yīng)原理，它的傳感器是一個(gè)埋在路面之下、通過(guò)一定工作電流的環(huán)形線圈。當(dāng)汽車經(jīng)過(guò)采集裝置上方時(shí)會(huì)引起相應(yīng)的壓力、電場(chǎng)或磁場(chǎng)的變化，最后采集裝置將這些力和場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)換為所需要的交通信息。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，路面接觸式的交通信息采集技術(shù)已經(jīng)很成熟，其測(cè)量精度高，易于掌握，一直在交通信息采集領(lǐng)域中占有主要地位。

但是這種路面接觸式的交通采集裝置有著不可避免的缺點(diǎn)：安裝或維護(hù)需暫時(shí)阻礙交通，安裝施工量大；切縫軟化了路面，容易使路面受損，特別是橋梁、立交、高架路等路面嚴(yán)禁切割施工的地方采用環(huán)形線圈，否則會(huì)造成嚴(yán)重安全隱患；使用效果及壽命受路面質(zhì)量和自然環(huán)境影響較大，環(huán)形感應(yīng)線圈壽命一般僅2年；由于自身測(cè)量原理限制，當(dāng)車流擁堵，車間距小于3m的時(shí)候，其檢測(cè)精度大幅降低，甚至無(wú)法正常檢測(cè)。

視頻檢測(cè)技術(shù)是利用車輛進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域（虛擬線圈）導(dǎo)致背景灰度變化的原理來(lái)進(jìn)行車輛檢測(cè)，直觀可靠，安裝無(wú)須破壞路面。但缺點(diǎn)是對(duì)移動(dòng)車輛的鑒別有一定的困難，在拍攝高速移動(dòng)車輛時(shí)需要有足夠快的快門(mén)（至少是1/3000PX）、足夠數(shù)量的像素以及可靠的圖像算法。另外，受光度、氣候條件的影響很大，且需要進(jìn)行鏡頭清潔等日常維護(hù)。

雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)是利用車輛經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí)引起雷達(dá)電磁波返回時(shí)間或頻率的變化進(jìn)行車輛檢測(cè)，安裝維護(hù)方便、使用壽命長(zhǎng)、幾乎不受光照度、灰塵以及風(fēng)、雨、霧、雪等天氣氣候影響。因此，相較于視頻檢測(cè)技術(shù)，雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)作為新一代路面非接觸式交通信息采集技術(shù)更具應(yīng)用與發(fā)展前景。而將雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于交通信息采集關(guān)鍵是要解決從微波（指波長(zhǎng)在1mm~1m，頻率在300mhz~300ghz范圍內(nèi)的電磁波，是無(wú)線電波中分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱。）雷達(dá)回波信號(hào)中提取車輛信息問(wèn)題。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是利用雷達(dá)技術(shù)所具有的測(cè)速和測(cè)距功能來(lái)實(shí)現(xiàn)交通信息的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

二、車速檢測(cè)

雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)對(duì)車輛速度的檢測(cè)基于微波多普勒（Doppler）效應(yīng)。微波在傳播過(guò)程中，碰到物體時(shí)會(huì)發(fā)生反射，反射波的頻率會(huì)因物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化而變化。當(dāng)物體固定不動(dòng)時(shí)，反射波的頻率保持不變；當(dāng)物體向靠近波源的方向移動(dòng)時(shí)，微波反射波被壓縮，導(dǎo)致頻率增高；當(dāng)物體向遠(yuǎn)離波源的方向移動(dòng)時(shí)，微波反射波被拉伸，導(dǎo)致頻率降低。這就是多普勒效應(yīng)。基于多普勒效應(yīng)原理可以對(duì)車輛的速度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，且具有技術(shù)成熟、價(jià)格相對(duì)較低、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單（不用破壞路面和中斷交通，可安裝于橋梁與隧道等線圈難以安裝的路段）、容易推廣等特點(diǎn)。

三、車流量檢測(cè)

采用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW，受一定頻率周期性線性連續(xù)波調(diào)制的微波）原理的雷達(dá)可以很好的實(shí)現(xiàn)距離檢測(cè)功能，基于這種測(cè)距功能，通過(guò)測(cè)量雷達(dá)與車輛之間的距離與角度就可以判斷車輛處于哪一條車道；對(duì)判斷車道是否有車輛存在，可通過(guò)雷達(dá)往各車道發(fā)射一系列連續(xù)調(diào)頻波，并接收各車道上車輛反射回來(lái)的電磁波信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于不存在多普勒頻移，各車道上車輛和雷達(dá)之間的距離不同，反射回來(lái)的電磁波與當(dāng)前雷達(dá)發(fā)射的電磁波頻率之差也不同，雷達(dá)通過(guò)對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，并判斷各車道對(duì)應(yīng)頻率分量的強(qiáng)弱即可知道各車道上有沒(méi)有車輛存在，以此來(lái)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)車流量與車道是否擁堵。

四、其他交通信息參數(shù)檢測(cè)

除了車流量和速度以外，另外幾個(gè)主要交通信息參數(shù)是車型、車道占有率和車頭時(shí)距。由于多普勒頻率的持續(xù)時(shí)間是可以測(cè)量的，因此，在獲取車輛速度的基礎(chǔ)上，利用速度與時(shí)間的乘積，即可推算出車輛的長(zhǎng)度，由此可以獲取車型信息，如長(zhǎng)車、中長(zhǎng)車、短車。車道占有率以及車頭時(shí)距則可通過(guò)檢測(cè)車輛進(jìn)入和離開(kāi)檢測(cè)區(qū)域的時(shí)刻來(lái)計(jì)算。

但設(shè)備安裝位置不同，進(jìn)入和離開(kāi)檢測(cè)區(qū)域時(shí)刻的準(zhǔn)確度也不同。例如，因不同的檢測(cè)靈敏度對(duì)應(yīng)不同的時(shí)刻，基于FMCW原理的側(cè)向安裝（頂裝）微波雷達(dá)對(duì)車輛進(jìn)入和離開(kāi)檢測(cè)區(qū)域時(shí)刻的測(cè)量只能通過(guò)建模完成，給出平均速度并提供車型參考，其準(zhǔn)確度依據(jù)模型而定；而正向安裝的微波雷達(dá)卻可以直接準(zhǔn)確測(cè)量。因此，對(duì)于只要求檢測(cè)車流量和大致了解車輛平均速度的應(yīng)用場(chǎng)景，側(cè)向安裝（側(cè)裝）的微波雷達(dá)較為合適；而對(duì)于要求車流量、實(shí)時(shí)速度、車型、車頭時(shí)距等交通信息都很準(zhǔn)確的應(yīng)用場(chǎng)合，則需要采用正向安裝（頂裝）的微波雷達(dá)。

五、基于微波雷達(dá)技術(shù)的交通信息檢測(cè)方案

根據(jù)城市道路環(huán)境特點(diǎn)與應(yīng)用需求，巍泰技術(shù)（武漢）有限公司基于多普勒效應(yīng)測(cè)速技術(shù)與FMCW原理測(cè)距技術(shù)，推出了可檢測(cè)車速、車流量與平均車速的側(cè)向安裝（頂裝）交通流量監(jiān)測(cè)雷達(dá)TBR-540，以及可以準(zhǔn)確檢測(cè)車速、平均速度、車流量、車型、車道占有率、車頭時(shí)距、交通擁堵情況、車輛逆行狀況等交通基本信息的正向安裝（頂裝）的廣域多目標(biāo)雷達(dá)WTR-470與交通流量計(jì)雷達(dá)WTR-422。TBR-540、WTR-470與WTR-422雷達(dá)檢測(cè)與安裝示意圖如下：

其中，WTR-470與WTR-422均采用了毫米波技術(shù)原理，可分別檢測(cè)雙向6車道與8個(gè)車道上的128個(gè)目標(biāo)車輛的深度信息，并進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，具有不受光、熱、霧、煙、灰塵等外界環(huán)境因素的影響，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)性好，全天候不間斷工作的特性。三個(gè)雷達(dá)之間的比較如下：

基于以上微波雷達(dá)測(cè)速測(cè)距功能，在多個(gè)路段上安裝多個(gè)微波車輛檢測(cè)器，通過(guò)這些微波車輛檢測(cè)器可以不斷地獲取大量連續(xù)的動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可為研究道路交通狀態(tài)的時(shí)空變化規(guī)律奠定重要基礎(chǔ)。當(dāng)某一路段發(fā)生交通事故時(shí)，對(duì)采集的交通數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，并對(duì)道路交通流狀態(tài)進(jìn)行分析研究，便可確定瓶頸位置并得到瓶頸處擁擠的開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和擁擠的持續(xù)時(shí)間，及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)道路交通流的狀態(tài)，進(jìn)而掌握路段瓶頸處交通擁擠規(guī)律。此外，通過(guò)對(duì)多個(gè)路段交通信息的采集與處理可以得到路網(wǎng)歷史動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，從而得到路網(wǎng)交通狀態(tài)的時(shí)空變化規(guī)律，幫助交管部門(mén)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確的交通狀態(tài)變化趨勢(shì)。