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1、用于交通信息检测的开关天线阵列雷达研究 摘 要 针对智能交通系统日益复杂而精确的交通信息检测需求，本文提出基于开关天线阵列的交通信息检测雷达，介绍了其系统组成、工作原理以及信号模型和处理流程。该雷达采用调频连续波体制，可同时准确检测多条车道车流量、车道占有率；利用开关天线阵列技术进行单通道测向，根据目标车辆相对天线的方位角度变化率可准确测量车速、判断车型，而且成本低廉。理论分析和仿真结果表明，开关天线阵列雷达距离分辨率达到0.5米，测角精度小于0.1度（0dB信噪比）。 关键词 开关天线阵列；雷达；交通信息检测；智能交通系统 随着社会经济不断发展，智能交通系统为解决日益严重的交通运输问题发挥着
2、重要作用。交通信息检测是智能交通系统中的基础环节，其主要任务是获取道路上车辆状况，包括车流量、车道占有率、车速以及车型等。用于交通信息检测的毫米波雷达具有同时检测多车道、全天候工作、受环境影响小、安装维护方便等诸多优点。然而，对于日益复杂、精确的交通信息检测要求，目前的毫米波雷达存在检测精度不高，只能提供平均车速，不能准确分辨车型等问题。 本文针对毫米波交通信息检测雷达存在的不足，提出开关天线阵列雷达用于交通信息检测，一方面保留现有雷达的所有优点，另一方面，利用开关天线阵列技术进行单通道测向，在检测到车辆存在的同时，准确测量车辆方位，进而根据车辆位置的变化，计算车辆速度、判断车辆类型。另外，由
3、于开关天线阵列雷达只需单一的T/R通道，成本也相对较低。 1 毫米波交通信息检测雷达 毫米波交通信息检测雷达一般采用线性调频连续波（FMCW）体制，调频信号为三角波。雷达回波经混频、滤波，中频信号可以表示为： 其中，B为调频带宽，T为三角波周期， C为光速，R为车辆到天线的距离。从上式中可以看到，中频信号正比于车辆到雷达的距离。 根据调频连续波测距原理，交通信息检测雷达可以安装在公路旁的支撑杆上，天线波束方向基本与车道方向垂直。如图1所示，雷达波束覆盖所有行车道，车道内水平波束宽度略大于车辆宽度。由于不同的行车道到雷达的距离各不相同，各行车道的车辆信息就分布在不同的频率段内。当车辆经过雷达检测
4、区域时，回波信号中该车道对应的频率段的功率明显增强，据此可以判断车辆存在与否及其所在车道。从而，侧向安装的FMCW雷达能够同时检测多车道的车流量信息，而且可以消除多普勒效应的影响。但是，侧向安装的单波束毫米波交通信息检测雷达只能统计车道平均行车速度，对车型的判断也很粗略，这是因为这种交通雷达相当于在道路横断面上投影了一条较宽而且模糊的检测线。很明显在只有一条检测线的情况下是不可能准确测量车速和车型的。 2 开关天线阵列雷达用于交通信息检测 开关天线阵列雷达的主要思路是利用单通道接收机完成数字波束形成和高分辨波达方向估计等阵列信号处理工作，不但硬件成本可大幅下降，在系统尺寸、功耗方面也将受益，而
5、且还可避免多通道系统中幅相校正的麻烦，其系统组成如图2所示。 开关天线阵列系统主要由天线阵列、射频切换开关、单通道T/R、数据采集、时序控制、信号处理、频率源等部分构成。该系统的信号发射与接收工作时序如图3所示，发射通道接入发射阵元进行馈电，发射调频脉冲；射频切换开关在时序电路控制下分时依次选通各天线阵元，对接收信号进行空间采样。然后送入接收机进行混频、放大、滤波等处理，得到中频信号。把接收天线阵元全部选通一遍，定义为一个循环，可以进行N组循环。中频信号经过A/D采样转换为数字信号，送入信号处理机，进行波束合成、目标检测以及测角、测速等处理。 开关天线阵列雷达用于交通信息检测时，由于雷达波束垂
6、直于车辆行驶方向，可以忽略多普勒效应的影响，而在非常短的采样时间内可以认为车辆位置没有变化。那么第n组循环的第k周期雷达接收信号可以表示为： 其中，L是检测区内目标数，d是阵元间距，是波长， 是目标相对雷达的方位角度，n是随机噪声。可以发现，对于侧向安装的交通信息检测应用，开关天线阵列雷达与多通道阵列雷达在模型上几乎没有区别，可以直接对接收数据进行波束合成、目标检测以及高精度测角，进而计算出车辆速度和车辆类型。具体步骤为： 1）利用射频开关依次选通各阵元，分时接收回波信号，并进行放大、滤波、混频等处理。 2）对中频信号傅里叶变换，得到目标车辆所在车道对应的频率段即距离信息。 3）利用Capon
7、波束合成算法，计算距离vs角度二维图像； 4）在下一时刻重复步骤1、2、3，根据角度的变化，可以计算得到车辆速度。 5）根据车辆速度以及车辆通过零度波束的时间，获取车辆长度类型。 3 系统仿真与分析 基于上面的介绍，对开关天线阵列雷达应用于交通信息检测进行系统仿真。雷达侧向安装在道路旁的立杆上，如图1所示，要求能够同时检测8条车道，即测距范围为7米40米。雷达天线采用8阵元均匀线阵，阵元间距为半波长；阵元分布平行于行车方向，而在垂直行车方向上波束宽度刚好覆盖8条车道。雷达中心频率：24 GHz；调频带宽：300 MHz；三角波周期：100 。 根据上述条件，可知该系统距离分辨率为0.5米。为简
8、化 分析，假设有3辆车在雷达检测范围内，距离为10，17，32.7米，相应的方位角为-8，0，2.5度；对8个接收阵元进行4次循环采样，按照上节设计流程进行处理，可得到距离vs方位角的二维图像，如图4所示，三个车辆目标在图像中以亮斑的形式呈现。 将距离vs方位角图像在距离方向上投影，如图5所示，根据回波强度分布首先判定目标车辆及其所在的车道；从图中可以看到，测距结果在理论误差范围之内，能够准确的确定车辆所在位置。确定目标车辆后，就可以从距离vs方位角图像中直接得到该时刻的方位角。 由于开关天线阵列雷达是通过方位角变化率来确定车辆速度，进而判断车辆类型的，所以测角精度是和测距同样重要的一个参数。
9、图6是信噪比分别为0 dB和-10 dB时，100次仿真操作得到的测角数据。分别给出了三个目标车辆100次仿真的测角均值和方差。信噪比为0 dB时，测角精度小于0.1度；信噪比为-10 dB时，测角精度小于0.5度。较高的测角精度可以保证车辆速度测量以及车型判断的准确性。 4 结束语 本文介绍了开关天线阵列雷达的系统组成、工作原理以及应用于交通信息检测时的信号模型和处理流程。理论分析和仿真结果表明，采用调频连续波体制的开关天线阵列雷达有较高测距和测角精度，可准确检测多条车道车流量、车道占有率，还能实现准确的实时车速测量和车型判别。由于在实际应用中，真实车辆目标并非理想点目标，车辆回波在频率（距离）和方位角维度上都会一定程度发散，其造成的影响和相应处理措施需要开展进一步研究。
