車輛偵測器和量測車輛距離以及車輛速度的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種車輛偵測器及其量測方法，利用線性調(diào)頻連續(xù)波量測車輛距離與速度的方法。提供單波束雷達車輛偵測器。將偵測器安裝于道路側(cè)邊，且車輛偵測器的安裝方向與車輛行進方向的垂直方向呈一角度。對道路發(fā)射一波束并接收回波。計算波束與回波的時間差，時間差對應于一差頻。獲取一總差頻。由總差頻中提取差頻與都卜勒頻率，以分別計算車輛距離與速度。
【專利說明】車輛偵測器和量測車輛距離以及車輛速度的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種車輛偵測器和量測車輛距離以及車輛速度的方法，尤指一種利用線性調(diào)頻連續(xù)波(Linear Frequency Modulated Continuous Wave, LFMCW)可量測多車道的單波束雷達車輛偵測器。

【背景技術】
[0002]自古以來，對交通工具性能的要求一直是人類熱衷的話題。隨著科技的不斷進步，車輛的性能愈來愈好，人們在駕駛時常不自覺地讓行駛速度愈來愈快，以致于造成各種交通事故。因此，各國政府無不依據(jù)道路條件，分別訂定速限，以維護社會大眾的安全。是以，車輛偵測器已成為一種必需品。
[0003]—般而言,傳統(tǒng)車輛偵測器若依照安裝方式的不同可分為正向式與側(cè)向式,而若依照檢測技術的不同，可分為單波束與雙波束。所謂的正向式車輛偵測器，僅能對正面而來的車輛進行檢測，換句話說，僅能量測單一車道或是單一目標物，因此用途受限。而側(cè)向車輛偵測器，不論是單波束或是多波束的設計，因為安裝時都是垂直于車輛的行進方向，所以可以對多車道進行檢測。請參考圖1，圖1為現(xiàn)有技術中側(cè)向車輛偵測器的安裝示意圖。如圖1所示，道路10上總共有三個車道11、12、13，車輛14于車道12中沿著箭頭A的方向行進，車輛偵測器15安裝于道路10的側(cè)邊，并向道路10發(fā)射出波束16，而波束16的發(fā)射方向垂直于車輛14的行進方向。
[0004]在單波束設計的情形，可以藉由量測車輛通過偵測區(qū)的壓占時間，然后再配合默認的平均車長推估出車速，因為偵測區(qū)的長度與默認的平均車長都是固定的，當壓占時間越長時車速就越慢。而同樣利用單波束的設計，也可以藉由量測車輛通過偵測區(qū)的相位變化，來推估出車速，當相位變化越快時車速越快。至于雙波束設計的情形，是利用微波偵測器的探頭，發(fā)射出兩個夾角極窄的波束，再接收這兩個波束的回波。如此一來，便在車道上形成前后兩個檢測點，然后利用兩回波的時間差，來推估出車速。
[0005]然而，現(xiàn)有技術都有其不足或不準確之處。由于單波束雷達的車輛偵測器，利用默認平均車長去推估車速，所以偵測所得的車速，僅可視為一段時間之內(nèi)的平均車速，而非單一特定車輛的瞬時速度。尤其是在特定情形之下，誤差可能更大。例如，于晚間對車輛進行檢測時，若該區(qū)域晚間行駛的多為大卡車，以至于車長的分布改變時，套用同樣的默認平均車長，所測得的平均車速必定不可靠。而雙波束雷達的車輛偵測器，雖然沒有這方面的問題，但是兩波束的距離必需要有足夠的寬度，才能產(chǎn)生可量測的時間差，在與車輛偵測器距離較近的車道上(例如圖1中的車道11)，兩波束的寬度往往不足以致于無法量測出時間差，使方法變得不可行。同時，雙波束雷達的車輛偵測器，由于運作時需要利用到兩波束，涵蓋范圍比較寬，當車流輛較大時，并不能保證精確地測量到同一車輛由同一位置進入第一波束(前線圈)和第二波束(后線圈)的時刻，導致測速的不準確。此外，雙波束雷達偵測器必需經(jīng)由檢測車輛通過兩個波束時的反射信號特征，并判別其為相同時，才能確定反射信號由同一輛車所發(fā)出。由于實際運作時，微波束是由路面的側(cè)上方發(fā)射出來，因此在車流較大的情況下，除了距離車輛偵測器最近的車道以外，其余的車道或多或少都有遮擋的問題。當某一輛車被部份遮擋時，車輛偵測器經(jīng)由第一波束與第二波束所測得的時間間隔與信號強度均容易失真，進而導致測速的不準確，只有當?shù)缆飞蟽H有一輛車通過或是車流輛很小時，才能保證測量到的車速是準確的。
[0006]因此，如何設計出新的車輛檢測器，使其僅利用單波束，便能對多車道進行準確量測，便成為十分重要的課題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]因此，本發(fā)明的目的是提供一種車輛偵測器和量測車輛距離以及車輛速度的方法，以解決現(xiàn)有技術無法對多車道進行準確量測的問題。
[0008]本發(fā)明提供一種利用一線性調(diào)頻連續(xù)波量測車輛距離以及車輛速度的方法，包含有下列步驟:提供一車輛偵測器，所述車輛偵測器具有一單波束雷達；將所述車輛偵測器安裝于一道路的一側(cè)邊，所述道路具有多個車道，且所述車輛偵測器的一安裝方向與一車輛行進方向的一垂直方向呈一角度；所述單波束雷達對所述道路發(fā)射所述線性調(diào)頻連續(xù)波的一波束；所述單波束雷達接收所述波束的一回波；計算所述波束與所述回波的時間差，所述時間差對應于一差頻；獲取一總差頻；由所述總差頻中提取所述差頻以及一都卜勒頻率；以及經(jīng)由所述差頻以及所述都卜勒頻率分別計算出所述車輛距離以及所述車輛速度。
[0009]依據(jù)本發(fā)明的實施例，所述線性調(diào)頻連續(xù)波包含一三角波或是一鋸齒波。
[0010]依據(jù)本發(fā)明的實施例，所述角度為15度到30度。
[0011]依據(jù)本發(fā)明的實施例，所述時間差與所述差頻的對應關系為At = fbXT/B，At為所述時間差，fb為所述差頻，T為掃頻周期，B為掃頻帶寬。
[0012]依據(jù)本發(fā)明的實施例，所述總差頻為所述差頻以及所述都卜勒頻率之和。
[0013]依據(jù)本發(fā)明的實施例，所述差頻由一第一關系式表示，且所述車輛距離經(jīng)由所述第一關系式計算所得，所述第一關系式為fb=(2RXB)/ (cXT)，R為所述車輛距離，B為掃頻帶寬，c為光速，T為掃頻周期。
[0014]依據(jù)本發(fā)明的實施例，所述都卜勒頻率由一第二關系式表示，且所述車輛速度經(jīng)由所述第二關系式計算所得，所述第二關系式為fD = (2vrXfc)/c,fD為所述都卜勒頻率，\為徑向速度，f。為載波的中心頻率，c為光速。
[0015]本發(fā)明另提供一種單波束雷達車輛偵測器，所述單波束雷達車輛偵測器包含有一波形產(chǎn)生模塊、一發(fā)射天線、一耦合器、一接收天線、一混波器以及一信號取樣處理器。所述波形產(chǎn)生模塊，用以提供一線性調(diào)頻連續(xù)波。所述發(fā)射天線，用以發(fā)射所述線性調(diào)頻連續(xù)波的一發(fā)射波。所述接收天線用以接收一接收波。一混波器用以接收由所述耦合器傳遞的部分所述線性調(diào)頻連續(xù)波以及所述接收波，并計算所述發(fā)射波與所述接收波的差值，以產(chǎn)生一中頻信號。所述信號取樣處理器，將所述中頻信號轉(zhuǎn)換成一差頻信號，并自一總差頻中提取所述差頻信號以及一都卜勒頻率，以經(jīng)由所述差頻信號以及所述都卜勒頻率分別計算出一車輛距離以及一車輛速度。
[0016]依據(jù)本發(fā)明的實施例，所述波形產(chǎn)生模塊另包含有:一波形產(chǎn)生器，用以提供一函數(shù)信號；以及一壓控振蕩器，用以控制所述線性信號的震蕩頻率，以輸出所述線性調(diào)頻連續(xù)波。
[0017]依據(jù)本發(fā)明的實施例，所述線性調(diào)頻連續(xù)波包含一三角波或是一鋸齒波。
[0018]依據(jù)本發(fā)明的實施例，所述混波器與所述信號取樣處理器之間另包含有一中頻放大電路，且所述中頻放大電路包含有:一濾波器，用以將所述混波器輸出的信號做濾波處理，以消除干擾信號；以及一放大器，用以將所述混波器輸出的所述信號做放大處理，以輸出所述中頻信號。
[0019]依據(jù)本發(fā)明的實施例，所述信號取樣處理器利用一快速傅立葉變換，將所述中頻信號轉(zhuǎn)換成所述差頻信號。
[0020]依據(jù)本發(fā)明的實施例，所述信號取樣處理器利用所述差頻信號的一第一關系式計算出所述車輛距離，所述第一關系式為fb=(2RXB)/ (cXT)，R為所述車輛距離，B為掃頻帶寬，c為光速，T為掃頻周期。
[0021]依據(jù)本發(fā)明的實施例，所述信號取樣處理器利用所述都卜勒頻率的一第二關系式計算出所述車輛速度，所述第二關系式為fD = (2vrXfc) /c，fD為所述都卜勒頻率，'為徑向速度，f。為載波的中心頻率，c為光速。
[0022]相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的單波束雷達車輛偵測器適用于側(cè)向安裝多車道量測的情形，大多數(shù)的現(xiàn)有單波束雷達在不需要變更設計的情形下，就可以實現(xiàn)。同時，采用本發(fā)明的方案，信號處理需求比雙波束雷達來得低，不需要處理單一目標在不同波束時，容易產(chǎn)生的信號質(zhì)量不一致問題。此外，本發(fā)明的單波束雷達車輛偵測器可以準確量測出車輛的距離、速度、長度以及所位于的車道。
[0023]為讓本發(fā)明的上述內(nèi)容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下:

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為現(xiàn)有技術中側(cè)向車輛偵測器的安裝示意圖。
[0025]圖2為本發(fā)明的單波束雷達車輛偵測器對多車道進行量測的示意圖。
[0026]圖3為本發(fā)明的單波束雷達車輛偵測器的結構示意圖。
[0027]圖4為本發(fā)明的單波束雷達車輛偵測器進行速度量測時的參數(shù)設定。
[0028]圖5為本發(fā)明的單波束雷達車輛偵測器進行速度量測時的仿真結果。

【具體實施方式】
[0029]請參考圖2，圖2為本發(fā)明的單波束雷達車輛偵測器對多車道進行量測的示意圖。本發(fā)明的單波束雷達車輛偵測器105,于側(cè)向安裝時,其安裝方向并非垂直于車輛的行進方向，而是偏了一個斜視角Θ。如圖2所示，道路100上總共有三個車道101、102、103，車輛104于車道102中沿著箭頭A’的方向行進，單波束雷達車輛偵測器105安裝于道路100的側(cè)邊，其安裝方向如箭頭B所示，與車輛104行進方向的垂直方向(如虛箭頭所示)呈Θ角。單波束雷達車輛偵測器105向道路100發(fā)射出波束106，在本發(fā)明中，使用的是線性調(diào)頻連續(xù)波，包含三角波或是鋸齒波。在較佳實施例中，斜視角Θ的范圍為15度到30度，但不以此為限。
[0030]由于本發(fā)明的單波束雷達車輛偵測器105，于安裝時并非垂直于車輛104的行進方向，而是偏了一個斜視角Θ，因此如圖2所示，當車速為V時，將會產(chǎn)生一個沿著徑向的速度分量V P并且由幾何關系可以輕易求得，Vr= V Xsin Θ。由于單波束雷達車輛偵測器105與車輛104的相對運動，沿徑向的速度分量Vy可以反映出由都卜勒效應所產(chǎn)生的徑向都卜勒頻率。請再參考圖1，相反地，在現(xiàn)有技術中，由于車輛偵測器15在安裝時并不具有任何斜視角(S卩Θ =0)，因此' =V XsinO = 0，沒有徑向的速度分量產(chǎn)生，不會產(chǎn)生徑向都卜勒頻率，也無法據(jù)此測得車輛14的速度。
[0031]線性調(diào)頻連續(xù)波的測距原理，為將發(fā)射波stx(t)與接收波sM(t)經(jīng)過混波器以后得到中頻信號Sb(t)，而中頻信號Sb(t)在經(jīng)過快速傅立葉變換(FFT)之后可得到差頻信號fb，再由差頻信號fb倒推出距離R。其基本觀念為先找出掃頻帶寬B與掃頻周期T的比例關系，經(jīng)由量測波束的來回時間At，可得知差頻信號fb，并將波束的來回時間At以掃頻帶寬B、掃頻周期T與差頻信號fb作表示(At = fbXT/B)。而由于波束為光束，在來回時間At內(nèi)共走了兩倍的距離，因此2R = cX Λ t(c為光速)，再將波束的來回時間At代入，最后得到差頻信號fb與距離R的關系式為:
[0032]fb = (2RXB)/ (cXT)
[0033]而在另一方面，如前所述，當單波束雷達車輛偵測器105對車輛104發(fā)出線性調(diào)頻連續(xù)波時，由于兩者之間具有相對運動，會產(chǎn)生頻率的偏移，偏移量即為徑向的都卜勒頻率，與徑向速度成正比，并以下式表示:
[0034]fD =(2 VrXfc)/c
[0035]其中f。為載波的中心頻率，并可據(jù)此計算出車輛104沿徑向的速度分量總的來說，由線性調(diào)頻連續(xù)波偵測移動目標車輛104時，所產(chǎn)生的總差頻為:
[0036]fb = [(2RXB)/ (cXT) ] + fD
[0037]而經(jīng)過信號處理后，這兩項分別與車輛104的距離R與車輛104的速度v相關，并據(jù)此經(jīng)由計算后，得知車輛104所處的車道與車輛104的速度V。另外，由于已經(jīng)準確測得車輛104速度V，并且車長L = V XTd (Td為車輛通過偵測區(qū)的壓占時間)，準確的車長L亦可以經(jīng)過簡單的計算獲得。
[0038]請參考圖3，圖3為本發(fā)明的單波束雷達車輛偵測器的結構示意圖。如圖3所示，本發(fā)明的單波束雷達車輛偵測器200包含有一波形產(chǎn)生模塊209、一發(fā)射天線204、一耦合器205、一接收天線206、一混波器207以及一信號取樣處理器208。波形產(chǎn)生模塊209包含波形產(chǎn)生器201、線性頻率控制202以及壓控振蕩器203。波形產(chǎn)生器201是信號源，用以產(chǎn)生各種波形的函數(shù)信號。所產(chǎn)生的函數(shù)信號經(jīng)由線性頻率控制202，成為線性的信號，然后經(jīng)過壓控震蕩器203。壓控振蕩器203是一種電子震蕩電路設計，可經(jīng)由輸入電壓的不同來控制震蕩頻率，最后輸出線性連續(xù)調(diào)頻波，在本發(fā)明中是三角波或是鋸齒波，并由發(fā)射天線204對道路發(fā)射出發(fā)射波Stx(t)。但是在經(jīng)過發(fā)射天線204之前，耦合器205會將壓控震蕩器203輸出功率的一部分耦合到混波器207，以利于之后得到中頻信號Sb(t)。
[0039]接收波(t)于進入接收天線206之后，會被混波器207所接收，然后混波器207會計算出發(fā)射波stx(t)與接收波&(0之間的差值，進而輸出中頻信號Sb(t)。一般而言，如圖3所示，可選擇性地設置一個中頻放大電路211，中頻放大電路211由濾波器2111與放大器2112所構成，用于將混波器207所輸出的信號做放大及濾波處理，以消除其中的干擾信號。事實上，中頻放大電路211的性能好壞，往往直接影響到對回波信號檢測的精準度。
[0040]之后，中頻信號Sb(t)會被信號取樣處理器208接收，并在信號取樣處理器208先進行快速傅立葉變換，以得到差頻信號fb。信號取樣處理器208會自總差頻中提取出(2RXB)/ (cXT)項與fD項，并計算出車輛的距離與徑向速度，進而得知車輛所處的車道以及車速。
[0041]請參考圖4與圖5，圖4為本發(fā)明的單波束雷達車輛偵測器進行速度量測時的參數(shù)設定，圖5為本發(fā)明的單波束雷達車輛偵測器進行速度量測時的仿真結果。由圖4及圖
5可以清楚的看到，當載波的中心頻率f。為10.6GHz (赫茲)，掃頻帶寬B為240MHz，掃頻周期T為I毫秒(ms)，斜視角Θ為10度(° )時，若車輛距離R被固定為20公尺(m)，并在車速為10公里/小時(km/h)、20公里/小時、30公里/小時、40公里/小時以及50公里/小時的狀況下分別做模擬，所求得的與距離差頻fb均非常準確，至于都卜勒頻率fD的部份，其模擬結果亦充分反映出了車速的比例關系。本發(fā)明的單波束雷達車輛偵測器，確實可以僅利用單一波束，準確量測出車輛的距離與速度。
[0042]綜合以上，本發(fā)明的單波束雷達車輛偵測器適用于側(cè)向安裝多車道量測的情形，大多數(shù)的現(xiàn)有單波束雷達在不需要變更設計的情形下，就可以實現(xiàn)。同時，采用本發(fā)明的方案，信號處理需求比雙波束雷達來得低，不需要處理單一目標在不同波束時，容易產(chǎn)生的信號質(zhì)量不一致問題。此外，本發(fā)明的單波束雷達車輛偵測器可以準確量測出車輛的距離、速度、長度以及所位于的車道。
[0043]綜上所述，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，但該較佳實施例并非用以限制本發(fā)明，該領域的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍以權利要求界定的范圍為準。
【權利要求】
1.一種利用一線性調(diào)頻連續(xù)波量測車輛距離以及車輛速度的方法，其特征在于，包含有下列步驟: 提供一車輛偵測器，所述車輛偵測器具有一單波束雷達； 將所述車輛偵測器安裝于道路的側(cè)邊，所述道路具有多個車道，且所述車輛偵測器的安裝方向與車輛行進方向的垂直方向呈一角度； 所述單波束雷達對所述道路發(fā)射所述線性調(diào)頻連續(xù)波的波束； 所述單波束雷達接收所述波束的回波； 計算所述波束與所述回波的時間差，所述時間差對應于一差頻； 獲取一總差頻； 由所述總差頻中提取所述差頻以及一都卜勒頻率；以及 經(jīng)由所述差頻以及所述都卜勒頻率分別計算出所述車輛距離以及所述車輛速度。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于:所述線性調(diào)頻連續(xù)波包含三角波或是鋸齒波。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于:所述角度為15度到30度。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于:所述時間差與所述差頻的對應關為At=fbXT/B，At為所述時間差，fb為所述差頻，T為掃頻周期，B為掃頻帶寬。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于:所述總差頻為所述差頻以及所述都卜勒頻率之和。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于:所述差頻由一第一關系式表示，且所述車輛距離經(jīng)由所述第一關系式計算所得，所述第一關系式為fb= (2RXB)/ (cXT)，R為所述車輛距離，B為掃頻帶寬，c為光速，T為掃頻周期。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于:所述都卜勒頻率由一第二關系式表示，且所述車輛速度系經(jīng)由所述第二關系式計算所得，所述第二關系式為fD =(2vrXfc) /c, fD為所述都卜勒頻率，\為徑向速度，f。為載波的中心頻率，c為光速。
8.一種單波束雷達車輛偵測器，其特征在于，包含: 波形產(chǎn)生模塊，用以提供一線性調(diào)頻連續(xù)波； 發(fā)射天線，用以發(fā)射所述線性調(diào)頻連續(xù)波的發(fā)射波； 耦合器； 接收天線，用以接收一接收波； 混波器，用以接收由所述耦合器傳遞的部分所述線性調(diào)頻連續(xù)波以及所述接收波，計算所述發(fā)射波與所述接收波的差值，以產(chǎn)生一中頻信號；以及 信號取樣處理器，將所述中頻信號轉(zhuǎn)換成一差頻信號，并自一總差頻中提取所述差頻信號以及一都卜勒頻率，以經(jīng)由所述差頻信號以及所述都卜勒頻率分別計算出一車輛距離以及一車輛速度。
9.如權利要求8所述的單波束雷達車輛偵測器，其特征在于:所述波形產(chǎn)生模塊另包含有: 波形產(chǎn)生器，用以提供一函數(shù)信號； 線性頻率控制，用以將所述函數(shù)信號轉(zhuǎn)換為一線性信號；以及 壓控振蕩器，用以控制所述線性信號的震蕩頻率，以輸出所述線性調(diào)頻連續(xù)波。
10.如權利要求8所述的單波束雷達車輛偵測器，其特征在于:所述線性調(diào)頻連續(xù)波包含三角波或是鋸齒波。
11.如權利要求8所述的單波束雷達車輛偵測器，其特征在于:所述混波器與所述信號取樣處理器之間另包含有一中頻放大電路，且所述中頻放大電路包含有: 濾波器，用以將所述混波器輸出的信號做濾波處理，以消除干擾信號；以及 放大器，用以將所述混波器輸出的所述信號做放大處理，以輸出所述中頻信號。
12.如權利要求8所述的單波束雷達車輛偵測器，其特征在于:所述信號取樣處理器利用快速傅立葉變換，將所述中頻信號轉(zhuǎn)換成所述差頻信號。
13.如權利要求8所述的單波束雷達車輛偵測器，其特征在于:所述信號取樣處理器利用所述差頻信號的一第一關系式計算出所述車輛距離，所述第一關系式為fb = (2RXB)/(cXT)，R為所述車輛距離，B為掃頻帶寬，c為光速，T為掃頻周期。
14.如權利要求8所述的單波束雷達車輛偵測器，其特征在于:所述信號取樣處理器利用所述都卜勒頻率的第二關系式計算出所述車輛速度，所述第二關系式為fD= (2\Xf。)/c，fD為所述都卜勒頻率，\為徑向速度，fc為載波的中心頻率，c為光速。
【文檔編號】G01S13/58GK104345308SQ201310315472
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年7月24日 優(yōu)先權日:2013年7月24日
【發(fā)明者】呂向斌, 曹昺昌, 楊長銘, 徐向榮 申請人:均利科技股份有限公司