（通信与信息系统专业论文）基于lfmcw毫米波雷达的车辆检测技术研究.pdf

硕士论文基于l f mc w毫米波雷达的车辆检测技术研究 ab s t r a c t i n l e l li g e n t 于 ra 伍c sy引 比 m叮s)isth e k e y 枉 沁 hno fo gyintd wn p l al m in g . t 七 e v e hi c le vol 仙 m ed e t ec t o r h asbec nc 加 切 g ed 丘 o mth esingl e to 吐h ed fo 叩 to面x ed u ni o uched m e th 以 15 . mi crowavetl 习 伍c d e 认 尤 to r (v e hi c levol ume dst ec ting 口 d ar ) as姗 ofthe rrs v e b i c levol 切 m e d e t e c t l n g m e t h 。 妇h asth e 币d e a p p l l c at i o n fo re gr o und . hi面s p al ” r， th e v e hi c levo1 umedste c t in g s y st e mw hi c b isb as edonl f m c w而ll i m e 认 纷w a v e . d aris p r e se n t e d and di s c u 旧 ， 斌 f l 仆 九 比 etarg e tsc atti n gperfon n a n c eof se v e 司 t y 伴sof g e o m e t ri es und er 面。 旧 w a v e and t h e r c s ( 凡 川 arc ro sss ect i o n ) o f ty p i 司 v . 址 c les are r o u 咧y anal y zed 阳d p r oj ect 改 雨 m at e d，w hi l e the o peratl o . 叮p n 口 c 婚 lean d o th c r 讲rforlnances ofthe v e b l cl evo】 . m ed e te ct l n gra d arsy stem眼 加 切 川 u ce dandes ta b l l s h e d . 八 习 dth e nth 七 丘 m c t 1 o nofea c hc o m pon e niisdi sc us se din山面1 . t b e云 equ e ncy inw hi c b 肠 r adar w o d 田15 城 down to 35g 去 女， 阳dm o 比 ， 面sp 即 er 助 阁 y zesu l e拌r fo rmance s pe c l ficationofthe r ad 班sy s t e m ， 。 习 c u l at esthe r a d arsy s t e m 、 e n 。 招 ， 即d acco mplis h the 访 d e x di s 幼 b ut 1 0 氏indi c a t i n g th a t 此 邵 b 。 叮 e d 曰 旧 加别 刀 对 i on明 d pe rfon n a n cee v al 让 at i on ofth e 口 d 公sys t e m暇 com p l e 扭 月叨俄司半 b yanal y 刀 n g此 伪m pon e n tsofth e w holesy s t e m ， aty pe ofapp li c at i on v 曰 rs i onoff 仅di gi 因b and . p as s 五 1 认 汀 fo r di s t i n 四l s hi n g fo urdi 月 免 找 泊 t ro ads isin in 川 诩e d 阳d翻i gned. l as t ， tom ee t 初ththe hi gh 俪on 叫u e s t ofthe v e hi d e vol 切 皿 e d c t ec l in g ra di 巩this p a 户 叮胡司 界 比the r 。 幻 l u t i o n ofl f m c w叭 旧 lv e fo rm b 创 姆 d onth e 别 口 b i gi 幻 us丘 m c t i o n and di s c u s ses a ki n d ofm l x e d 、 ， a v e fo rm desi gn. k e 州ords:面n l m e te r 、 v a v e ， v ehicl e vol u m e d e t e ction， r a d a r ， lfmc w， r c s ，di g ital fil ter， hi ghre so1 ut i on 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了 加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人己 经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同 工作的同 事对本学位论文做出的 贡献均 己 在论文中作了明确的说明。 研究生签名:2 0 0 7年7 月 2 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以 借阅 或上网 公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内 容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:2 0 0 7年7 月 2 日 硕士论文基于l f m c w毫米波雷达的车辆检测技术研究 1绪论 1 . 1 研究背景 随着国民经济的不断发展和国民经济收入的不断提高，交通需求出现了不平 衡发展。 机动车的年增长率以2 4. 5 %的速度增长， 而城市道路的增长率却只有1 .3 %， 这就形成了 交通拥挤、 事故、 污染等问 题。 解决这些问 题的手段一是增加硬件及道 路建设的资金投入: 二是在现有道路条件下加强管 理科技的 投入来解决现有的交通 问题。 当前 ， 如 何 提高 现有 道 路的 流 通 速 度， 特 别 是 在 应 用智能 交 通 运输 系 统rr sll】 ( 加 te ili g e n t t 倒 叱 卯rtati o n s y st 。 江 15 ) 技 术 后的 通 行能 力， 已 经 成为 现 代 城市 交 通发 展的一项重要课题。 智能交通系统rrs 主要是指交通运输管理的智能化，实质是采 用现代高科技对传统的交通运输系统进行改造从而形成的一种新型现代交通系统。 i ts 是将信息技术、导航定位技术、数据通信技术、自 动控制、图像分析以 及计算 机网络等现代高新技术有效地运用于整个交通运输体系， 使人、 车辆、 道路密切配 合， 和谐地统一， 建立起一种在大范围内 全方位发挥作用的实时、 准确、 高效的综 合系统。 现今智能交通系统rrs 在我国已 逐步得到社会各界的广泛关注， 并已 成为 交通领域的研究热点。但是目前我国大城市交通拥挤的状况仍未有大的改善，井且 有日 趋恶化的趋势， 北京、 上海等一些大城市的交通要道以 及城际高速公路还并不 能满足城市道路速度快、 效率高的运行质量标准。因此加快开展现代城市道路交通 流 理 论 及其 应 用的 研究 显 得十 分 现实 而 迫 切 121 闭 。 交通信号的控制是缓解交通堵塞和事故的一种方法， 不管是区域控制或是单点 控制都需要对交通流进行检测。 交通数据的检测在城市道路建设、国道高速公路建 设、隧道桥梁建设以 及交通流的基础理论研究中占 有很重要的位置。 车流量检测系 统是rrs 的一个子系统， 它通过数据采集和设备监控等方式， 在道路上实时 地检测 车流量、 车速、 车道占 有率、车型 等交通参数。 检测到的 数据被传送到本地控制器 或上传至监控中 心， 作为监控中 心分析和提出 控制方案的主要依据。因 此车流量检 测系统检测技术水平的高低将直接影响到道路交通信息检测系统的工作效率和管 理水平。 1 . 2 车辆检测技术研究概况 车 辆 检 测技 术目 前 有 许 多 种 阎同 ， 不同 的 交 通 检测 技 术有 其 各自 的 优缺 点， 通 硕士论文基于l f m c w毫米波雷达的车辆检测技术研究 常可根据不同的道路监控需求， 术性能比较见表1 .2 . 1 。 表1 .2 . 1 采用不同的交通检测技术。常见的几种交通检测技 几种交通检测技术的性能比较 技术类别优点缺点 微波传感器技术 1 在恶劣气候下性能出 色 2. 可检测静止的车辆 3. 可以侧向方式检测多车道 4. 直接检测速度 1 . 安装条件要求较高 2. 不能对车辆进行准确分型 超声波检测技术l 体积小 2 . 易于安装 抗干扰能力差 声学检测技术根据特定车辆的声学特性识别该车辆为识别车辆需要将接收信号进 行大量的除去背景噪声的处理 雷达定位系统技 术( 6 p s ) l 数据采集非常方便且能够准确提供 交通及车辆的 相关完整数据信息 2. 可全天候工作 1 . 成本比较高且受功率的影响 2. 可能会产生错误的信息 无线射频识别技 术( 盯id) 1 . 防水、防磁、耐高温、使用寿命长 2. 可远距离识别、 读取速度快、 信息采 集量和存储量大 3. 数据准确且可据环境变化做出 调整 4. 成本较低 需要将rfid标签永久固定在车 身适当位置上， 前期贴标工作需 要投入大量的时间和精力 视频检测技术 l 为事故管理提供可视图 像 2. 可提供大量交通管理信息 3 . 单台摄像机和处理器可检测多道 1 . 安装条件要求较高 2. 大车可能遮挡随行小车 3 . 阴影、积水反射或昼夜转换 可能造成检测误差 磁映像技术1 . 可检侧小型车辆， 包括自 行车 2. 适合在不便安装线圈 场合采用 1 很难分辨纵向过于靠近的车 辆 2. 安装费时费力 气压管传感器技 术 1 . 车辆分型准确 2. 能够获得每辆车的车轴信息 l 同时检测的车道数较少 2. 难分辨纵向过于靠近的车辆 经比 较，由 于 远程交 通微波 传感器 r t m s ( r elno tetr aj 五 c m i a 旧 waves e nsor ) 的 探 测精度高、 抗千扰性能强、 全天候、 易于安装、 体积小、易于移动等突出 特点， 采用 此项技术来完成智能交通系统中车 辆检测与监控是目 前较主要的手段。 远程交通微波传感器r 们 叨 5 是一种新型的雷达车辆检测器， 北京理工大学雷达技 2 硕士论文基于l f m c w毫米波雷达的车 辆检测技术研究 术研究 所是国内 第一家从事微波车辆检测器研究的单 位。 19 92年北京理工大学雷达技 术研究所和北京市交通工程科学研究所共同研制列为“ 85” 重点攻关项目 (8 5 并 03一 。 06一 5 一 04) 的“ 雷达车辆检测 器” ， 经过多 年的 努力， 雷达技术 研究 所将先 进的雷达技术运用于车辆检测， 成功地研制了第一代车辆检测器。 车辆检测器作为智 能运输系统的前端， 用于公路、 铁路或城市道路的交通流量采集。 该系统经过多年运 行， 检测结果满意、 计数准确、 运行稳定、 性能 先进。 1 9 95年该系统经过公安部部级 鉴定， 到会委员、 专家一致认为“ 目 前国内尚 无同 类产品，该产品填补了国内 空白 ， 为交通流量检测提供了一种新型的设备， 可以广泛用于公路、 铁路或城市道路的交通 流量采集” 。 第一代雷达车辆检测器采用t m s 320c10 和8 0 31协同工作， 其前向 通道采 用未加调制连续波体制雷达， 发射连续波与回波信号作差频处理， 利用运动目 标产生 多普勒频移的特点来检测道路上行驶的车辆。 t ms 320c10作1 28点f f t 处理和判别车 辆，名 0 3 1 统计车辆个数以 及通过串口 r s 2 3 2 接收系统设置，发送统计结果。 目 前r t m s 的 应 用 领 域 主 要 有 16 叭 ( 1) 城市交通信号控制系统: 配合信号 控制器使用的城市交通控制系统. 控制 器根据r n 以 5 检测到的车流量、 道路占 用率、 平均速度等交通信息，自 动编程控制信 号灯的指示，有效调度控制道路交通。 (2)高速公路交通管理:采用r t m s 构成的高速路机动车交通管理系统，实现 高速路自 动事故检测。 r t ms 支持无线连接性能，比有线系统更经济，基于w 云 心 。 w s 软件，便可分析r j ms 单元传来的数据. (3) 远程车辆流控制:自 动控制的机动车辆计数系统。r l ，ms 提供存储能力， 可将测得的数据进行存储或通过拨号m0 0 e m或m o d e m传输到交通管理中心。 r t ms 还自 带分析和报告软件。 ( 4 )区域交通事故报替系统:为数据库收集真实交通数据的完备系统.它由 r i m s 探测器、无线m o d e m、 控制器和电 脑软 件组成。由 于数据可通过电 话线 ( 四 芯) 传输， 应用灵活且线路成本较低。 ( 5 ) 替代传统线圈感应检测器: 一台r t m s 可同时监控8 车道，相当于代替了 传 统的1 6 个线圈感应检测器。 又 r m s 配一线圈感应器模拟卡， 就可以 无需工程改动的实 现将r t ms 替代己经损坏的线圈感应检测器。 r t m s 还替代 “ 系统线圈” ， 并且经过证 明，它可以有效地替代s c 0 0 t 控制系统中的线圈。 1 。 3 连续波雷达的发展及应用 雷达即无线电 检测， 通过检测发射信号的回 波信号的性质， 测量目 标的 距离和 速度信息。 通常雷达分为连续波雷达和脉冲雷达。 脉冲雷达发射一串窄的电 磁能量 脉冲，发射脉冲结束后接收机将接通，接收回波。回波不仅指示目 标的存在与否， 硕士论文基于l f m c w毫米波雷达的 车辆检侧技术研究 而且发射脉冲与回波间的时间间隔可用来测量目 标距离。 如果强的发射信号可以 与 弱回波相区分，则雷达发射机可连续工作而不是脉冲工作。 连续波雷达是出现较早 且应用较广泛的雷达体制， 当雷达与目 标间有相对运动时， 用识别多普勒效应引起 的回波信号频率变化的方法， 可从发射信号中区分微弱的接收信号。 对发射信号进 行某种调制， 连续波雷达还有测距的能力。 早期的雷达实际上几乎都是连续波雷达。 简单的未调制的连续波雷达主要应用来测量运动目 标的相对速度， 如警察用的 速度 监视器等， 调频雷达的原理可用于做飞机的高度计， 用来测量飞机距离地面的高度. 局限于当时的电子水平，早期的雷达都是采用传统的模拟方法处理回波信号、进行 频谱分析， 使得连续波雷达的优越性没有得到充分体现，因而也限制了它进一步的 应用。 近几年来，数字技术日 趋完善，数字系统的灵活性好、精度高、 可靠性好的优 点 越来越受到人们的 重视。同时， 随着集成电 路技术的发展， 各种新型的大规模和 超大规模集成电 路的 性能也日 新月异。 数字信号器的出 现和发展， 克服了已 往计算 机速度和存储空间的限制， 使得对信号的实时的数字处理成为可能。 现今数字技术 已 经应用于雷达的许多方面，比如采用数字技术实现雷达参数的选择和模拟总体设 计以便使系统达到最优化;应用各种数字化芯片及 pc 机使雷达控制实现了数字化 控制: 将数字技术应用到天线设计中 及雷达信号的 产生方面: 更有应用数字技术来 完成 对雷达信号的 处 理和检 测门 . 1 . 4 毫米波雷达在车辆检测技术中的应用 由于采用连续波线性调频 ( l f m c w)体制的毫米波雷达具有较高的距离分辨 力、发射功率小、体积小、重量轻、 抗千扰能力强等特点，在弹药系统等许多领域 中已 经有着广泛的应用。 相同目 标在毫米波波段“ 呈现”的雷达截面积比在微波波 段的大， 而且地杂波对毫米波探测器的影响要比 微波波段探测器的小， 毫米波段容 易实现大调制宽带、 大多普勒频移， 所以 采用毫米波连续波线性调频体制的雷达具 有良 好的距离分辨力、高精度测距等优点.因 此， 连续波线性调频 (lf m c w) 毫 米波雷达在车辆检测系统中的应用有着广阔的前景。 目 前， 欧洲的汽车毫米波雷达系统的 工作频率一般设计在76一 77g 石 肠 ，已 有一 些国 家立法规定这一频段为汽车雷达所使用。 在日 本， 一般使用6 0 g 石 女 这一频段。 在我国，目 前对于通信和无线设备的频谱分配和管理， 只规定到10g 石 乙 左右。 根据 我国目 前毫米波研制的情况来看， 77g 石 七 左右的器件研究基本处于空白 阶段。 又根 据我国现状， 35g 石 酝 的理论研究和制造水平比 较成熟， 可以 把汽车雷达设计在这个 频段151 . 硕士论文 基于l f mc w毫米波雷达的车辆检测技术研究 1 . 5 论文的主要工作 ( 1) 将雷达技术应用到智能交 通系统中， 系统分析基于l f m c w 体 制的 毫米 波车流量检测雷达系统的工作原理和主要功能: (2)根据雷达目标特性的理论基础，分析毫米波车流量检测雷达的检测目标 散射特 性，对典型车 辆的雷达截面 积进行工程估算; ( 3) 给出车流量检测雷达的系统组成原理，根据实际提出的车流量检测雷达 系统的 性能技 术参数要求， 确定系统的工作 频段和工作体制， 进行方案论 证， 分析 线性调 频系统的 组成原理， 继而对系 统各主 要指标进行可行性论证、 定量 计算和误 差估计; (4) 理论分析并软件实 现用于车道判别的滤波 器组设计 方案; ( 5 ) 根据车流量检测雷达系统的高 距离分辨力 要求，结合本系统所能 达到的 距离分 辨力值， 从模糊函 数的角 度出 发， 分析系统lfm c w波形的 分辨力， 进一步 研究高距离分辨力波形设计的方法。 硕 上 论 文基于l f mcw毫米波雷达的车辆检测技术研究 2车流量检测雷 达系统的工作原理 2 . 1 引言 道路交通检测器有许多 种类， 绝大多数的检测 器对于 安装场地和环 境有一 些特 殊要求， 而且检测范围 也比 较窄， 只能 用于单车道的 检测。能 用于多车 道检 测的 技 术有两种: 视频图 像检测处理技术和再 现雷 达技术。 视频图 像检测处理技术是 将摄 像机的现场视频信号 输入信息处理机进行自 动识别，容易受到现场照明条件的限 制， 不能检测到静 态车辆， 对安装摄 像机的 线杆稳定性要 求高， 维护的工作量 也较 大， 而且性能不稳定， 价格比较高。 目 前， 远程交通微波传感器r i ms( rem 0 tetr a ffi c m icrowaves enso r) ， 由 于 其 探 测 精 度 高 、 抗 干 扰性 能 强 等 突出 优 点， 在车 辆 检 测与 监控领域的 应用方兴未艾。 基于r t m s 探测技术的交 通检测器， 可在 60 米的 检测 范围内提供多至 8 个用户可定义的、 连续或不连续检测路面域的交通信息。一般的 情况下主要是获取这几个参数:车辆存在、车流量、车道占有率、车辆速度和车型 分类信息等。 基于 r t ms 技术， 本文采用的是一种工作在毫米波波段的 l f mc w 体制雷达探 测器， 可安装在路旁的 线杆上， 安装简 便， 维护方便，是 一种探测效率高、成本低 廉的 通用型全天候交 通检测器， 能提 供多 车道的车辆存在 和交通参数。 本文研究的 基于 l f m c w 毫米波雷达的 车辆检测系统的功能主要实现了对车流量即车辆存在 的 探 测 【510 2 . 2车流量检测雷达的工作原理及技术特性 2 . 2 . 1 基本工作原理 用于城市道路管理和高速公路检测系统的路况信息检测的雷达检测器，采用调 频连续波调制方式，以 固定的扇形波 束连续发射低功率的变频信号。 雷j 忿 检 测器的 天线波束会在道路表面形成长椭圆 形的投影， 任何非背景的目 标都会返回给雷达检 测器目 标的位置和所测试到的范围。 根据需要对 每条车道定 义为1 层或多层， 每30 3 005 将一份包含每条 车道 ( 上行和下行) 车流量的 数据信息 传输到管理控制中心。 整个雷达检测器系统用一台 笔记本电 脑就可以启 动， 程序设置允 许用户需要定义操 作模式， 设置车道的位置、数 量以 及相应的参数。 每辆在检测器视野中出现的车辆 都在屏幕上以 一个符合其范围的 “ 标志” 显示， 用户可识别这个车 辆标志。 仅 在屏 幕上移动一个道路标志盒来包围 标志， 便可定义道路的位置， 可包括 1 条或多条车 硕士论文基于lfm c w毫 米波雷 达的 车辆检测技术研究 (2)真实再现:通常交通检测器不具有再现功能，如果物体移动得很慢或者 不动，就不能 探测到真实的交通情况。也就是说， 对于这类检测器，一条交通拥挤 的道路 “ 看” 起来是却是一条空路。 雷达检测器和感应线圈一样，是一种能够真实 再现的传感器。不论车辆是静止的还是移动的，都能真实检测到路面情况。 (3)全天候及准确性:除了微波检测器以外，所有的检测器在天气变化时要 继续维持良 好的运行都比较困 难。 被动视频和短波红外线设备不能在雾、 大雨和雪 中运行。 超声波检测器非常容易受到风引起的震动的影响。 雷达检测器作为一种实 时再现的雷达设备，由 于它的波长长，能够全天候工作， 适宜各种天气， 具有独一 无二的准确的区 域检测能力。 ( 4 )衍射:衍射是指波绕过阻碍物体前进，波长越长衍射越明显。正是由于 微波的衍射特性， 使得雷达检测器能 够检测到被大车遮挡的小型车辆。 就像其它雷 达一样， 车辆检测雷达可以自 然地通过衍射的物理现象看见水平面以上的物体。 根 据加拿大安大略省交通部的测试结果， 雷达检测器在路侧安装时车辆被完全遮挡的 概率约为2 %，其中 雷达检测器可检测出50%的被遮挡车辆。 ( 5) 间值:雷达检测器能自 动调节背景闽 值。固体 ( 栅栏、停靠的车辆)发 出的稳定信号会发出一个较高的背景闽值。 背景闽值及时覆盖固定物体信号并且不 再在其范围内 记录，这一过程将持续 2030 分钟。 相反，当强信号消失后，背景 标准会很快降低，新的背景闽值会在30秒钟之内形成。 ( 6 ) 背景信号强度:雷达检测器收到各种表面的连续不断的反 射波， 如人行 道、栅栏、 车辆、 树木等。 信号处理就是检测各个检测层面上的背景和车辆， 如果 反 射信号的阐 值高于 其范围 段的 背景 阐 值， 就表明 有车辆 存在阁 . 2 . 3 车流量检测雷达的l f m c 份 工作体制 2 . 3 . 1 雷达一般常用的 工作体制 雷达工作体制有很多 种， 主要有脉冲体制、 单载频连续波、 二进制频率键控伊 s k) 体 制 、 线 性 调 频 连 续 波 (l f m c 叨体 制 等 191 11 01. 脉冲测距是雷达测距经典也是最常用的基本方法之一， 它通过测量电磁波在系 统 与 目 标 之 间 的 往 返 传 播 所 用 的 时 间 : 进 行 测 距r = 些。 而 车 流 量 检 测 雷 达 的 距 离 2 相对较近， 发射信号和接收信号之间的时间差很小， 仅仅为几个纳秒。 这就要求系 统采用高速信号处理技术。 近距离脉冲体制雷达系统就变得十分复杂， 成本也大幅 度上升。 单载频连续波雷达发射连续的单一频率的一系列连续波， 雷达接收机接收目 标 硕士论文基于l f mc w毫米波雷达的车辆检测技术研究 的散射回波，使雷达能够确定目 标的存在与方向，并可检测出目标的速度。 但是采 用单载频连续波的雷达测不到目 标距离，必须将发射信号加上 “ 时间标志” ，对发 射波形进行调制，才能测量目 标距离。 二 进制 频率 键 控 ( fsk)体 制 是 用二 进制 数 字量。 、 1 两 种 状 态去 控 制载 波的 频 率 ， 产生快慢两种状态的载波频率。发射信号与回波信号相差一时延，如遇到动目 标， 还有多普勒频移。时延是通过相位差来计算的，这种调制方式电路实现较简单，但 这种信号占用的频带较宽，而且信号处理的算法比较复杂。 线 性调频 连续 波( lfm c 钧雷达 是 一 种通 过 对 连续 波进 行频 率调 制来 获 得 距 离 与速度信息的雷达体制。 系统发射的调频电磁波从探测系统到目 标往返传播的时间 内，发射信号的频率已经发生了变化，于是导致回波信号频率与发射信号的频率不 同， 二者间的差值与探测系统到目 标的间距有关， 测定其频率差值， 就可得到探测 系统与目 标间的距离。当探测系统与目 标有相对运动时，利用多普勒效应， 还可以 同 时 获 得目 标的 速 度 信 息 【121 。 2 . 3 . 2 线性调频连续波体制的 基本特点 线性调频连续波体制l f mc w体制主要有以下几个方面的 优点: ( 1) 能检测近数米的距离，测距精度高、抗干扰性能好。由于线性调频连续 波雷达系统通过测量频率差来确定雷达与目 标间的 距离， 而不是依靠回波信号的幅 度定 距， 与连续波多 普 勒体 制相比 ， 具 有定距 精度高、 抗午扰性能 好等优点。 其测 距误差理论上不受目 标反射特性等因素的影响，且具有一定的距离选择能力。 (2)易实现极高的距离分辨力。 根据雷达距离分辨力理论，雷达系统的理论 分辨力由 雷达信号带宽决定。 在线性调频连续波雷达中， 利用ng调谐振荡器或变 容管调谐耿式振荡器等压控振荡器，可以很容易产生大带宽信号，而接收机视频部 分的带宽却远远小于信号带宽，因而也易于工程实现。 线性调频连续波雷达易于产 生和处理极大带宽信号的特点使其特别适合需要极高距离分辨力的场合。 (3) 信号能量大、时宽带宽积大。 在噪声功率一定的情况下， 雷达的检测能 力由 信号能量决定。 线性调频连续波雷达采用超大时宽带宽积信号， 它具有远大于 同等信号电平和信号带宽的脉冲信号能量。 (4) 工作电 压低，结构简单， 可做到体积小、重量轻. 在抗干扰、灵敏度时 间控制上具有超过其他调制的连续波波形的优势。 它的主要缺点是:难于同时测量多个目 标， 如欲测量多个目 标，必须采用大量 滤波器和频率计数器等， 使装置复 杂， 从而限 制其应用范围;收发间的 完善隔离是 所有连续波雷达的难题; 发射机泄漏功率将阻塞接收机， 因而限制了 发射功率的大 硕士论文基于l f m c w毫米波雷达的车辆检测技术研究 小;发射机噪声的泄漏会直接影响 接收机的 灵敏度113 1 . 调频连续波体制雷达要求严格的线性调频，目 前工程实现时己 经找到比 较好的 线性度校正方法。同时车流量检测雷达用于智能交通系统， 主要是根据雷达测距原 理来进行车道识别， 调频连续波体制能够达到很好的效果，同时还可以采用双天线 或自 适应抵消方法来减少发射机的泄漏问 题。 因此， 本文用于车流量检测的毫米波 雷达系统选用线性调频连续波(l f m c 助体制. 2 . 4 车流量检测雷达的安装 基于l f mc w毫米波雷达的车流量检测器的安装必须符合一定的要求: ( 1) 侧向安装在距离车道边4 一 s m的立柱上;此外为了保证雷达能够检测到 被大车挡住的小车，考虑到一般大型货车的规格宽x 高( 动:2 . z m x 枷， 小汽车的规 格宽x 高( m):1 . smxls m ， 路面宽度为3 m， 所以 安装必须达到一定的高度， 离路面 8 一 1 0 m左右。 综合上面两个因素确定将检测雷达安装在距离车道边4 m， 离路面s m 立柱上。 (2)检测器必须与水平方向 呈一定角度， 使雷达电磁波能够照射到欲探测的 所有车道: ( 3 ) 检测器必须与路面垂直， 这样可以 使检测器接收到车辆散射的最大回波; (4) 将天线的主瓣的 最大增益方向 对准中间车道，以保证每个车道车辆回波 的准确测量. 综合以 上几个方面，车流量检测雷达的安装如图2 .4. 1 所示。 3 m 图2 .4 车流量检测雷达安装平面示意图 硕士论文基于lfm c w毫米波雷达的 车辆检测技术研究 3典型车辆r c s 的研究 雷达系统是通过目 标的二次散射功率来发现目 标的， 也就是说雷达系统发射的 电 磁波在传播中遇到目 标，一部分能量被目 标吸收，另一部分被目 标重新辐射.目 标的重新辐射就是所谓的二次散射或反射。目 标反射电磁波的能力与系统的工作波 长 ( 或频率) 、目 标的几何形状以 及尺寸、对目 标的入射视角和目 标对电磁波的吸 收能力有关。目标的雷达散射截面r c s( r a 山 arc ro sss ecti on) 是表征雷达目 标对照 射电 磁波散射能力的一个物理量。 早在雷达出 现之前， 人们就已经求得了几种典型 形状导体目 标的电磁散射精确值，例如:球、 无限长圆柱、椭圆柱、 法向入射抛物 柱面以 及无限长劈等。 20世纪30年代雷达出 现后，雷达目 标成为雷达接收闭 合回 路中的一个重要环节，必须了解雷达目 标的更多信息，雷达散射截面 r c s便是最 重要、 最基本的 一个参数 fl ，j. 3 . 1目 标雷达截面积 3 . 1 . 1目 标雷达截面积的定义 对雷达散射截面 r c s的定义有两种观点: 一种是基于电磁散射理论的观点; 另一种是基于雷达测量的 观点。 两者的 基本概念是统一的， 均定义为单位立体角内 目 标朝接收方向 散射的功率与从给定方向 入射于该目 标的平面波功率谱密度的4 厂 倍。 基于电 磁散射理论的观点解释为: 雷达目 标散射的电 磁能量可以 表示为目 标的 等效面积与入射功率谱密度的乘积， 它是基于 平面在电 磁波的照射下，目 标散 射具 有各向同性的 假设。 对于这样一种平面波， 其入射能量密度为: 职 = 坛、 矿 = 哎x 奋 、 习侧 = 哎 2 “2 乳” 2 乳 (3. 1 . 1) 式 中 式 、 拭分 别 代 表 入 射 电 场 强 度 和 磁 场 强 度 ， 表 示 复 共 辘 ， 砚 = 式 / 阵 ， 凡 = 拭 / 川， 、 = 37 二为 自 由 空 间 波 阻 抗 借鉴天线口 径有效面积的概念，目 标截取的总功率为入射功率密度与目 标等效 面积口的乘积，即 p = “ 峨 卜 口二 汪 1 乙 1 2 乳” ( 3 . 1 . 2 ) 硕士 论文基于l f m c w毫米波雷达的车辆检测技术研究 假设功率是均匀各向同性地向四 周立体角散射， 则在距离目 标r 处的目 标散射 功率密度为: . ， ， :尸口， _.2 1 尸日=- ， - ， 二=1 七 1 4 汀 r l s 君 刀 。 r 乙 ， ( 3 . 1 . 3 ) 囚 = 命 叮 ( 3 . 1 . 4 ) 由 式( 3 . 1 .3 ) ( 3 . 1 .4 ) 可得: 。 = 4 二 ， 赎 式- ( 3 . 1 5 ) 当 距离r 足够 远时 ， 照 射目 标的 入 射 波近 似 平面 波， 又因 为 散 射 场强凡与月 成 正比，与r 成反比，这时口与r无关。因而定义远场 r c s时，r应趋近无限大以 满足远场条件。 根据电场与磁场的储能互相可转换的原理，远场r c s 的表达式为: 。 _ 4 二 ，im * 2 马 上 遥 : = 4 二 。 m : 2 丛 军 琴 月 妈x 月r 城x 城 (31 . 旬 基于雷达测量的观点定义目 标的散射截面积r c s 表达示如下: 。 = 二 凡 ( 3 . 1 . 乃 式中 只 为目 标的 反 射 功 率 ， 凡 为目 标 处 的 入 射 功 率 密 度( 单 位 面 积内 功 率) . 目 标 受到电 磁 波 照 射时 ， 因 其 散 射 特性 而 将 产 生反 射回 波， 反 射功 率君 的 大 小 显 然 和目 标 所 在点 的 入 射 功 率密 度从以 及目 标 特性 有 关. 由 于 二次 散 射， 则目 标 返 回 接 收 机的 单 位立 体 角内 的 回 波功 率几为 : 几 = 互 今才 .口 =戊 4 才 ( 3 . 1 . 8 ) 因此雷达截面积口又可定义为: 。 = 4 二 鱼 从 (3. 1 . 9) 式(3 . 1 9)是基于雷达方 程式导出 来的， 它与从电 磁场散射理论得出 的rcs 定 义式 (3 . 1 .6) 是一致的。 式 (3 . 1 . 6)适用于理 论计算， 而式(3 . 1 .9) 适用于用相 对标定 法 硕士论文墓于l f m c w毫米波雷 达的车辆检测技术研究 来测量目标r c sllsl。 3 . 1 . 2 点目 标特性与波长的关系 目 标的后向散射特性除了与目 标本身的特性有关之外， 还与视角、 极化和入射 波的波长几 有关。其中与波长又 的关系最大，常以相对于波长的尺寸来对目 标进行 分类. 一个比 较简便的方法是考察一个各向同性的球体， 来讨论目 标散射特性与波 长的关系，由于球体具有最简单的外形， 且理论上已经获得其截面积的严格解答， 其截面积与视角无关， 因此用金属球作为截面积的标准， 用于校正数据和实验测定. 球体截面积和波长的关系如图3. 1 . 1 所示，当球体周长2 军 r 又时 ( 其中; 为 球半径) ，雷达截面积口正比于又 一， 称为瑞利区;当球体周长2 军 r 二 兄时， 雷达截 面积进入振荡区， 口在极限值之间振荡; 当球体周长2 刀 又 时， 雷达截面积叮振 荡地趋近于某一固定值， 它就是几何光学的投影面积那2 ， 这个区 域称为光学区1161. 八八 “ ” ” “ / 一 v一 “ - / 瑞 利 区1 振 荡 区， 光 学 区 2 刀 了 j 几 图3 . 1 . 1 球体截面积与波长的关系 目 标的尺寸相对于波长很小时呈现瑞利区散射特性，即口 oc 又 礴 。处于瑞利区 的目 标， 决定他们截面积的主要参数是体积而不是形状， 而绝大多数的雷达目 标都 不处在这个区域。 实际上大多数雷达目 标都处在光学区， 目 标尺寸比 波长大得多时， 如果目 标表面比 较光滑， 那么几何光学的原理可以用来确定目 标雷达截面积口。 按 几何光学的原理，表面最强的反射区域是对于电磁波前最突出点附近的小区域， 这 个区域的 大小与该点的曲 率半径p 成正比，曲 率半径p 越大反射区域越大， 这一反 射区 域在 光学中 称为“ 亮斑” .当 物体 在“ 亮 斑” 附 近旋 转对称时， 其截面 积为，2 ， 硕士论文基于l f h i c w毫米波雷达的车辆检测技术研究 故处于光学区的 球体的 雷达截面积为盯2 ，不随波长兄 变化。 在光学区和瑞利区之 间的是振荡区， 这个区的目 标尺寸与波长相近， 在这个区的雷达截面积随波长又 变 化且呈振荡，最大点较光学值约5 .6 db ，而第一个凹点较光学值约低5 .5 db， 实际上 雷达很少工作在这个区域。 其他一些简单形状物体的截面积，它们的波长的关系也有与上面类似的规律。 3 . 1 . 3 进行目 标 r c s 值估计的基础 ( 1 ) 非金属目 标的雷达截面积 目 标 r c s值的大小主要取决于两个因素:一是目 标的几何尺寸及外形结构， 外形结构决定了雷达入射电磁波将以 何种方式产生散射， 即散射信号与物体几何尺 寸 及雷达波入射角的函数关系; 二是目 标的材料特性， 材料特性决定了散射量的大 小， 即 表面散射强 度与 材 料电 磁 特性的函 数关系 1 川 1 叹 物体表 面的电 磁反 射 特性用反 射系 数 用p 表 示， 金属 材料的 反射系数为1 ， 即 金属表面对电磁波产生全反射。 而一般目 标为了减小r c s ， 均采用各种复合非金属 材料。 ，=川 =黯鲁一 (3 . 1 . 1 0 ) 式中夕 为入射波和反射表面的夹角，ec复介电常数.ec= e. 一 j 60 彻， 产 = 2 汀 f e o 凡tan 6. 式中凡 为 相 对 介电 常 数， 兄 为 雷 达 工 作 波长， 声 为 导电 率， 凡为 真空 介电 常 数， f 为 雷 达 频 率，tan戈 为 材 料 损耗 正 切. 非金属材料的表面反射系数降低， 致使非金属反射体反射电磁信号减少， 非金 属反射体的r c s 与金属反射体r c s的关系可近似表示为: = 声 (3.1.11) ( 2 ) 简单形状的目 标雷达截面积 几何形状比 较简单的目 标: 如球体、圆板、 锥体等， 它们的雷达截面积可以 计 算出来。 其中球体是最简单的目 标， 在光学区球体截面积等于其几何投影面积盯2 而 与视角和波长又 无关。 其他 形状简单的目 标，当 反 射面的曲 率半p 径大于波长又 时， 也可以 应用几何 硕士 论文基于l f m c w毫米波雷达的车辆检测技术 研究 光学的 方法来计算他们在光学区的 雷达截面 积。 一般情况下， 其反射面在 “ 亮斑” 附 近不是旋转对称的， 可通过“ 亮斑” 并包含视线作互相垂直的两个平面， 在两个 切 面 上的曲 率半 径为pi、几， 则 雷 达 截 面 积 为 1 16: 口= 鹅八. (3.1 . 1 2) 对于非球体目 标， 其雷达截面积和视角有关， 而且在光学区其截面积不一定趋 向于一个常数，但利用 “ 亮斑” 处的曲率半径可以对许多简单几何形状的目 标进行 分类，来讨论它们与波长兄 的关系。如表 3 . 1 . 1所示，几种简单几何形状的物体在 特定视角方向 上的雷达截面积， 当视角改变时雷达截面积都有很大的变化 ( 球体除 外) 。 表3. 1 1 几种简单几何形状物体在特定视角 方向 上的雷达截面积与波长的关 系 随波长兄的变化 关系 目标相对入射波的视角雷达截面积口 又 -2 面积为a的大平板法线 4 刃 矛 几 2 护 边长为a的三角形角 反射器 对称轴平行于照射方 向 4 万 a 4 3 兄 2 又 一 1 长为1 ，半径为r 的圆 柱 垂直于 对称轴 2 万 rl z 久 久 。 半长轴为a， 半短轴为 b的椭球 轴 b 4 井 了 完 。顶部曲 率半 径 为po的 抛物面 轴 叽2 兄 1 长为1 ，半径为r 的圆 柱( 在夕 角范围内的平 均值) 与垂直于对称轴的法 线成夕 角 坐 2 左 日 兄 2半 锥 角 为00的 有 限 锥矛d _ 十口 刃 休 1 6 万 简单几何形状的物体雷达截面积叮还与视角夕 有关系，当入射方向与反射方向 不同时雷达截面积的计算方法不同 115 】 . a对半径为r 的圆板，如图3 . 1 .2 所示 硕士论文墓于l f m c w毫米波雷达的 车辆检测技术研究 图3 . 1 2 圆板 4 才 ， r 4 ， _r z 试 ( 2 妙 s in 的 1 2 口=- - - 二 一 cos 一 夕 xl 1 兄 l z 扮5 山6 ( 3 . 1 . 1 3 ) 一 一 。2 汀_、 . ，* _。 。 。 . 头 甲 盆=- : -， j ， 刀 弟 一尖 1 讨 只基 小 幽双 。 凡 b对长为1 ，半径为r 的圆柱， 如图3 . 1 .3 所示 图1 1 .3 圆柱 2 二 rlz。 口 一 了 - cos“ l s in(kis in0) 犬 z s in夕 (3. 1 1 4 ) c对边长为a 的三角形角反射器，如图3 . 1 .4 所示 a 户火a 图11 .4 三角形角反射器 、 = 兴(在 25 。 内 大 致 不 变 ) ( 3 1 1 5 ) 硕士论文 基于l f m c w毫米波雷达的车辆检测技术研究 d对边长为a 的直角反射器，如图3. 1 5 所示 图3 . 1 ，5 直角反 射器 、 二 12二 手 ( 在 15。 内 大 致 不 变 ) e对半径为r 的半圆角反射器，如图3. 1 .6 所示 ( 3 . 1 .1 6) 图1 1 .6 半圆角反射器 1 6 盯礴 口 .= 万 万一 (在35。 内大致不变)( 3 ， 1 . 1 乃 ( 3 )复杂目 标的雷达截面积 诸如飞机、 舰艇、地物等复杂目 标的雷达截面积， 是视角和工作波长的复杂函 数。 尺寸大的复杂反射体常常可以 近似分解成许多独立的散射体， 每一个独立的散 射体的尺寸仍处于光学区， 各部分没有相互作用， 在这样的条件下总的雷达截面积 就是各部分截面积的矢量和，即可表示为: 一 环exp 粤 (3. 1 . 1 8 ) 这里气是 第k 个 散 射体的 截 面 积， 峨是 第k 个 散 射 体 与 接 收 机 之间 的 距 离， 这 一公式对确定散射器阵的截面积有很大的用途。 各独立单元的反射回波由于其相位 相对关系， 可以 是相加， 从而增大雷达截面积， 也可能相减， 从而减小雷达截面积. 复杂目 标各散射单元的间隔是可以 和工作波长相比 拟的，因此当 观察方向 改变时， 在接收机输入端收到的各单元散射信号间的相位也在变化，使其矢量和口 相位改 变， 这就形成了起伏的回波信号。 硕 士论文基于l f m c w毫米波雷达的车辆检测技术研究 对于复杂目 标的雷达截面积， 只要稍微改动观察角或工作频率就会引起截面积 的大的 起伏。 但有时为了估算作用距离， 必须对各类复杂目 标给出一个代表其雷达 雷达截面积大小的数值。 可以采用其各方向 截面积的平均值或中 值来作为截面积的 单值表示值，有时也用 “ 最小值”( 即差不多 95%以 上时间的截面积都超过该值) 来表示。也可能是根据试验测量的作用距离反过来确定其雷达截面积.如表 3 . 1 2 列出了 几种目 标在微波波段时的雷达截面积， 而这些数据不能完全反映复杂目 标截 面积的性质，只是截面积 “ 平均值”的一个度量。 表3 . 1 .2 复杂目标在微波波段时的雷达截面积 类别 口 ( m z ) 平 均 值 普通无人驾驶带翼导弹0 . 5