高速公路微波車輛檢測器的原理分析與應(yīng)用

引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，高速公路的通車?yán)锍滩粩嘣黾?。截?011年底，我國高速公路總里程達到8.5萬公里。然而,隨著路網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，其通行能力卻滿足不了交通量增長的需求，因而直接影響經(jīng)濟的發(fā)展和人們的生活水平的提高。智能交通系統(tǒng)(ITS)是緩解日益惡化的交通狀況的有效途徑％通過車輛檢測器實現(xiàn)道路交通信息的采集和交通事故檢測是ITS的重要內(nèi)容。

我國道路交通的管理，目前還處于由粗放式管理向精細(xì)化管理發(fā)展的初期，各方面管理未能完全到位，導(dǎo)致車輛檢測器由于各種原因(如車輛的長期碾壓致使線圈車輛檢測器損壞；不能正常工作的車輛檢測器未能得到及時維修等)而未能充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用。而準(zhǔn)確、實時的交通數(shù)據(jù)(包括車流量、車速、車間距、車輛類型、占有率等)是實現(xiàn)交通控制的一個重要環(huán)節(jié)，只有在掌握大量的交通數(shù)據(jù)的前提下，才有可能實現(xiàn)真正意義上的智能交通。

目前，高速公路常用的車輛檢測器有線圈車輛檢測器、視頻車輛檢測器和微波車輛檢測器等。線圈檢測是單車道設(shè)備，只能檢測一條車道的交通信息，且安裝或修理時需要中斷交通，埋置線圈的切縫容易使路面受損，縮短路面及檢測線圈的使用壽命[2]o視頻車輛檢測器容易受到光線變化的影響,其檢測精度和效率都受到限制。微波車輛檢測器以其安裝維護方便、可檢測多車道以及全天候工作的特點很好地滿足了高速公路的應(yīng)用要求叫為此，本文著重對微波車輛檢測器的工作原理進行詳細(xì)分析，然后介紹其功能及應(yīng)用。最后闡述微波車輛檢測器的重要參數(shù)設(shè)置方法。

1微波車輛檢測器的工作原理

微波(Microwave)是指波長在1mm~1m，頻率在300MHz~300GHz范圍內(nèi)的電磁波，是無線電波中分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱。根據(jù)微波頻率的不同，可將其分為多個波段，各個波段的性能差異較大，應(yīng)用領(lǐng)域也有很大區(qū)別。其中，X波段(8~12.5GHz)具有天氣因素影響小、頻率高、帶寬大、易實現(xiàn)集成設(shè)計等特性，在目標(biāo)檢測領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值田。

微波車檢器對車輛的檢測基于多普勒效應(yīng)(Dopplereffect)。微波在傳播過程中，碰到物體時會發(fā)生反射，反射波的頻率會因物體運動狀態(tài)的變化而發(fā)生變化。當(dāng)物體固定不動時，反射波的頻率保持不變;當(dāng)物體向靠近波源的方向移動時,微波反射波被壓縮，導(dǎo)致頻率增高；當(dāng)物體向遠離波源的方向移動時，微波反射波被拉伸，導(dǎo)致頻率降低。以上就是微波車檢器實現(xiàn)交通參數(shù)檢測的物理基礎(chǔ)。

多普勒效應(yīng)中因相對運動所引起的接收頻率與發(fā)射頻率之間的頻差為多普勒頻率，用/表示，表達式為：

fd=2f?Vcosd/c⑴

其中,fo為微波車檢器微波信號的發(fā)射頻率；V為目標(biāo)速度:c為微波的傳播速度;為微波波束方向與物體運動方向的夾角。

從多普勒頻率的表達式即可看出，只要測得多普勒頻率fd，就可通過計算獲得物體的運動速度，這就是微波車檢器的測速原理。

微波在空間的傳播可用變量為時間t的函數(shù)描述。設(shè)信號源為V=&cos[?(t)]，信號發(fā)生后經(jīng)目標(biāo)反射，由微波車檢器接收。該過程變化復(fù)雜，文獻[5]中給出了具體的推導(dǎo)過程，其回波信號的推導(dǎo)結(jié)果為:

V=Arcos[^r(t)]=K/D2Ascos[^(t-td)](2)

其中,A,為信號幅值;r(t)為信號相位:K為衰減系數(shù):D為目標(biāo)與信號源的距離；為時間差。

由公式(2)可見，目標(biāo)與信號源之間的距離D和信號幅值A(chǔ)r存在一定非線性關(guān)系，故可通過信號幅值判斷車輛距離,從而判斷車輛處于哪一條車道，并由此可獲取車道交通量數(shù)據(jù)。

由于多普勒頻率的持續(xù)時間是可以測量的，因此，在獲取車輛速度的基礎(chǔ)上，利用速度與時間的乘積，即可推算出車輛的長度，由此即可獲取車輛分類信息(如長車、中車、短車)。車道占有率以及車頭時距通過檢測車輛進入和離開監(jiān)測區(qū)域的時刻來計算，但設(shè)備安裝位置不同，進入和離開檢測區(qū)域時刻的準(zhǔn)確性不同，因此，車道占有率與車頭時距的計算結(jié)果僅能起到參考作用。

由公式⑴可知，運動速度正比于多普勒頻率fd,故提取fd是速度檢測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為取出多普勒頻率(即收發(fā)信號的差頻)，需要采用混頻的方法取出參考信號與回波信號的差拍電壓，隔除其中的直流分量，得到多普勒頻率信號。圖1所示是多普勒頻率提取原理示意圖。

對于固定目標(biāo)，基準(zhǔn)電壓與回波電壓混合相減的合成電壓幅度保持不變；對于運動目標(biāo)，合成電壓的相位差隨時間會按多普勒頻率變化。因此，通過混頻方式可得到多普勒頻率fd，從而測得目標(biāo)的速度等參數(shù)。

2微波車輛檢測器的主要功能

微波車輛檢測器的主要功能可分為三個層面：一是單點(即某一斷面)交通信息的采集與處理；二是路段交通信息的采集與處理；三是路網(wǎng)交通信息的采集與處理。

2.1單點交通信息的采集與處理

檢測器通過發(fā)射調(diào)頻微波，反射波發(fā)生偏移來判斷車輛的有無，識別路上的車輛。主要采集的信息包括：

首先是經(jīng)過某一斷面的車流量，需要體現(xiàn)自然車流量和折算車流量。通過采集這些數(shù)據(jù)，可以統(tǒng)計出在不同的時間段內(nèi)經(jīng)過某一斷面的車流量，進而得到如圖2所示的關(guān)于時間的流量變化曲線，然后通過分析得到在一天、一個月以及一個季度等時間段的高峰車流量，以便于交通管理部門的相關(guān)管理人員更好地掌握所轄高速公路的車流量規(guī)律。

圖2某一斷面的車流量隨時間的變化曲線

二是經(jīng)過某一斷面的平均速度。在單位時間內(nèi)測得通過道路某斷面各車輛的地點車速，這些地點速度的算術(shù)平均值即為該斷面的平均車速，用Vvg表示，表達式為：

Vvg=M/n(3)其中，Vvg為某一斷面的平均速度:n為一段時間內(nèi)經(jīng)過某一斷面的車輛數(shù)；為經(jīng)過某一斷面每輛車的瞬時速度；

三是按照小型車、中型車和大型車進行車輛分類，并按照車輛類型來分別統(tǒng)計車流量和速度等信息，進而得到關(guān)于各類車型的統(tǒng)計報表和曲線圖。圖3所示一個時間段內(nèi)的車流量的變化圖。各類車型隨時間的車流量變化曲線圖如圖4所示。這些數(shù)據(jù)可方便管理者更清楚地掌握所轄路段的車流量信息。

24681012141618202224

通過以上三類信息，再根據(jù)數(shù)學(xué)模型折算又可以得到車道占有率、車頭時距和車間距等信息。

2.2路段交通信息的采集與處理

在路段上安裝多個微波車輛檢測器，通過這些檢測器可以不斷地獲取大量連續(xù)的動態(tài)交通數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可為研究高速公路交通狀態(tài)的時空變化規(guī)律奠定重要基礎(chǔ)。

在某一路段發(fā)生交通事故時，對采集的交通數(shù)據(jù)進行特征提取，并對道路交通流狀態(tài)進行分析研究，便可確定瓶頸位置并得到瓶頸處擁擠的開始時間、結(jié)束時間和擁擠的持續(xù)時間。及時準(zhǔn)確地預(yù)測道路交通流的狀態(tài)，進而掌握路段瓶頸處交通擁擠的規(guī)律。

2.3路網(wǎng)交通信息的采集與處理

多個路段車輛檢測器所采集的信息可以反映整個路網(wǎng)的交通狀況。

通過對采集得到的路網(wǎng)歷史動態(tài)交通數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析,可以得到高速路網(wǎng)交通狀態(tài)的時空變化規(guī)律。通過分析歷史交通事故，可對當(dāng)時所采集的數(shù)據(jù)進行分析，以得到交通事故對交通狀態(tài)的影響規(guī)律。通過建立符合本地區(qū)路網(wǎng)特點的交通變化預(yù)測模型和事故影響預(yù)測模型，就能根據(jù)高速路網(wǎng)歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測得到準(zhǔn)確的交通狀態(tài)變化趨勢，并可估計實時交通事故的時空影響。

3微波車輛檢測器的重要參數(shù)設(shè)置

在微波車輛檢測器開始工作前，往往需要進行一系列的參數(shù)設(shè)置，以保證車輛檢測器的正常工作。其中，比較重要的參數(shù)設(shè)置有日志周期（即采樣周期）和工作模式。

3.1日志周期的設(shè)置

車輛檢測器在檢測交通情況的同時，可對一段時間間隔內(nèi)的車輛數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計運算（如平均速度、車流量等）:日志周期是進行統(tǒng)計運算的時間間隔。它的設(shè)置范圍為1~60mm，通常采用5mm或10mm。根據(jù)加利福尼亞算法，日志周期比較長時,不利于事件的實時檢測。日志周期較短時，可以及時檢測到道路上發(fā)生的事件，以便高速公路管理部門立即采取相應(yīng)措施，防止過多車輛因未及時收到誘導(dǎo)信息而造成大范圍的擁堵。

3.2工作模式設(shè)置

微波車輛檢測器的工作模式有輪詢訪問模式和主動上傳模式兩種。車輛檢測器處于輪詢訪問模式時，由上位機周期性地向車輛檢測器發(fā)送指令，車輛檢測器在接收到指令后,將其檢測到的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至上位機。較小的輪詢間隔（比如5min）可以得到較為細(xì)致的報表，但也可能會加重設(shè)備的負(fù)荷,尤其是在輪詢大量接口的情況。如果被輪詢的設(shè)備位于遠程網(wǎng)絡(luò)，還需要加大超時時間；處于主動上傳模式時，車輛檢測器將根據(jù)設(shè)定的日志周期，定時向上位機傳送檢測到的數(shù)據(jù)。

4結(jié)語

本文主要介紹了微波車輛檢測器的原理，從斷面、路段和路網(wǎng)三個方面闡述了微波車輛檢測器的基本功能和應(yīng)用。

隨著我國高速公路建設(shè)的飛速發(fā)展，高速公路智能交通系統(tǒng)得到不斷完善。微波車輛檢測器作為一種道路通行狀況檢測的手段，在高速公路交通參數(shù)采集方面具有較多的優(yōu)勢,是對傳統(tǒng)的高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的升級與完善，旨在通過外場檢測設(shè)備自動發(fā)現(xiàn)異常交通事件，使高速公路管理者真切并及時地感受到道路運行狀況，從而進行交通事件檢測和調(diào)度,以使高速公路監(jiān)控設(shè)施的功能得以充分發(fā)揮。隨著微波車輛檢測器技術(shù)日趨成熟和完善，該技術(shù)將成為高速公路數(shù)據(jù)采集的主流技術(shù)。在高速公路由數(shù)字化進入智能化的重要時期,微波車輛檢測器將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。

20210917_61443f0fc5fea__高速公路微波車輛檢測器的原理分析與應(yīng)用