本發(fā)明涉及一種收費廣場擁堵監(jiān)測系統(tǒng)。具體涉及一種基于多波束廣域微波探測的收費廣場擁堵監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

高速公路的端點是收費站，為了節(jié)省人力物力，收費站的收費匝道往往不是全部開放，而是根據(jù)流量的大小相應(yīng)開放部分匝道或全部匝道。因此根據(jù)擁堵情況判斷是否需要增加或減少開放匝道，在安全上和經(jīng)濟上顯得尤為重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對背景技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種基于多波束廣域微波探測的收費廣場擁堵監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過獲取微波傳感器覆蓋的地面面積中車輛的有無，分析計算出收費廣場的擁堵情況，并且根據(jù)情況相應(yīng)做出預(yù)警，幫助收費站及時決定增減收費人員。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種基于多波束廣域微波探測的收費廣場擁堵監(jiān)測系統(tǒng)，包括多個微波傳感器、通訊模塊、擁堵分析模塊、預(yù)警模塊；微波傳感器、通訊模塊、擁堵分析模塊、預(yù)警模塊依次連接；微波傳感器通過通訊模塊向擁堵分析模塊的實時發(fā)送收費廣場道路信息，擁堵分析模塊利用不斷接收到的實時信息，通過延時計算，分析實時路況，并實時發(fā)送給預(yù)警模塊。

所述微波傳感器包括dds+lo雙邊帶信號輸入、正交混頻單元、倍頻單元、功率分配器、功放單元、高頻射頻開關(guān)、發(fā)射天線、接收天線、lna、混頻器、中頻濾波單元、差分中頻放大器、信號調(diào)理單元、a/d、fpga、dsp；dds+lo雙邊帶信號輸入，正交混頻單元、倍頻單元、功率分配器、功放單元、高頻射頻開關(guān)、發(fā)射天線依次連接，接收天線、lna、混頻器、中頻濾波單元、差分中頻放大器、信號調(diào)理單元、a/d、fpga、dsp依次連接；dsp與通訊模塊連接。

所述擁堵分析模塊實現(xiàn)車輛與微波傳感器斜距的測量、車輛位置的測量、車輛占道時間的判別；通過斜距計算得到車輛位置，根據(jù)車輛位置信息進(jìn)行占道時間的判別；

所述判別方法為：根據(jù)微波傳感器影射到地面的面積，模擬地感線圈的方式畫出方框，將其定義為模擬線圈；

在獲得了車輛準(zhǔn)確的位置信息之后，通過與預(yù)設(shè)的“虛擬線圈”位置信息進(jìn)行對比，如果某個方框被連續(xù)占用超過50s的時間閾值，且中間連續(xù)無空窗時間，即推斷該“虛擬線圈”上方有車輛停留。所述斜距的測量過程如下；

從射頻前端得來的信號，首先進(jìn)行雜波抑制，檢波，模數(shù)變換的數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行峰值監(jiān)測，獲得最后的處理結(jié)果—車輛距離雷達(dá)的斜距δl；測距采用的原理為脈沖多普勒，發(fā)射信號形式是頻率步進(jìn)線性調(diào)頻脈沖；采用步進(jìn)chirp的信號形式，其斜距離分辨率達(dá)到：

其中，bn為射頻的工作帶寬；

算到水平方向的分辨率，優(yōu)于為車輛位置的準(zhǔn)確提供了足夠的精度。

所述車輛位置的測量過程如下；

由于雷達(dá)架設(shè)的高度是已知的，設(shè)為h，在測出車輛距離雷達(dá)的斜距δl后，就可以求出車輛距離雷達(dá)的水平斜距離：

由于雷達(dá)接收天線的波束指向偏離了θ＝30°，因此目標(biāo)距離雷達(dá)的水平距離：

假設(shè)天線架設(shè)位置距離馬路邊緣的水平距離為δp，且車道寬度均勻分布，則所測車輛的車道位置為：

其中，[·]表示取整，wlane為單個車道的寬度。

所述擁堵分析模塊實現(xiàn)車輛速度的測量；任意兩個已知波束檢測到同一臺車

時，即可完成測速：

其中，d為兩天線間距，δt為車輛分別進(jìn)入兩個接收波束時的時間差。

所述擁堵分析模塊實現(xiàn)車輛長度的測量；

在測出車輛的速度v、車輛距離雷達(dá)的斜距δl后，即可完成車長l的測量；

即車長l為：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果：

本發(fā)明具有測量準(zhǔn)確，針對性強，全天候條件下測量的優(yōu)勢。相較于地面?zhèn)鞲衅餍枰诼访媲懈顐鞲衅靼惭b槽，本系統(tǒng)可以不破壞道路，并且檢測設(shè)備與車輛之間沒有接觸，不容易被破壞，可靠性較高。

在本發(fā)明中，使用16個或32個固定角度的微波傳感器，通過獲取微波傳感器覆蓋的地面面積中車輛的有無，分析計算出收費廣場的擁堵情況，并且根據(jù)情況相應(yīng)做出預(yù)警，幫助收費站及時決定增減收費人員。

本發(fā)明可以使高速收費站實現(xiàn)自動調(diào)度，節(jié)約人力物力；將幫助高速公路管理人員和收費人員在安全性和經(jīng)濟性，司機滿意度等方面取得較大的成效。

附圖說明

圖1是收費廣場擁堵監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖；

圖2是多波束檢測原理示意圖；

圖3是微波傳感器地面覆蓋面積示意圖；

圖4是微波傳感器硬件框圖；

圖5是微波傳感器的工作流程圖；

圖6是測速原理示意圖；

圖7是時間差檢測示意圖；

圖8是信號處理實現(xiàn)算法圖；

圖9是發(fā)射信號時間-頻率關(guān)系圖；

圖10是車道判別示意圖；

圖11是車長測量原理示意圖。

具體實施方式

基于微波探測的收費廣場擁堵監(jiān)測系統(tǒng)由微波傳感器、通訊模塊、擁堵分析模塊、預(yù)警模塊組成。原理方框圖見圖1。其中擁堵分析模塊和預(yù)警模塊集成在上位機上，上位機使用工業(yè)用計算機；通訊模塊分別在微波傳感器和上位機上，分有線連接和無線傳輸兩種方式，根據(jù)實際安裝方式使用，有線連接為rs232連接方式，無線傳輸使用wifi方式。

本發(fā)明利用多個固定角度的微波傳感器，高速輪詢掃描目標(biāo)區(qū)域，利用工控計算機實現(xiàn)全天24小時，任何氣候條件下的收費廣場擁堵監(jiān)測。

微波傳感器每隔50ms通過通訊模塊向擁堵分析模塊的實時發(fā)送收費廣場道路信息。擁堵分析模塊利用不斷接收的實時信息，通過延時計算，分析實時路況，并實時通過預(yù)警模塊顯示在工控機屏幕上。如果出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，擁堵分析模塊將發(fā)送擁堵信息。通過液晶顯示屏，高亮顯示。供收費站管理人員決定開啟新的收費通道。

為了使微波傳感器覆蓋面積符合技術(shù)要求，懸掛高度h，俯角α以及發(fā)射角度與路面線路的夾角β需要使之能達(dá)到測量要求，多波束檢測原理示意圖見圖2。

按照需求，本系統(tǒng)需要兩臺16路微波傳感器，以便覆蓋的面積達(dá)到判別擁堵現(xiàn)象的最佳面積。微波傳感器覆蓋地面的示意圖見圖3。

用于系統(tǒng)的監(jiān)測控制器采用工業(yè)用工控機，使用系統(tǒng)為windowsxp,采用的軟件為c++。

系統(tǒng)的檢測控制器由通訊模塊，擁堵分析模塊和預(yù)警顯示模塊共同組成。

通訊模塊用于微波傳感器與監(jiān)測控制器之間的信息傳遞，其中包括通訊協(xié)議的制定，有效數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?。通訊方式根?jù)現(xiàn)場復(fù)雜程度有有線方式和無線方式兩種。

擁堵分析模塊在接收和提取由通訊模塊傳遞的信息后，通過分析，在道路上是否有擁堵現(xiàn)象，如有，發(fā)送信息到預(yù)警顯示模塊。

預(yù)警顯示模塊用于提醒用戶收費廣場的復(fù)雜程度，如果出現(xiàn)擁堵，顯示器將高亮提醒。

下面分別對本發(fā)明的各個構(gòu)成部分作詳細(xì)說明：

一、微波傳感器設(shè)計指標(biāo)

1、微波工作頻率

24-24.24ghz，bw＝240mhz

2、天線特性

發(fā)射為16組天線、接收為水平窄波束的單天線

接收天線水平波束寬度≤6°，副瓣電平≤-40db

接收天線垂直波束寬度≥72°，副瓣電平≤-40db

3、發(fā)射功率

pout≥10dbm

4、接收機靈敏度

假設(shè)微波傳感器架設(shè)高度7m，距離第一車道的橫向距離2m，則可求得微波傳感器的最大作用距離rmax＝70.2m，最小作用距離rmin＝5.57m。

假設(shè)目標(biāo)車輛的微波傳感器散射截面積為1m²，發(fā)射機功率取為10mw，天線波束寬度5°(即天線增益約為17.78db)。根據(jù)微波傳感器方程：

其中：pt為發(fā)射功率，g為增益，σ為目標(biāo)地面的有效面積，r為微波的作用距離；

可得，微波傳感器接收到的回波信號功率大小變化范圍為[-99.4dbm,-55.4dbm]，動態(tài)范圍44db。

取射頻前端lna的工作帶寬為240mhz，則lna輸入端噪聲功率為：

ni＝kt0bn＝1.38×10^-23×293×240×10⁶＝9.6×10^-13w＝-90.2dbm(3)

其中：k波爾茲曼常數(shù)，t0為絕對溫度，bn為射頻的工作帶寬；

因此lna的噪聲系數(shù)應(yīng)該滿足下式：

nlna≤-99.4-(-90.2)＝-9.2db(4)

目前選用的lna芯片，其噪聲系數(shù)為2.5db，完全滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

二、系統(tǒng)方案

微波傳感器采用數(shù)字直接合成(dds)技術(shù)，產(chǎn)生微波傳感器中頻發(fā)射波形。該波形經(jīng)過混頻和上變頻后，上變到24～24.24ghz的射頻，通過發(fā)射天線輻射出去。輻射出去的微波傳感器電磁波照射到目標(biāo)后，形成反射波，被微波傳感器接收天線接收，經(jīng)過兩級高頻放大，諧波混頻后，下變到中頻。經(jīng)過中頻放大濾波，獲得中頻回波信號。該信號經(jīng)過ad變換后，變?yōu)閿?shù)字中頻信號，再經(jīng)過數(shù)字濾波，地雜波抑制，脈沖壓縮、合成距離高分辨、門限檢測，單元平均恒虛警(cfar)處理后，檢測到目標(biāo)存在。在檢測到目標(biāo)存在的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行回波時頻分析，從而完成目標(biāo)測速，測距等功能。

微波傳感器發(fā)射波形擬采用頻率步進(jìn)chirp波形，它是chirp信號和頻率步進(jìn)信號的折衷，同時兼有兩種信號的優(yōu)點，在獲得距離高分辨力和高數(shù)據(jù)率的同時仍保持較低的系統(tǒng)瞬時帶寬。

1、測速功能

基本原理：任意兩個已知波束檢測到同一臺車時，即可完成測速

其中，d為兩天線間距，δt為車輛分別進(jìn)入兩個接收波束時的時間差。具體見圖6。

因為d非常短(只有13.8cm)，所以為了保證測速精度，必須采用高重頻脈沖，目前選擇prf＝1mhz。

此設(shè)備所需要測量的最高速目標(biāo)速度為200km/h＝55.56m/s，當(dāng)采用prf＝1mhz時，車輛通過兩個波束時可以接收到的脈沖個數(shù)為：

n＝10⁶×d/vmax＝2484(6)

其中：d為兩個波束在地面之間的影射距離，vmax為最高速目標(biāo)速度。由于可以接收到數(shù)目龐大的回波脈沖，因此其測速精度可以得到保證。

2、測距功能

車輛與微波傳感器之間的距離δl的測量精度直接決定后續(xù)車輛位置的判別準(zhǔn)確率。目前我國高速公路的高速車道寬度為3.75米，那么如果采用普通的脈沖信號，要實現(xiàn)車道分辨，脈沖寬度必須滿足下式：

那么，脈沖寬度τ≤0.0125us。如果脈沖重復(fù)周期選為1us，則可知占空比只有1.25％。這么小的占空比，微波傳感器的平均發(fā)射時間間隔將很小，將會直接影響微波傳感器作用距離。

所以為了解決上述問題，本設(shè)計采用步進(jìn)chirp的信號形式，見圖7所示。它的斜距離分辨率可以達(dá)到：

其中：bn為射頻的工作帶寬；

算到水平方向的分辨率，將優(yōu)于為車道的準(zhǔn)確提供了足夠的精度。具體信號處理流程見圖8所示。

圖8顯示，從射頻前端得來的信號，首先進(jìn)行雜波抑制，檢波，模數(shù)變換的數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行峰值監(jiān)測，獲得最后的處理結(jié)果δl。

測距采用的原理為脈沖多普勒，發(fā)射信號形式是頻率步進(jìn)線性調(diào)頻脈沖。以一組脈沖(比如5個脈沖為一組)為例，其發(fā)射信號時頻分布見9所示。

3、位置判別

由于微波傳感器架設(shè)的高度是已知的(設(shè)為h)，在測出車輛距離微波傳感器的斜距δl后，就可以求出車輛距離微波傳感器的水平斜距離：

由于微波傳感器接收天線的波束指向偏離了θ＝30°，因此目標(biāo)距離微波傳感器的水平距離：

假設(shè)天線架設(shè)位置距離馬路邊緣的水平距離為δp，且車道寬度均勻分布，則所測車輛的車道位置為：

其中[·]表示取整，wlane為單個車道的寬度。

對于非均勻分布的車道，即wlane不一樣的高速公路，就需要根據(jù)實際情況來進(jìn)行設(shè)置。即在微波傳感器設(shè)備加電初始化后，通過上位機終端屏幕(預(yù)警顯示模塊)操作軟件，進(jìn)行車道位置參數(shù)的設(shè)置?；蛘吒鶕?jù)一定數(shù)量的車進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)來實現(xiàn)車道的自動識別，這部分內(nèi)容通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。首先通過人工判別車道的占有情況如已被占或未被占，給擁堵分析模塊輸入現(xiàn)場情況，該模塊會根據(jù)人工數(shù)據(jù)自動學(xué)習(xí)，并把學(xué)習(xí)結(jié)果儲存到后端數(shù)據(jù)庫，用于判別未來擁堵情況。該方法可以排除車無法通過的地方，而不將其判為某個車道的所屬范圍。如圖10。

4、車長測量

在測出車輛的速度v、車輛距離微波傳感器的斜距δl后，即可利用圖11示意的方法完成車長l的測量功能。

即車長l為：

其中，t1和t3分別為汽車經(jīng)過相鄰兩束微波信號的時間，為兩束微波信號之間的夾角。

三、擁堵判斷(擁堵分析模塊)

在獲得了車輛準(zhǔn)確的位置信息之后，可以通過與預(yù)設(shè)的“虛擬線圈”位置信息進(jìn)行對比，虛擬線圈是根據(jù)16路微波傳感器影射到地面的面積，模擬地感線圈的方式畫出的方框，如果某個方框被連續(xù)占用超過50s的時間閾值，且中間連續(xù)無空窗時間，即推斷該“虛擬線圈”上方有車輛停留。

在同一個車道上繪制出多個相同面積的虛擬線圈，可以覆蓋不同長度的測量有效面積，實現(xiàn)不同的排隊長度報警功能。

本系統(tǒng)無需破壞路面，開課實現(xiàn)路面的干凈，整潔，并且不因為物理接觸而損傷傳感器。

本系統(tǒng)的微波傳感器可按照不同現(xiàn)場的實際情況通過安裝高度，傾角的調(diào)整，減小被遮擋和漏檢可能性。