远程交通微波雷达检测器(RTMS)的深度解析

1、远程交通微波雷达检测器（RTMS）的深度解析一、 概述1.1 什么是RTMSRTMS（Remote Traffic Microwave Sensor 远程交通微波雷达检测器）是一种用于监测交通状况的再现式雷达装置。它可以测量微波投影区域内目标的距离，通过距离来实现对多车道的静止车辆和行驶车辆的检测，并且利用雷达线性调频技术原理，对路面发射微波，通过对回波信号进行高速实时的数字化处理分析，检测车流量、速度、车道占有率和车型信息等交通流基本信息的非接触式交通检测设备。1.2 RTMS的应用领域RTMS主要应用于高速公路、城市快速路、普通公路交通流调查站和桥梁的交通参数采集，提供车流量、速度、车道占

2、有率和车型等实时信息，此信息可用隔离接触器连接到控制器或通过串行接口连接到其他系统，为交通控制管理、信息发布等提供数据支持。1.3 RTMS的发展历程1989年加拿大人Dan Manor第一个将雷达技术应用于智能交通行业，发明了微波车辆检测器。短短十几年间，微波车辆检测器已经经历了几代的变革：从模拟到数字、从单雷达到多雷达、从喇叭天线到平板天线:图 Error! No text of specified style in document.1微波车检器发展历程我们从每一次的变革中看到，微波车辆检测器技术的发展和雷达技术、电子技术、计算机技术的发展紧密相关。从雷达技术的层面上来说，数字阵列雷达技

3、术从上世纪借鉴仿生学开始，在较短的时间内得到不断完善和提高。进入21世纪后伴随着数字电子技术和计算机处理能力的不断提升，数字阵列雷达的优越性得到了充分的体现：其多功能性、反应速度、分辨率、电子抗干扰能力、多目标追踪/搜索能力等都远优于传统雷达：l 数字阵列雷达能在极短时间内完成监视空域内的扫瞄，目标更新速率极快；l 数字阵列雷达分辨率极高，能取得目标精确位置；l 数字阵列雷达能在恶劣的天气气候条件下正常追踪目标；数字阵列雷达代表着雷达技术发展的必然趋势，它们是近代雷达变革的新技术和新体制的集中体现，是集中了现代电子科学技术各学科成就的高科技系统，所以现代化的精锐武器系统都以阵列的“平板雷达”为

4、标准配备。二、 RTMS的工作原理2 2.1 雷达线性调频技术线性调频信号可以获得较大的压缩比，有着良好的距离分辨率和径向速度分辨率，所以线性调频信号作为雷达系统中一种常用的脉冲压缩信号，已经广泛应用于高分辨率雷达领域。直接数字频率合成(Digital DirectFrequency Synthesis，DDS)技术是解决这一问题的最好办法。在雷达系统中采用DDS技术可以灵活地产生不同载波频率、不同脉冲宽度以及不同脉冲重复频率等参数构成的信号，为雷达系统的设计者提供了全新的思路。2.2 雷达技术“雷达”是英文radar的音译，为Radio Detection And Ranging的缩写，意思

5、是一种无线电检测和测距的电子设备，其原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息(目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等)。l 测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离。l 测量目标方位是利用天线的尖锐方位波束测量。测量仰角靠窄的仰角波束测量。根据仰角和距离就能计算出目标高度。l 测量速度是雷达根据自身和目标之间有相对运动产生的频率多普勒效应原理。雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两者的差值

6、称为多普勒频率。从多普勒频率中可提取的主要信息之一是雷达与目标之间的距离变化率。当目标与干扰杂波同时存在于雷达的同一空间分辨单元内时，雷达利用它们之间多普勒频率的不同能从干扰杂波中检测和跟踪目标。从工作方式上来讲，RTMS微波车检器属于FM-CW Radar（调频连续波雷达），即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，其特点是具有高距离分辨率、低发射功率、高接收灵敏度、结构简单等优点，不存在距离盲区，具有比脉冲雷达更好的反隐身、抗背景杂波及抗干扰能力的特点，且特别适用于近距离应用。从雷达技术的层面上来说，数字阵列雷达技术从上世纪借鉴仿生学开始，在较短的时间内得到不断完善和提高。

7、进入21世纪后伴随着数字电子技术和计算机处理能力的不断提升，数字阵列雷达的优越性得到了充分的体现：其多功能性、反应速度、分辨率、电子抗干扰能力、多目标追踪/搜索能力等都远优于传统雷达：l 数字阵列雷达能在极短时间内完成监视空域内的扫瞄，目标更新速率极快；l 数字阵列雷达分辨率极高，能取得目标精确位置；l 数字阵列雷达能在恶劣的天气气候条件下正常追踪目标；数字阵列雷达代表着雷达技术发展的必然趋势，它们是近代雷达变革的新技术和新体制的集中体现，是集中了现代电子科学技术各学科成就的高科技系统，所以现代化的精锐武器系统都以阵列的“平板雷达”为标准配备。RTMS借鉴了高科技阵列雷达科技的精髓，创新性地将

8、阵列天线技术应用于微波车辆检测器中，研发出了RTMS第四代产品G4阵列雷达微波车辆检测器。G4采用88阵列天线，64个阵列天线轮询工作，每个天线均可完成微波信号发射与接收功能。发射/接收天线发射天线接收天线 RTMS G4阵列天线“双雷达”的天线2.3 微波技术微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，换算成波长则是在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称。微波频率比一般的无线电波频率高，但低于可见光，通常也称为“超高频电磁波”。RTMS的X3的发射波中心频率在10.525GHz，G4的发射波中心频率在24.125GHz，都处于微波频段，因此被称为微波车检

9、器。类似的设备还有声波车检器、超声波车检器，分别工作在声波（20Hz至20000Hz）频段和超声波（大于20000Hz）频段。电磁波谱图微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性：对于玻璃、塑料和瓷器等非金属物体，微波几乎是穿越而不被吸收；对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热（例如微波炉的应用）；而对车辆外壳等金属类东西，则会反射微波。衍射另外，所有波的另一特性是“衍射”，也叫绕射，即波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象，一般来说，孔隙越小，波长越大，这种现象就越显著。微波车检器的波长一般在1cm-2cm，由于货车的体积一般比较大，当微波的波束

10、在经过货车边沿时，同样会产生衍射现象，如下图。凭借高灵敏度接收天线，RTMS能够接收到二次衍射之后的被遮挡车辆的反射波，因此，RTMS微波车检器安装在路侧做交通数据采集时，能够解决一部分的大车遮挡问题，这是RTMS微波车检器的独特优势。l EISl EISEIS大车遮挡情况下检测正是基于微波的上述特性，RTMS能够可靠的探测到检测区域内的金属物体存在，而不受大型车辆、非金属物体、行人的干扰。2.4 微波覆盖区域微波雷达检测器的覆盖区域是一个椭圆形的微波投影区，最大检测范围为：（以G4为参考）仰角投影宽度 50 度方位角投影宽度 12 度范围 0 至 76米2.5 微波探测能力最大可检测的车道数

11、目不少于12个。车道的宽度可以由用户以200毫米的步进进行调整。l车道宽度：2-7米l探测时间：用闭路连接器时，时间间隔10毫秒。持续时间可编程控制在30毫秒到3秒之间。l采样周期：以10秒为间隔，最大可达600秒。2.6 微波检测原理RTMS接收到微波投影区域内各种表面的连续不断的回波, 如人行道, 栅栏, 车辆以及树木等。在每一个微波层面内的固定物体回波信号将形成背景阈值, 如果回波信号的强度高于该微波层面的背景阈值，则表明有车辆存在。回波信号背景阀值车辆护栏车辆车辆 微波区域内的回波信号在RTMS设置时，“背景获取”可在30秒内完成。在正常使用时也会经常调节。例如，来自停止车辆的回波信号

12、在30分钟内成为背景，检测将被终止，车道对应的输出开关将被释放。相反的, 当车辆离开时，背景阈值会很快降至初始状态，新的背景阈值在30秒内形成。最强的回波信号来自车辆的垂直表面的反射，水平表面(如车顶)将散射微波，回波信号较弱。接收到的回波信号的强弱取决于车辆的反射面，实际接收信号是多重反射信号的总和。有时来自各处的信号可能不是同一相位而导致信号会低于阈值，此时短暂的低电平信号称为零信号。为避免由零信号产生的误判，RTMS对信号处理时引入一个参数“扩展延迟时间(EDT)”， 持续时间短于EDT的零信号将被忽略。阈值和EDT是两个参数, 当操作模式选定后其默认值也就设置了。通过参数设置可以优化检

13、测器的运行。2.7 RTMS的工作流程上文介绍了RTMS微波车检器的基本情况，接下来我们再说说RTMS是如何工作的。2.7.1 微波波束、层面与微层面RTMS G4在微波束的发射方向上以0.38米为一层面分层面探测物体，RTMS G4微波束的发射角为50度，方位角为12度。安装好以后，它向公路投影形成一个可以分为254个层面的椭圆形波束。它可以测量微波投影区域内目标的距离，通过距离来实现对多个车道静止车辆和行驶车辆的检测。系统不但可以自动识别并划分微层面来定义检测区域，而且用户可以手动调整微层面，以使得检测区域能够在一个精细的范围内进行调整： 使检测区域和车道、或车行线路非常契合； 有效屏蔽中

14、央隔离带、防眩光板、交通设施带来的影响；2.7.2 RTMS的工作过程首先，RTMS在通电开机后自动进行背景学习，接收天线检测到路面的回波信号后，会根据回波信号的强弱自动生成背景阈值。当有车辆经过检测断面时，由于车辆近侧面回波信号强度高于背景阈值，则判断该车辆所在车道有目标存在。目标车辆驶离检测区域，车检器接收的回波信号恢复到背景阈值以下，等待下一次检测，同时将车流量、时间占用数据记录到检测器内部的缓存中，待记录周期结束后输出结果。RTMS的工作状态就是以一个较高的频率重复上述的工作过程：X3在高速公路/快速路应用中采样频率是5次/秒，在城市路口应用中的采样频率是1次/秒；而采用阵列雷达天线技

15、术的G4的采样周期则高达800次/秒。RTMS工作示意图如下。车辆经过检测区域时，RTMS会采集到车辆的车头、车身、车尾的多个数据。得益于超高的探测频率，以及0.38米的雷达分辨率，RTMS能够适应5-250Km/h的车速范围，在车辆缓行甚至交通拥堵的情况下，RTMS依旧可以正常工作。三、 RTMS的功能与特性3 3.1 性能微波雷达检测器是一个实时再现的检测器，设备适合安装在路边的立杆或横跨路面的结构上，并提供以下功能：l 再现在检测区域内运动或停止的车辆l 按用户所设定的数据周期（范围从10至600秒）提供交通数据，并可以通过串行通信线传输到其它设备。l 交通数据必须和代表每一个检测车道的

16、对线开关同步。l 在路边侧向模式中，12个车道中每个车道的数据必须包括以下内容：1) 车流量2) 车道占有率3) 平均速度4) 有4个由用户所定义的车辆长度分级l 微波雷达检测器安装在横跨结构上（前方正向模式），必须监测单独一条车道并提供以下交通数据：1) 车流量、占用率、平均速度和车辆行驶方向2) 每一车辆的速度、行驶方向和长度3) 分级范围内的统计车流量,多达7个速度分级和7个长度分级l 微波雷达检测器允许用户定义传送数据的内容l 微波雷达检测器通过串行数据提供远程电源电压指示（包括电池）3.2 测量精确度检测器可以实时检测到通过检测区域的车辆，精确度可达95%以上。根据不同的使用模式、符

17、合要求的安装条件，设备可以达到以下精确度：指标 侧向错误率 正向错误率车辆通过再现 +/-5% +/-2%车流量 +/-5%+/-2%车道占用率 +/-5%+/-2%平均速度 +/-10% +/-2%每一车辆速度 不提供 +/-2%行驶方向 不提供+/-5%长度分级 +/-10% +/-10%采样间隔10ms10ms3.3 机械性能微波检测器封装在一个结实的密封防水盒中，可以抵抗90公里/小时的风速，可以暴露在潮湿或充满粉尘的空气中（NEMA 3R型外壳）。尺寸: 24x16x18.5 厘米 （9.5 x 6.25 x 7 英寸）重量: 2.2公斤（5 磅）安装配件必须使用镀锌钢、不锈钢或铝结

18、构,使其可以支持20磅的重量。安装配件包括一个球形连接器或其它允许使用的机械结构，设备可以向两个坐标轴倾斜并固定，以达到最佳的覆盖区域。3.4 电气性能微波检测器的工作电压为12-24VAC/DC，功耗不超过4.5瓦，或95-135VAC60Hz。电源可以由控制器集线盒上的电源变压器提供，或任何其它可供使用的电源设备。微波检测器内置电源管理器，允许远程关机和周期性关机。设备还具有低电压和高电压断电保护功能，以保护电池。3.5 无线数字扩频射频调制技术指标射频原理 无线跳跃扩频频带 902-928MHz ISM 频带工作模式 侍动或中继操作跳频模式 64 模拟随机可选序列发射功率 1mW, 10

19、mW, 100mW or 1W 可选天线 内置鞭状天线或外部鞭状波道式天线工作距离 可达3.0公里，由发射功率、天线和可视距离决定校验码 CRC-16网络编址 最大值65535 地址码加密组合 可达65535种组合接口 异步接口,AT命令集,隐式数据集无委标准 FCC 标准第15部分认可。许可在美国使用温度范围 -45 至 +70 C附加电源消耗正常工作条件下 1W3.6 RTMS标准安装RTMS的标准安装如下图所示。RTMS通信方式便捷且公开通信协议，方便与具体集成系统配套,便于用户二次开发软件。辅助机箱: RS-232 连接器 变压器 可选调制解调器交流电RTMS的标准安装3.7 可靠性M

20、TBF(平均无故障间隔时间)90000小时（10年）四、 数据连接及通信4 4.1 电缆一条带MS端接头的电缆连接微波雷达检测器和集线设备。电缆为微波雷达检测器提供电源，输出串行数据和每一个车道的对线开关，电压可达300V AD/DC 100mA。一个接线盒或集线盒用于放置数据接头，接线盒必须放置在所检测车道的可视范围内，以方便设备的原始设置或以后改变参数。电缆是UV-阻抗，型号AWG#20或#22的双绞线，具有耐压300V和耐105o C高温的保护层。所有电源线、对线开关和串行端口线都是相互绝缘的。电源线和串行端口线都在设备内有峰涌保护装置。4.2 数据通信接口数据通信为全双工的异步通信方式

21、，支持TSS的NTCIP协议1209。它的设置如下: Opto-隔离 RS485 或 RS232，端口波特率2400-。数据格式是标准的二进制NRZ 8位数据、1停止位、无奇偶校验。同时支持点对点和多点联接。可以选择使用一个整合数字扩频无线调制解调器。可以选择使用以太网 (TCP/IP)协议。五、 RTMS系统的应用RTMS（远程交通微波雷达检测器）利用原有的立杆进行安装（路灯立杆，CCTV立杆等），并按照一定交通检测基站所需要的密度悬挂RTMS和调制解调器集线盒。交通数据通过调制解调器传送到已有的光纤网络，并送回快速路管理中心。管理中心的FTMS（Free Traffic Managemen

22、t System高速公路管理系统）软件负责对交通数据进行分析，报告，存档和事故分析。RTMS系统以微波雷达车检技术为核心，提供一个多用途、容易实施的公路交通管理系统和事故自动监测系统。每30秒钟将实时收集到的交通数据传送到总控中心。每一个VDS（交通监控点）提供流量、占有率、平均速度、长车流量数据，并监控3-4车道，交通数据通过调制解调器连接现有光纤网络，接到管理中心的控制计算机。控制计算机通过光纤网络一次性收集所有区域信息。它的任务是收集所有区域信息并进行存档、分析、实时检测出交通事故。六、 RTMS的技术分析通过上述对于RTMS的技术分析来看，双雷达车辆检测器是目前市场上RTMS产品的主要

23、竞争对手，在这里首先分析一下双雷达技术：双雷达检测技术主要是针对数字单雷达产品比较难以克服单车速度测量的问题而研发的，其解决速度问题的思路在于：从微波车检器探头发射出发出两个夹角极窄的波束，然后接收这两个非常窄的波束的回波（有工具软件帮助调整探头垂直车道），这样能在车道上形成前后两个检测点，“模拟”出每个车道上两个线圈的检测环境。后线圈前线圈立柱线圈检测器前线圈后线圈我们来对比一下线圈检测器的前后线圈和微波检测器模拟的“前后线圈”。但是，因为数字双雷达微波检测技术还是基于两个数字单雷达收发系统，雷达的性能本身并没有得到质的提高，这导致在实际的使用过程当中，很容易出现下述很难从雷达技术层面解决的

24、问题：l 在道路车流量相当的情况下，双雷达微波检测技术无法保证精确地测量车辆同一个位置进入第一波束（前线圈）和第二波束（后线圈）的时刻，导致测速的不准确。微波束是从路面的侧上方发射出来，那么意味着除了离微波车检器最近的一个车道以外，在车辆数相当的情况下，其他的每个车道都或多或少地有遮挡的问题。当一辆车被完全或部分遮挡，这辆车的同一个位置进入双雷达微波车检器的第一波束（前线圈）和第二波束（后线圈）的时间间隔会严重失真（有时根本就没有进入第二束波），这样导致测速不准。只有当道路上仅有一辆车通过时或很小流量的情况下“双雷达”微波车检器才有可能做好。l 线圈检测原理中的前、后线圈之间的距离是恒定的，但

25、是因为“双雷达”微波车检器安装在一个无法保证绝对稳定的立杆上，各种因素会导致第一波束（前线圈）和第二波束（后线圈）之间的间距会产生变动，引起误差。当“双雷达”微波车检器稍有向侧面偏移时（在实际工程中因为风、震动、安装支架松动或者撞击等诸多因素，这种情况无法避免），或车辆做变线行驶时，“双雷达”微波车检器的两个接收波束之一或全部收不到反射信号，或者说第一波束（前线圈）和第二波束（后线圈）之间的间距发生了改变，间距不再恒定了，因此其检测单车速度会出现明显偏差。而且，现在市面上出现的“双雷达”微波车检器并没有真正使用两个雷达单元，只是用一束雷达波的两个副波瓣来“模拟”出两个雷达单元的效果：并且这种“

26、双雷达”微波车检器被迫极度收窄信号发射方位角、增大信号射角、提高发射功率和增大带宽来使得雷达的副波瓣能够工作，显而易见带来的一系列问题是无法解决的。从原理上来说，其在某个大型城市应用的所有设备出现了雨雪天气不能正常提供数据、车辆较多时速度精度反而下降、车型分类偏差较大和功耗高等问题从技术角度来说难以克服。RTMS和“双雷达”设备对比表参数“双雷达”设备RTMS备注测速原理“模拟”“双线圈”Dwell速度算法DSP速度算法占有率速度算法1、 在道路车流量相当的情况下，“双雷达”微波车检器无法保证精确地测量车辆同一个位置进入第一波束（前线圈）和第二波束（后线圈）的时刻，导致测速的不准确。2、 线圈

27、检测原理中的前、后线圈之间的距离是恒定的，但是因为“双雷达”微波车检器安装在一个无法保证绝对稳定的立杆上，各种因素会导致第一波束（前线圈）和第二波束（后线圈）之间的间距会产生变动，引起误差。3、 这说明“双雷达”微波车检器无法全部套用线圈车检成熟的测速原理。信号射角6550垂直射角越大，多路径反射的可能性就越大。比如在高速公路环境下，路侧设置有护栏、隔音墙和防护网，在信号射角较大的情况下，这些设施对雷达波的反射就很有可能进入微波接收单元，导致误检测、计数精度降低。最小后退距离1.8米0米RTMS的后退距离可以更短，甚至无后退距离。这项指标反映的是RTMS雷达的重要参数分辨率更高。信号方位角71

28、2“双雷达”设备的水平信号方位角过于狭窄，这会导致两个问题：1、 要求其“双雷达”设备必须和路面高度垂直对准，甚至他们人工对准还不足够，必须借用额外的工具来帮助对准；2、 如果因为风或者其他干扰因素导致设备晃动或者位置稍微偏移，那么精度马上降低。设备维护难度相当大。检测范围1.8-76米0-76米检测车道越多，距离更远检测车道数1012功耗8瓦3瓦RTMS系列产品绝对的低功耗优势，绿色环保，而且能低成本地大规模使用太阳能供电和无线传输等方式。“双雷达”设备功耗高的后面，是技术的落后：1、 “双雷达”微波车检器的微波信号源是通过对6GHz的晶振源做4倍的倍频得来的，而使用倍频放大器增加了能量消耗

29、。“双雷达”微波车检器比RTMS的功耗高两倍以上。2、 为支持不必要的高带宽，消耗了更多的能量。AIO模式无有RTMS具有独特专利技术的“ALL-IN-ONE”模式传输信号带宽245M50M由于受FCC规则限定，“双雷达”微波车检器被迫降低了100倍的发射功率，这使得其信噪比比较低，因而它必须大幅提高其发射带宽以弥补其因为信噪比较低而带来的分辨率的降低。“双雷达”微波车检器目前的带宽是245MHz，是RTMS的5倍多。此带宽有如下问题：l 不能满足欧洲标准的100MHz带宽限制，因为高带宽意味着高干扰；l 所以相较RTMS，它的高带宽容易受到外界频率源的干扰；l 消耗更多的能量；RTMS带宽较窄，抗干扰能力强。RTMS产品利用精巧的DSP信号处理技术使得其分辨率在50MHz带宽下达到了惊人的0.38米。甚至还可以将带宽提高一倍到接近