1、汽车移动速度测量方法的探究汽车移动速度测量方法的探究摘要：本文简要介绍了几种在现实生活中常用的测量汽车移动速度的方法，着重分析了激光雷达测速原理，推导了连续激光脉冲数字、多普勒频移测速的方法，给出车载激光雷达基本原理图，为车载激光雷达系统测距测速提供了基本方法。关键字：激光雷达，测距，测速 Vehicle Speed Measurement Methods of InquiryAuthor:DongHaoTutor:BaiXiaoLeiAbstract：This paper briefly introduces several kinds of commonly used in real li
2、fe the measurement method of vehicle speed, speed measuring principle of laser radar is analyzed emphatically, laser pulse number is derived, the doppler frequency shift speed measuring method, gives the principle diagram of the vehicular laser radar basic, for vehicular laser ranging radar system p
3、rovides a basic method of speed.Key words：laser radar, range, speed 绪论1一、交通中常用的测量移动速度的方法21. 雷达测速2 2. 激光测速23. 视频测速2 4. IC卡测速2二、目标距离测量原理31. 测距原理32. 测距方法的选择3三、目标相对速度的测量原理51. 相对速度测量原理52. 相对速度的测量方法7结语8参考文献9绪论随着我国高速公路网的不断完善，高速公路给人们带来了交通便利和能源的节省，同时车辆在高速公路上超速行驶也会容易引发交通事故。由于惯性因素，车速越快，那么制动距离越大，制动非安全区也越长，如果前方车
4、辆遭遇情况采取制动，往往是紧随其他车辆因制动不及而追尾前车，造成事故。“超速”是公路杀手。在高速公路测量汽车行使的速度，然后对超速驾驶的司机进行吊证和罚款，无疑对减少交通事故的发生起到积极的作用，所以，有必要选择一种精密的测量方法来测量汽车的移动速度。“激光雷达”(Light Detection and Range,Lidar)是一种利用电磁波探测目标的位置的电子设备。其功能包含搜索和发现目标；测量其距离、速度、位置等运动参数；测量目标反射率，散射截面和形状等特征参数。激光雷达同传统的雷达一样，都由发射、接收和后置信号处理三部分和使此三部分协调工作的机构组成。但传统的雷达是以微波和毫米波段的电
5、磁波作为载波的雷达。激光雷达以激光作为载波，激光是光波波段电磁辐射，波长比微波和毫米波短 得多。具有以下优点1： (1)全天候工作，不受白天和黑夜的光照条件的限制。 (2)激光束发散角小，能量集中，有更好的分辨率和灵敏度。 （3)可以获得幅度、频率和相位等信息，且多普勒频移大，可以探测从低速到高速的目标。 (4)抗干扰能力强，隐蔽性好；激光不受无线电波干扰，能穿透等离子鞘，低仰角工作时，对地面的多路径效应不敏感。 （5)激光雷达的波长短，可以在分子量级上对目标探测且探测系统的结构尺寸可做的很小。当然激光雷达也有如下缺点： (1)激光受大气及气象影响大。 (2)激光束窄，难以搜索和捕获目标。 激
6、光雷达以自己独特的优点，已经被广泛的应用于大气、海洋、陆地和其它目标的遥感探测中2。汽车激光雷达防撞系统就是基于激光雷达的优点，同时利用先进的数字技术克服其缺点而设计的。下面将简单介绍激光雷达测距、测速的原理，并在此基础上研究讨论汽车激光防撞雷达测距、测速的方法。一、交通中常用的测量移动速度的方法1.雷达测速雷达测速仪是一种新型的微波测速仪，它利用多普勒效应对地面运动目标的速度进行测量。雷达测速仪测速时是通过向被测汽车发射出1000MHZ的脉冲微波，如果脉冲微波射向静止的汽车，则被反射回来的微波频率不变；如果汽车在行使，而且速度很快，那么，根据多普勒效应反射波的频率与发射波的频率就不同，通过对
7、这种微波频率微小差异的精确测定，再通过比对频率的差异与速度的关系，电脑自动换算成汽车的速度。2.激光测速激光测速仪是采用激光测距的原理。激光测距是通过向被测物体发射激光光束，并接受该激光光束的反射波，记录该时间差，来确定被测物体与测试点的距离。激光测速是对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，取得在该一时间段内的被测物体移动的距离，从而得到物体移动速度。生活中我们看到交警在警车内测量车辆行使的速度，就是利用这个原理测量的。3.视频测速高速公路视频超速监控系统利用视频图像处理技术，对高速公路车道上的汽车进行非接触式监控，获得超速车辆车速。通过在一定时间内连续两次对车辆进行图像的抓捕，利用图像
8、上特征点的相对位移来计算车速。4.IC卡测速IC卡测速是一种最简单、最有效的新的测速方法，根据IC卡计算出每辆车在高速公路行驶期间的平均速度，它的主要原理是：通过司机所持的IC卡，利用车辆进出高速公路的准确时刻和运行里程，来测算车辆平均行驶速度。这是一种全天候全过程的测速方法，让司机明白车辆一旦上了高速公路后就被测速的道理，从而达到威慑的作用，可以减少高速公路因超速而造成的交通事故二、目标距离测量原理汽车激光雷达防撞系统中发射机发射的是一串重复周期一定的激光窄脉冲，是典型的非相干测距雷达，对它的要求是测距精度高，测距精度与测程的远近无关；系统体积小、重量轻，测量迅速，可以数字显示；操作简单，培
9、训容易，有通讯接口，可以连成测量网络，或与其他设备连机进行数字信息处理和传输。1.测距原理 激光雷达工作时，发射机向空间发射一串重复周期一定的高频窄脉冲。如果在电磁波传播的途径上有目标存在，那么激光雷达就可以接收到由目标反射回来的回波。由于回波信号往返于雷达与目标之间，它将滞后于发射脉冲一个时间我们知道电磁波的能量是以光速传播的，设目标的距离为R，则传播的距离等于光速乘上时间间隔，即 （2-1）式中，R 为目标到激光雷达的单程距离，单位为m; t:为电磁波往返于目标与雷达之间的时间间隔，单位为s; c 为在空气中传播的速度，由于电磁波传播的速度很快，激光雷达技术常用的时间单位为s ，回波脉冲滞
10、后于发射脉冲为一个微秒时，所对应的目标距离R 为R =ct / 2 =150m 。能测量目标距离是激光雷达的一个突出优点，测量的精度和分辨率与发射信号带宽(或处理后的脉冲宽度)有关。脉冲越窄，性能越好。 2.测量方法的选择 从以上分析可知目标距离的测量就是要精确的测定目标回波相对于发射信号脉冲的迟延时间 ，根据式(2-1)计算出目标与雷达间的距离。根据获得 的方法不同，可分为模拟测距和数字测距。由于近几年来数字器件及技术有了飞跃发展，比起模拟式测距来讲，数字式测距具有下述优点:跟踪精度高，且精度与跟踪距离无关;响应速度快，适合于跟踪快速目标;工作可靠和系统便于集成化;输出数据为二进制码，可以方
11、便地和数据处理系统接口。因 此数字式测距被广泛应用于现代雷达中。数字式测距只要记录回波脉冲到达时的计数脉冲的数目n ，根据计数脉冲的重复周期T，就可以计算出回波脉冲相对于发射脉冲的延迟时间 （2-2） T 为已知值，测量t 实际上变成测量回波脉冲到达时的计数脉冲的数目n 。为了减少误差，通常计数脉冲产生器和雷达定时器触发脉冲在时间上是同步的。目标距离R 与计数脉冲数h 之间的关系为： （2-3） （2-4）式中，f 为计数脉冲重复频率。 数字式测距中，对目标距离R 的测定转化成测量脉冲数n,从而把时间t这个连续量变成了离散的脉冲数。当目标回波峰值出现在第n 个与n+1个计数脉冲之间时，就会产生
12、相应的误差。从提高测量精度，减少误差的观点来看，计数脉冲频率f 越高越好，这时对器件速度的要求提高，计数器的级数应相应增加。由于近年来数字器件及技术的飞跃发展，有条件 采用高速数字器件来达到上述要求。三、目标相对速度的测量原理 随着雷达技术的发展，雷达的任务不仅是测量目标的距离、方位和仰角而且还包括测量目标的速度，以及从目标回波中获取更多有关目标的信息。汽车激光雷达防撞系统要探测的目标是地面上运动着的车辆及物体，不但需要测量出目标的距离，而且需测量出目标与自车的相对速度(即径向相对速度)，从而探测出目标的实际速度。径向相对速度可以用距离的变化率和多普勒频移两种方法来求得，但用距离的变化率来求得
13、的相对速度精度不高，实时测速准确性差，故本文采用了利用多普勒频移测速的方法。下面将详细地介绍多普勒频移测速的基本原理及提取方法。 1.相对速度测量原理多普勒频移是指当目标与雷达之间存在相对速度时，接收到的回波信号的载频相对于发射信号的载波产生一个频移，这个频移在物理学上称为多普勒频移，它的数值为 （2-5） 式中，f d 为多普勒频移，单位为Hz；Vr :为雷达与目标之间的径向相对速度，单位为m/s；为载波波长，单位为m。下面将以激光雷达发射连续波的情况为例来详细的研究多普勒频移的推导过程。 为方便计算，设目标为理想“点” 目标，即目标尺寸远小于激光雷达分辨率。当激光雷达发射连续波时，发射信号
14、可表示为 （2-6） 式中,w0为发射角频率;位初相;A 为振幅。接收机接收到由目标反射的回波信号Sr(t)为 （2-7）式中，=2R/c，为回波滞后于发射信号的时间，其中R 为目标和雷达之间的距离;c 为电磁波传播速度，在空气中传播时它等于光速;k 为回波的衰减系数。如果目标固定不动，则距离R为常数。回波与发射信号之间有固定相位差 （2-8）它是电磁波往返于雷达与目标之间所产生的相位滞后。 当目标与雷达之间有相对运动时，则距离R随时间变化。设目标以匀速相对于雷达运动，则在时间t 时刻，目标与激光雷达之间的距离R(t)为 （2-9）式中，R。为t=0 时的距离;Vr为目标相对于雷达的径向运动速
15、度。式(2-8)说明，在t 时刻接收到的波形Sr(t)上的某点，是在ttr 时刻发射由于通常雷达和目标的相对速度Vr:远小于电磁波速度c，故时延t可近似写为 （2-10） 回波信号比起发射信号来，高频相位差为 （2-11）是时间t 的函数，在径向速度Vr为常数时，产生频率差为 （2-12）这就是多普勒频率，它正比于相对运动速度而反比于工作波长兄。当目标飞向雷达站时，多普勒频率为正值，接收信号频率高于发射信号频率，而当目标背离雷达站飞行时,多普勒率为负值，接收信号频率低于发射信号频率。 当目标向着激光雷达运动时Vr0 ，回波载频提高也就是自车与前车或障碍物间的距离在减小;反之vr0 ，回波载波降
16、低，自车与前车或障碍物间的距离在增大。所以只要能 够测量出多普勒频移fd，就可以确定目标与雷达站之间的相对速度，也就是自车与前车或 障碍物的相对速度，从而根据自车的速度计算出前车的速度。 多普勒频率可以直观的解释为:振荡源发射的电磁波以恒速c 传播，如接收者相对于振荡源是不动的，则它在单位时间内接收到的振荡数目与振荡源发出的相同，即二者频率相等。如果振荡源与接收者之间有相对接近的运动时，则接收者在单位时间内收到的振荡数目要比它不动时多一些，也就是接收频率增高;当二者做背向运动时，则接收者在单位时间内收到的振荡数目要比它不动时少一些，也就是接收频率降低。 2.相对速度的测量方法已经知道，回波信号
17、的多普勒频移fd正比于径向速度，而反比于雷达工作波长。 （2-13）多普勒频率的相对值正比于目标速度与光速之比，九的正负值取决于目标运动的方向。在多数情况下，多普勒频率处于音频范围内。例如当雷达工作频率f0 =10 GHz，目标径向相对运动速度vr=200 km/h 时目标回波信号频率f =10GHz 2kHz ，两者相差的百分比是很小的。因此要从接收信号中提取多普勒频率要采用差拍的方法，即设法取出f0和fr差值fd。 对于连续波多卜勒激光雷达，为取出收发信号频率的差频，需要采用混频的方法。通过在接收机中引入发射信号作为基准电压，在相位检波器的输出端得到收发频率的差频电压，即多普勒频率电压。发
18、射机产生频率为f 0 的等幅连续波高频振荡，其中绝大部分能量从发射天线幅射到空间，很少部分能量藕合到接收机输入端作为基准电压。混合的发射信号和接收信号经过放大后，在混频器输出端取出其差拍电压，隔除其中直流分量，得到多普勒频率信号送到终端指示器。 对于固定目标信号，由于它和基准信号的相位差=保持常数，故混合相加的合成电压幅度亦不改变。当回波信号振幅Ur远小于基准信号振幅U0 时，从矢量图可求得其合成电压为 （2-14） 包络检波器输出正比于合成信号振幅。对于固定目标，合成矢量不随时间变化，检波器输出经隔直流后无输出。而运动目标回波与基准电压的相位差随时间按多普勒频率变化。即回波信号矢量围绕基准信
19、号矢量端点以等角速度，这时合成矢量的振幅为： （2-15）经混频器取出二电压的差拍，通过隔直流电容器得到输出的多普勒频率信号为： （2-16）在检波器中，还可能产生多种和差组合频率，可用低通滤波器取出所需的多普勒频率fd 送到终端指示器，即可测得目标的径向速度值。结语 本文在分析了激光测距、测速原理的基础上，推导了连续激光脉冲数字测距、多普勒频移测速的方法。并对提高各种方法测量精度提出基本思路，为车载激光雷达系统测距测速提供了基本方法。 参考文献 1 蔡喜平等.PSD 光学敏感器系统测量目标位置和距离J. 红外与毫米波学报,J. Infrared Millim. Wave,1997,06 Vol. 16, No.3:211-212. 2 钟勇,姚剑峰.现代汽车的四种测距方法J.汽车工业研究,Auto Industry Research,2001,02:38-39. 3 张召亮,张帆,马智远,张承学.激光测距在汽车智能防撞系统中的应用J.中国水运，China Water Transport ,2007,07:53-54.
