交通控制技术基础

1、交通控制技术基础王老师部分一、环形线圈感应式检测技术（一）、环形线圈检测器的基本原理1、环形线圈感应式检测技术是运用环形线圈作为检测传感器来检测车辆通过或存在于检测区域的技术。主要由三部分组成：环形线圈车辆传感器、传输馈线、检测处理单元。多个线圈检测到的信息经控制单元、调制解调后传给控制中心，组成整个车辆检查系统。2、线圈中的总电感（线圈自感和线圈与车辆间互感）起直接作用。自感：环形线圈自感的大小取决于线圈的周长、环绕面积、匝数及周围介质情况。当车辆进入环形线圈时，改变了线圈周围的介质情况，铁磁车体使导磁率增加，从而自感量增加。互感：环形线圈被加上了交变电流，在其周围产生了交变电磁场当铁磁性的

2、车体进入环形线圈时，车体内就会产生涡流。此涡流会损耗环形线圈产生的电磁能，即此涡流产生的磁场与原磁场的方向相反，对环形线圈的磁场具有去磁作用，因此，会使环形线圈的电感量减少。线圈的频率通常设在几十Khz100Khz内，此时涡流的去磁作用占主导地位，当车辆进入环形线圈的范围时，其电感量将减小。3、环形线圈检测器的工作原理概括：根据电磁场耦合原理设计而成，当环形线圈中通过一定频率的电流时，若给线圈断面加钢板，线圈涡流的去磁作用会大于铁磁质的增磁作用而使得线圈的等效电感量明显减小；而车辆通过与加钢板情况相似，检测线圈根据这一原理达到检测目的。（二）、基于环形线圈的交通量获取技术1、单线圈测速单线圈测

3、速的方法只使用一个线圈检测，通过计测车辆通过时所对应的方波波形宽度来达到检测目的，其代表车辆通过所需时间，以车辆长度除之即可。即：由于实际车辆的长度未知，车身长度l通常取车长的平均值，这使得估计精度下降。因此，根据以上方法可对测量周期内所有通过线圈的车辆求得平均速度。脉冲和方波分别侧重检测速度和占有率 从图看到，（1）、当车辆前沿进入环形线圈的一边时，检测器被触发产生信号输出，而当车辆尾部驶离环形线圈另一边时，信号强度低于触发阈值，输出电平为零。（2）、车辆通过检测器产生的脉冲信号经过平滑滤波处理后，形成方波信号输出。一个方波信号即可以表示一辆车的通过；（3）、方波信号的宽度，即是车辆占用检测

4、器的时间。（4）、对于双线圈检测系统，通过得到前线圈脉冲的起跳沿和后线圈的脉冲起跳沿的时间之差以及两个线圈之间的距离D，即可得到经过双线圈检测器的车辆的地点速度。2、双线圈测速为了更准确地测量车速，通常要在车流方向上埋设两个性能相同的环形线圈，相关标准建议两线圈的间隔距离为4.9米，但是，为了提高速度估计的精度，也可适当加大两线圈的间距。虽然加大两线圈的间距可以提高测量精度，但间距过大时，会导致多辆车同时出现在两线圈之间从而导致速度估计失效。车速为为了提高速度估计的精度，可以充分利用车辆驶入线圈和离开线圈的时间，如图所示。则得下式：（三）、环形线圈的优缺点优点：测量精度较高、适应性较强（通过改

5、变环尺寸适应不同要求）、故障率低、性价比较高缺点：安装维护麻烦、不能检测行人、较小车辆检测困难（Q）：环形线圈可怎样提高精度？1、车体带有铝等顺磁质材料2、埋设线圈时，考虑使车辆通过时能覆盖较大的环域，要和尽可能通过线圈的拐角处，有时可以把线圈绕成菱形。3、车辆覆盖线圈的面积愈大，车辆的地盘愈低二、视频检测技术（一）、数字图像处理基础1、由于噪声源很多，噪声的种类复杂，所以去噪平滑的方法也多种多样。现有的图像去噪方法主要分两类，一类是空域的方法，主要采用各种图像平滑模板与图像进行卷积处理，从而达到抑制或消除噪声的目的；另一类是频域的方法，主要通过对图像进行变换后，用合适的滤波器进行滤波处理，再

6、经过反变换后得到去噪后的图像。常用的空域滤波有均值滤波、中值滤波等。它们对不同的噪声有不同的去噪特性，均值滤波可以有效的滤除高斯噪声，而中值滤波对脉冲噪声和椒盐噪声的去噪能力很好。2、中值滤波中值滤波器是基于排序统计理论的一种能有效抑制噪声的非线性平滑滤波器。基本原理：把数字图像或数字序列中一点的值用该点的一个邻域中各点值的中值代替，让周围的像素值接近真实值，从而消除孤立的噪声点。中值滤波过程如下（选用3×3的模板）： 1)、使模板在图像中的每个象素上移动，并使模板中心与该象素位置重合，最终完成对图像中所有象素的遍历。 2)、读取模板对应下的各个象素的灰度值，并将这些值进行排序(考虑

7、到算法的实时性，使用快速排序)。3)、取排序后的中间值，将其赋给模板中心位置的象素。3、均值滤波均值滤波器是把数字图像或数字序列中一点的值用该点的一个邻域中各点值的均值代替，让周围的像素值接近真实值，从而消除孤立的噪声点。均值滤波过程如下（选用3×3的模板）： 1)、使模板在图像中的每个象素上移动，并使模板中心与该象素位置重合，最终完成对图像中所有象素的遍历。 2)、读取模板对应下的各个象素的灰度值，并求出这些值的均值。 3)、将求出的均值赋给模板中心位置的象素。4、视频检测技术的特点：安装较为方便，不破坏路面，施工时基本不影响交通；探测器设置方便、灵活；可实现大区域交通信息检测；模

8、块化、结构化设计，扩展性好、系统运行效率高；实时进行多车道的信息检测和统计（如车流量等）；实时进行各种异常情况的采集和报警（如堵塞、事故等）；实时进行车辆违章行为的采集；自动检测和识别车牌号码；维护方便。（二）、虚拟线圈基本思想虚拟线圈是图像序列中由人工指定的一系列区域, 这些区域可以覆盖整个图像, 也可以局限于某个区块, 就像在路口埋设线圈检测器一样。虚拟线圈是在视频图像检测中用来代替物理检测线圈功能的一种方法。虚拟线圈位置、大小一旦确定就可以用来检测交通量。物理检测线圈是通过磁感应等方式来检测是否有车辆经过而产生的特征曲线。虚拟线圈则是按照图像序列之间的关系,利用有关图像运动检测算法来提取

9、目标车辆的特征曲线, 根据特征曲线判断车辆的类型。因此, 虚拟线圈对物理线圈具有可替代性。三、微波检测、雷达测速仪1、微波检测技术，顾名思义，是利用微波技术来达到采集和检测交通参数的技术。2、雷达测速仪的工作原理多普勒效应：在观察光波、声波、电磁波时，如果波源和观察点之间发生相对运动，则所观测到的波频率会随之改变。当物体朝着无线电波发射的方向前进时（与无线电波方向相反，是逆向），发射回来的无线电波会被压缩，因此该无线电波的频率会随之增加；反之，当物体朝着远离无线电波的方向行进时，其反射回来的无线电波的频率就会随之减少。四、超声波雷达1、超声波及其特点： 超声波是超出人的听觉范围的一种声波（机械

10、波），其频率范围在25 50 khz，在空气中的传播速度为331m/s。不仅人不能听闻，且因为其频率较高、波长较短，所以绕射现象也小。其最明显的特点是传播的方向性好；它在液体、固体中衰减较小、穿透能力强，遇到杂质或分界面又能显著地反射，因此，其在工业检测和交通检测中得到广泛应用。此外，它具有多普勒效应。2、超声波雷达的工作原理：反射波时间差法和多普勒法。反射波时间差法：超声波探头发射超声波，经车辆或路面反射回到超声波检测器，根据车辆以及路面反射波返回的时间差，来识别有无车辆通过或存在。也就是，检测电路将该反射波放大后，再通过时差选择电路，就可鉴别出是车顶回波还是地面回波。3、多普勒法：恒定频率

11、超声波车辆检测器是利用声波的多普勒效应来检测车速的一种检测器。其检测原理与多普勒雷达测速仪原理相同。不同的是其所发射的声波，而雷达测速仪发射的是电磁波。但其造价较高。这种多普勒式超声波雷达的检测原理如下：超声波探头作为声源向正在行驶的车辆发射超声波。超声波波束是迎着车辆的行进方向投射的。投射到车辆上的超声波波束，一部分反射并被超声波接收器所接收到，并对所接收到的信号进行处理，得到所需的车速信息。4、超声波雷达的特点：由于超声波雷达是高架俯视或路旁俯视安装，因此不需开挖路面，不受路面变形影响，安装和维护基本不影响交通；使用寿命长，可移动，架设方便；但其检测范围呈锥形，受车型、车高变化的影响，检测

12、精度较差，特别是在严重拥堵的情况下；其检测精度易受环境的影响，尤其大风、暴雨等的影响；探头下面通过的人或（动）物也会产生发射波，从而造成误检。4、雷达和超声波雷达的区别：检测原理相同，所发射的声波不同，超声波雷达发出的是声波，雷达测速仪发射的是电磁波，造价较高。而且雷达的精度比超声波高。五、移动式交通检测技术移动式交通检测技术是指运用载有特定设备（检测器）的移动车辆（浮动车，Floating car）检测道路上的固定表示物来采集交通数据的方法总称。目前主要有：基于GPS动态交通检测技术（GPS探测车）、基于RFID动态交通检测技术（RFID探测车）、基于手机动态交通检测技术。浮动车是指安装有定

13、位和无线通信装置、能够与交通信息中心进行信息交换的普通车辆。（Q）：与固定检测技术的区别赵老师部分1 通信系统一般模型： 信息源发信机传输媒质收信机受信点。（并举例）噪声2 通信系统的分类按照信道传输信号种类的不同：模拟通信系统和数字通信系统按照传输媒介分类：有线通信和无线通信按照调制方式的不同：基带通信系统和调制通信系统按照通信业务分类：电话、电报、广播、电视、数据按照工作波段分类：长波通信系统、中波通信系统、短波通信系统、微波通信系统和光通信系统 信源编码：模拟信号数字化信道编码：编码的转换 11111111113 用三角函数调制余弦波信号的特性表现为它的时间特性和频率特性。与信号的两种基

14、本特性相对应，与信号有关的系统的分析方法也有两种：时域分析和频域分析。在时域分析时，始终把信号看成为时间的函数，但任何信号又可以看成是频率函数。周期信号的频谱由离散的频率成分构成。非周期函数的频谱是连续的频谱函数。搬移频谱是将信号乘以余弦波来完成的。利用余弦信号可以将信号频谱在正负频域内分别搬移到±0的位置上，这个过程又称作调制。4 调制的三种方式：（角调制）调幅AM，是指用信号去控制载波的振幅，使已调波的包络按照的规律线性变化的过程。调频FM，其相位与原始信号积分成正比，调频与原始信号成正比。调相PM，相位与原始信号成正比，调相波频率与原始信号导数成正比。5 AM调制：调制信号为载

15、波为已调信号为6 角调波是具有恒定振幅和瞬时相角的正弦波瞬时频率和瞬时相角有如下关系：相位调制系统(PM)，其瞬时相角为对前式求导可得到瞬时频率：频率调制系统(FM)，角频率受到调制，其瞬时角频率为：所产生的瞬时相角为：7 调频波与调相波的特点调相波的相位偏移与调制信号呈线性关系，而调频波的相位偏移是与调制信号的积分呈线性关系。调频信号与调相信号可以进行相互转换。如果调制信号是单频信号，区别两种波形可以通过改变调制频率，以保持幅值恒定。PM波的最大相位偏移仅取决于调制信号的幅度，FM波的最大相位偏移与调制信号的频率成反比。调相波的瞬时频率和原始信号的微分成正比，调频波的瞬时频率和原信号呈线性关

16、系。对于整流正弦波来说，波形如图：视频调号的调制可以采用直接调频法。对FM信号进行解调，一般方法是采用具有线性的频率电压转换特性的鉴频器把对应信号的频率变化转变成振幅变化，即变换成AM信号，然后对AM信号采取包络检波进行解调。频率调制比振幅调制的抗噪声能力强，因此常用于高音质的调频广播和电视伴音中。大/f大频谱密，小/f小频谱疏8 频分多路复用模拟信号的传输（常见的语音、图像等信号为模拟信号）相关计算：设N=3，并且设其工作在上边带，副载波频率之间的间隔为，其频谱应满足下式：。这时所需要得最小带宽是。9 时分多路复用数字信号的传输（数字通信系统中，信道所传送的信号为数字信号）（1）频率是一样的

17、（2）先把模拟信号通过PCM变成数字信号，再进行时分多路复用抽样、量化、编码为PCM调制的三个步骤（3）抽样：将模拟信号时间域离散化，幅值的取值仍然连续的，即，模拟信号被调制到脉冲序列的幅值上。要求。语音信号最高频率3400HZ，根据采样定理，采样频率为6800Hz，一般额定为8000Hz，这时语音信号可完全恢复。（4）抽样后的信号称为脉冲幅度调制信号（PAM）（5）量化：把PAM信号在幅值域上离散化。即，用有限状态的数字信号来描述幅值信号（6）量化方法：在消息样值的范围内，幅度上划分为若 干个“层”，即量化级，量化级间的差距称为量化阶距 ，每一量化级的电平称为量化值。在每一分层范围内的信号，

18、使用“四舍五入”的方法取某一固定的量化值来表示。（7）把每一量化值用数字码或码组来表示。量化过程和编码过程通常是同时进行的。量化电平数，即量化级数，n为编码位数。时分多路复用为了提高通信系统的信道利用率，将多路信号沿同一信道进行互不干扰的传输，称为信道复用即多路复用。 时分多路复用TDM：各路信号在同频信道上占用不用时间间隙 进行通信，各路信号的频谱是重叠的，而时间上不重叠。   具体实现Ø 传码率 (传输带宽)Ø 信号的最高频率为：Ø 采样频率为：Ø 每一帧内复用路数为：NØ 每一路的比特数为：KØ 时

19、分复用PCM信号的传码率为：Ø PCM复用信号所需要的带宽：统计时分多路复用10 基带传输和频带传输（1）ASK（幅移监控）ASK信号的表达式为：ASK信号的频谱相当于把信码波形的频谱向左、向右搬移到载波频率处 ,信号的频带宽度是：FSK（频移监控）FSK信号可看成是两个交错ASK信号之和，其中一个载频为，另一个为。该信号的表达式为：其 中，FSK信号的频带宽度为；为基带信号的带宽。FSK相干和非相干解调接收机方框图 PSK和DPSKPSK信号的表达式为：绝对调相: 1码用0相位来表示，0码用相位来表示相对调相： 0码载波相位不变化，即与前一码元载波终相相同；1码载波相位变化，即与前

20、一码元载波终相差。PSK信号的带宽与ASK信号一样，是基带信号带宽的两倍, 11 光纤通信原理光纤的结构：光纤是石英玻璃制成的横截面很小的多层同心圆柱体。折射率高的中心部分叫做纤芯， 其作用是导光； 折射率低的中心部分称为包层，作用是将光封闭在 纤芯一包层界面内使光向前传输；图1 光纤的结构纤芯包层保护层a：把光当作光射线。在均匀介质中光射线做直线传播，当到达不同的介质将产生反射和折射；b：反射和折射遵从反射定律和折射定律；c：光的折射率可以用公式来表示： d、当光从一种折射率的介质进入另一种折射率为的介质时，要产生折射，折射定律为： 光在阶跃光纤中的传播。以上光纤导光的基本原理中，要求也就是

21、说只有当入射角小于某一个角度光线才能在光纤内部传播。角度的正弦值就定义为光纤的数值孔径。数值孔径和哪些参量有关，看临界状态：由光的折射定律： 式中表示纤芯和包层折射率的变化，称之为相对折射率差数值孔径是光纤的重要参量，它表示光纤的收集光的能力所谓模式色散，理解为不同入射光同时进入光纤的输入端，但是它们到达光纤的输入端的时间却是不一样的。最短的光线路径 ：即路线长度等于光纤长度L，,从输入端到达输出端的时间为最长的光线路径：所经路线长度为，从输入端到达输出端时间为由此可以看出，时延差随的增大而增大，但如果过大，则加大模式色散，影响通信系统容量。系统容量可用传输距离L与码率B的乘积表征。现将与码率

22、B联系起来，脉冲时延差不能大于比特时间，即由以下公式：所以。可见系统容量与光纤的相对折射率差成反比。 例如，一条无包层的石英光纤，即，此时系统容量仅为。如果在纤芯外加一层折射率略小于纤芯包层，则情况大为改善。一般通信用光纤都设计成，如则渐变光纤的纤芯折射率不是一个常数，而是由纤芯中心的最大值，逐渐减小到与包层交接的最小值，其分布可以表示为：因为纤芯折射率是变化的，所以光线以类似正弦曲线向前传播,由于光在介质中传播的速度为，所以，靠近光纤轴线的光线（入射角小）虽然传播的路径较短，但由于轴线附近的折射率较高，因此传播速度较慢，而靠近包层的光线（入射线）传播路径虽然长些，但经过低折射率，速度快，因此通过选择合适的折射率分布这些光线几乎能同时到达终点。这样，可以大大减小时延差，即大大地降低了模式色散。12 移动通信移动通信必须具备两个基本特征：（1）定位与跟踪；（2）保持最佳接入点最佳接入是指：信道衰落最小、损耗特性最佳、噪声干扰最小等。 移动通信的特征1、移动通信是有线与无线相结合的通信方式2、移动通信系统的无线电磁波传输特性复杂3、干扰和噪声4、适合移动通信系统使用的无线电频率有