超速抓拍與治安卡口系統(tǒng)中的車輛檢測(cè)技術(shù)

超速抓拍系統(tǒng)和治安卡口系統(tǒng)中的車輛檢測(cè)技術(shù)余穩(wěn)1徐代艮21.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所上海2000502.上?；鄄悄芙煌ㄏ到y(tǒng)有限公司上海200233摘要：本文比較了用于超速抓拍系統(tǒng)和治安卡口系統(tǒng)中的幾種常用車輛檢測(cè)技術(shù)，并重點(diǎn)介紹了近期興起的基于微波雷達(dá)的車輛檢測(cè)技術(shù)。關(guān)鍵詞：超速抓拍治安卡口微波雷達(dá)車輛檢測(cè)隨著科技的進(jìn)步和人們生活水平的不斷提高，道路上行駛的車輛車輛越來(lái)越多，這樣必然會(huì)帶來(lái)兩方面的問(wèn)題，第一是交通事故日益增多，第二是借助于交通工具的犯罪越來(lái)越多。對(duì)于大多數(shù)交通事故，超速行駛往往是誘因，人們常說(shuō)“十次事故九次快”，因此對(duì)車輛行駛速度的限制是最有效抑制交通事故的手段。確保車輛按照限速規(guī)定行駛的方法除了對(duì)駕駛員進(jìn)行安全教育以外，最有效的手段就是對(duì)超速違法行為進(jìn)行處罰，超速抓拍系統(tǒng)就是用于超速違法行為取證的，如果道路上有足夠多的超速抓拍系統(tǒng)，車輛超速行駛的可能性就會(huì)降低很多很多，從而大大降低了交通事故發(fā)生的誘因，進(jìn)而保障了駕駛員和乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全。治安卡口系統(tǒng)（公路車輛智能監(jiān)測(cè)記錄系統(tǒng)）能記錄通過(guò)車輛的清晰照片并據(jù)此識(shí)別出車牌號(hào)碼，同時(shí)還能檢測(cè)車速、流量并具有自動(dòng)報(bào)警、遠(yuǎn)程維護(hù)等功能。目前公安部開(kāi)展了“320”行動(dòng)計(jì)劃試點(diǎn)，即在市區(qū)內(nèi)每3km就有一個(gè)治安卡口，在市區(qū)外每20km有一個(gè)治安卡口，這樣利用治安卡口系統(tǒng)，幾乎可以把每一輛車的行車路線都記錄下來(lái)，就可以比較容易追蹤嫌疑車輛從而對(duì)社會(huì)治安起到積極的作用。不管是超速抓拍系統(tǒng)還是治安卡口系統(tǒng)，都需要準(zhǔn)確檢測(cè)出車輛的存在與行駛速度，超速抓拍系統(tǒng)側(cè)重于對(duì)高速行駛車輛速度的準(zhǔn)確測(cè)量，而治安卡口系統(tǒng)側(cè)重于車輛存在檢測(cè)，不管是高速還是低速，都不能遺漏，當(dāng)然如果卡口系統(tǒng)兼具超速抓拍功能，那對(duì)速度的準(zhǔn)確性要求也就很高了。一、車輛存在檢測(cè)技術(shù)交通信息采集技術(shù)的研究已經(jīng)開(kāi)展多年，目前已有多種交通信息采集技術(shù)在實(shí)際中應(yīng)用。最先開(kāi)始發(fā)展的是接觸式的交通信息采集技術(shù)，其主要代表是環(huán)行線圈探測(cè)。這些采集裝置都有共同特點(diǎn)，就是埋藏在路面之下，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)。首先是安裝維護(hù)困難，必須中斷交通、破壞路面；其次隨著車輛增多，車輛對(duì)道路的壓力導(dǎo)致這類裝置的使用壽命也越來(lái)越短；現(xiàn)在道路擴(kuò)張很快，各種環(huán)境下的道路日益增多，而路基下沉、鹽堿和冰凍等條件將嚴(yán)重影響路面接觸式交通信息采集裝置的使用。另外，對(duì)隧道橋梁等環(huán)境，路面破壞性的安裝方式存在更多的困難與不便。所有這些都帶來(lái)了其使用成本的上升。新近發(fā)展起來(lái)的路面非接觸式交通信息采集裝置不存在安裝維護(hù)困難、使用壽命短等缺點(diǎn)，主要有微波探測(cè)和視頻探測(cè)兩大類。由于安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，路面非接觸式交通信息采集技術(shù)發(fā)展非常迅速。視頻探測(cè)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)行檢測(cè)，直觀可靠，但受光度，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)。微波探測(cè)則是利用車輛經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí)引起的電磁波的返回時(shí)間或頻率的變化進(jìn)行檢測(cè)，有著安裝維護(hù)方便、使用壽命長(zhǎng)、幾乎不受光照度、灰塵以及風(fēng)、雨、霧、雪等天氣氣候影響等優(yōu)點(diǎn)。二、基于微波雷達(dá)的交通信息檢測(cè)技術(shù)將微波雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于交通信息采集時(shí)關(guān)鍵要解決從雷達(dá)回波信號(hào)中提取車輛交通信息問(wèn)題。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是如何利用微波雷達(dá)技術(shù)所具有的測(cè)速與測(cè)距功能來(lái)實(shí)現(xiàn)交通信息實(shí)時(shí)檢測(cè)。1、速度檢測(cè)微波雷達(dá)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的精確速度檢測(cè)基于微波多普勒（Doppler）效應(yīng)。微波在行進(jìn)過(guò)程中，碰到障礙物體時(shí)會(huì)反射，而且反射回來(lái)的波，其頻率及振幅都會(huì)隨著所碰到的物體的移動(dòng)狀態(tài)而改變。若微波所碰到的物體固定不動(dòng)，那么所反射回來(lái)的波其頻率不變。若物體朝著無(wú)線電波發(fā)射的方向前進(jìn)，此時(shí)所反射回來(lái)的無(wú)線電波會(huì)被壓縮，因此該電波的頻率會(huì)隨之增加；反之，若物體朝著遠(yuǎn)離無(wú)線電波方向行進(jìn)，則反射回來(lái)的無(wú)線電波其頻率會(huì)隨之減小。這就是Doppler效應(yīng)。基于Doppler效應(yīng)原理，可以對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度進(jìn)行精確測(cè)量。將相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的接收頻率與發(fā)射頻率之間的差頻稱為Doppler頻率，用f表示，表達(dá)式為df=2f*V*cos0/c （1）do其中f表示雷達(dá)前端發(fā)射的微波信號(hào)頻率（一般為24GHz或者35GHz）;V為被檢車輛o速度;c表示電磁振蕩在空氣中的傳播速度，0表示微波波束方向與運(yùn)動(dòng)方向的夾角。從上式可以看出，只要測(cè)得了Doppler頻率f，就可以獲得運(yùn)動(dòng)物體的速度，這就是Doppler測(cè)速原理。具體做法是，利用Doppler收發(fā)（T/R）組件產(chǎn)生單頻高頻微波，并接收目標(biāo)的反射信號(hào)，由于反射信號(hào)的頻率與發(fā)射信號(hào)的頻率相比已經(jīng)有了一個(gè)變化，經(jīng)混頻后輸出的中頻（IF）信號(hào)頻率即為發(fā)射頻率與接收頻率之差，也就是f。利用f就可以測(cè)量出車輛的速度?；贒oppler效應(yīng)原理的測(cè)速精度極高。其測(cè)量誤差主要來(lái)源于以下因素：T/R組件的發(fā)射頻率f的誤差，Doppler頻率的f測(cè)量誤差。由f引起的誤差可通過(guò)提高其輸出穩(wěn)定度來(lái)解決，比如使用低相位噪聲的諧振腔，也可以采用鎖相（PPL）的方式實(shí)現(xiàn)；由f測(cè)量引起的誤差則依據(jù)不同的檢測(cè)方式而采用不同的檢測(cè)方法。簡(jiǎn)單的檢測(cè)方式是檢測(cè)單位時(shí)間內(nèi)IF信號(hào)的周期數(shù)，目前的測(cè)速雷達(dá)大多采用這種方式，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但是精度一般都不高，雖然可以在硬件和軟件上下功夫，但難以有突破性的進(jìn)展；另一種很精確的方法是利用數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP對(duì)IF信號(hào)進(jìn)行Fourier（傅立葉）變換以求得信號(hào)頻率，這種方法的特點(diǎn)是測(cè)量精度足夠高，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對(duì)較高。2、車輛存在（流量）檢測(cè)利用Doppler效應(yīng)只能檢測(cè)具有一定速度運(yùn)動(dòng)的物體，并且只能檢測(cè)單一目標(biāo)，因此在智能交通系統(tǒng)中，如果要利用Doppler效應(yīng)對(duì)車輛進(jìn)行存在性檢測(cè)將會(huì)面臨只能檢測(cè)單一車道高速運(yùn)行車輛的困境，因此不合適該應(yīng)用。除Doppler效應(yīng)外，微波雷達(dá)還具有距離檢測(cè)功能。利用測(cè)距功能通過(guò)測(cè)量車輛與雷達(dá)之間的距離就可以判別車輛處于哪一條車道；對(duì)于同一車道，有無(wú)車輛存在時(shí)回波信號(hào)強(qiáng)度相差很大，這樣就可以判定車輛的存在，綜合起來(lái)就可以同時(shí)獲得多車道實(shí)時(shí)車輛存在信息而不用擔(dān)心此時(shí)道路是否擁擠（低速甚至停止情形）。采用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）體制的雷達(dá)可以很好地實(shí)現(xiàn)上述雷達(dá)測(cè)距功能。FMCW是周期性的線性調(diào)頻脈沖波，脈沖占空比是100%。雷達(dá)通過(guò)天線向外發(fā)射一系列連續(xù)調(diào)頻波，并接收目標(biāo)的反射信號(hào)。發(fā)射波的頻率隨時(shí)間按調(diào)制電壓的規(guī)律變化，一般調(diào)制信號(hào)為三角波信號(hào)，發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的頻率變化如圖1所示。反射波與發(fā)射波的形狀相同，只是在時(shí)間上有一個(gè)延遲At,At與目標(biāo)距離R的關(guān)系可表示為2)式中c為光速。發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)的頻率差即為混頻輸出的中頻信號(hào)頻率IF,如圖1（b）。a)IF0ba