超速抓拍与治安卡口系统中的车辆检测技术

超速抓拍系统和治安卡口系统中的车辆检测技术余稳1徐代艮21.中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海2000502.上海慧昌智能交通系统有限公司上海200233摘要：本文比较了用于超速抓拍系统和治安卡口系统中的几种常用车辆检测技术，并重点介绍了近期兴起的基于微波雷达的车辆检测技术。关键词：超速抓拍治安卡口微波雷达车辆检测随着科技的进步和人们生活水平的不断提高，道路上行驶的车辆车辆越来越多，这样必然会带来两方面的问题，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来越多。对于大多数交通事故，超速行驶往往是诱因，人们常说“十次事故九次快”，因此对车辆行驶速度的限制是最有效抑制交通事故的手段。确保车辆按照限速规定行驶的方法除了对驾驶员进行安全教育以外，最有效的手段就是对超速违法行为进行处罚，超速抓拍系统就是用于超速违法行为取证的，如果道路上有足够多的超速抓拍系统，车辆超速行驶的可能性就会降低很多很多，从而大大降低了交通事故发生的诱因，进而保障了驾驶员和乘客的生命财产安全。治安卡口系统（公路车辆智能监测记录系统）能记录通过车辆的清晰照片并据此识别出车牌号码，同时还能检测车速、流量并具有自动报警、远程维护等功能。目前公安部开展了“320”行动计划试点，即在市区内每3km就有一个治安卡口，在市区外每20km有一个治安卡口，这样利用治安卡口系统，几乎可以把每一辆车的行车路线都记录下来，就可以比较容易追踪嫌疑车辆从而对社会治安起到积极的作用。不管是超速抓拍系统还是治安卡口系统，都需要准确检测出车辆的存在与行驶速度，超速抓拍系统侧重于对高速行驶车辆速度的准确测量，而治安卡口系统侧重于车辆存在检测，不管是高速还是低速，都不能遗漏，当然如果卡口系统兼具超速抓拍功能，那对速度的准确性要求也就很高了。一、车辆存在检测技术交通信息采集技术的研究已经开展多年，目前已有多种交通信息采集技术在实际中应用。最先开始发展的是接触式的交通信息采集技术，其主要代表是环行线圈探测。这些采集装置都有共同特点，就是埋藏在路面之下，当汽车经过采集装置上方时会引起相应的压力、电场或磁场的变化，最后采集装置将这些力和场的变化转换为所需要的交通信息。经过多年发展，路面接触式的交通信息采集技术已经很成熟，其测量精度高，易于掌握，一直在交通信息采集领域中占有主要地位。但是这种路面接触式的交通采集装置有着不可避免的缺点。首先是安装维护困难，必须中断交通、破坏路面；其次随着车辆增多，车辆对道路的压力导致这类装置的使用寿命也越来越短；现在道路扩张很快，各种环境下的道路日益增多，而路基下沉、盐碱和冰冻等条件将严重影响路面接触式交通信息采集装置的使用。另外，对隧道桥梁等环境，路面破坏性的安装方式存在更多的困难与不便。所有这些都带来了其使用成本的上升。新近发展起来的路面非接触式交通信息采集装置不存在安装维护困难、使用寿命短等缺点，主要有微波探测和视频探测两大类。由于安装维护简单，路面非接触式交通信息采集技术发展非常迅速。视频探测是利用车辆进入检测区域（虚拟线圈）导致背景灰度变化的原理来进行检测，直观可靠，但受光度，气候条件的影响很大，且需要进行镜头清洁等日常维护。微波探测则是利用车辆经过检测区域时引起的电磁波的返回时间或频率的变化进行检测，有着安装维护方便、使用寿命长、几乎不受光照度、灰尘以及风、雨、雾、雪等天气气候影响等优点。二、基于微波雷达的交通信息检测技术将微波雷达技术应用于交通信息采集时关键要解决从雷达回波信号中提取车辆交通信息问题。简单来说，就是如何利用微波雷达技术所具有的测速与测距功能来实现交通信息实时检测。1、速度检测微波雷达对运动物体的精确速度检测基于微波多普勒（Doppler）效应。微波在行进过程中，碰到障碍物体时会反射，而且反射回来的波，其频率及振幅都会随着所碰到的物体的移动状态而改变。若微波所碰到的物体固定不动，那么所反射回来的波其频率不变。若物体朝着无线电波发射的方向前进，此时所反射回来的无线电波会被压缩，因此该电波的频率会随之增加；反之，若物体朝着远离无线电波方向行进，则反射回来的无线电波其频率会随之减小。这就是Doppler效应。基于Doppler效应原理，可以对运动目标的速度进行精确测量。将相对运动所引起的接收频率与发射频率之间的差频称为Doppler频率，用f表示，表达式为df=2f*V*cos0/c （1）do其中f表示雷达前端发射的微波信号频率（一般为24GHz或者35GHz）;V为被检车辆o速度;c表示电磁振荡在空气中的传播速度，0表示微波波束方向与运动方向的夹角。从上式可以看出，只要测得了Doppler频率f，就可以获得运动物体的速度，这就是Doppler测速原理。具体做法是，利用Doppler收发（T/R）组件产生单频高频微波，并接收目标的反射信号，由于反射信号的频率与发射信号的频率相比已经有了一个变化，经混频后输出的中频（IF）信号频率即为发射频率与接收频率之差，也就是f。利用f就可以测量出车辆的速度。基于Doppler效应原理的测速精度极高。其测量误差主要来源于以下因素：T/R组件的发射频率f的误差，Doppler频率的f测量误差。由f引起的误差可通过提高其输出稳定度来解决，比如使用低相位噪声的谐振腔，也可以采用锁相（PPL）的方式实现；由f测量引起的误差则依据不同的检测方式而采用不同的检测方法。简单的检测方式是检测单位时间内IF信号的周期数，目前的测速雷达大多采用这种方式，其特点是结构简单、成本低，但是精度一般都不高，虽然可以在硬件和软件上下功夫，但难以有突破性的进展；另一种很精确的方法是利用数字信号处理芯片DSP对IF信号进行Fourier（傅立叶）变换以求得信号频率，这种方法的特点是测量精度足够高，缺点是结构复杂，成本相对较高。2、车辆存在（流量）检测利用Doppler效应只能检测具有一定速度运动的物体，并且只能检测单一目标，因此在智能交通系统中，如果要利用Doppler效应对车辆进行存在性检测将会面临只能检测单一车道高速运行车辆的困境，因此不合适该应用。除Doppler效应外，微波雷达还具有距离检测功能。利用测距功能通过测量车辆与雷达之间的距离就可以判别车辆处于哪一条车道；对于同一车道，有无车辆存在时回波信号强度相差很大，这样就可以判定车辆的存在，综合起来就可以同时获得多车道实时车辆存在信息而不用担心此时道路是否拥挤（低速甚至停止情形）。采用调频连续波（FMCW）体制的雷达可以很好地实现上述雷达测距功能。FMCW是周期性的线性调频脉冲波，脉冲占空比是100%。雷达通过天线向外发射一系列连续调频波，并接收目标的反射信号。发射波的频率随时间按调制电压的规律变化，一般调制信号为三角波信号，发射信号与接收信号的频率变化如图1所示。反射波与发射波的形状相同，只是在时间上有一个延迟At,At与目标距离R的关系可表示为2)式中c为光速。发射信号与反射信号的频率差即为混频输出的中频信号频率IF,如图1（b）。a)IF0ba