汽车移动速度测量方法的探究

内蒙古大学鄂尔多斯学院2011级电子信息科学与技术期中论文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，测速内蒙古大学鄂尔多斯学院2011级电子信息科学与技术期中论文VehicleSpeedMeasurementMethodsofInquiryAuthor:DongHaoTutor:BaiXiaoLeiAbstract：Thispaperbrieflyintroducesseveralkindsofcommonlyusedinreallifethemeasurementmethodofvehiclespeed,speedmeasuringprincipleoflaserradarisanalyzedemphatically,laserpulsenumberisderived,thedopplerfrequencyshiftspeedmeasuringmethod,givestheprinciplediagramofthevehicularlaserradarbasic,forvehicularlaserrangingradarsystemprovidesabasicmethodofspeed.Keywords：laserradar,range,speed内蒙古大学鄂尔多斯学院2011级电子信息科学与技术期中论文目录绪论………………………………………………………………………………………1一、交通中常用的测量移动速度的方法………………………………………………21.雷达测速…………………………………………………………………………22.激光测速…………………………………………………………………………23.视频测速…………………………………………………………………………24.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内蒙古大学鄂尔多斯学院2011级电子信息科学与技术期中论文1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”(LightDetectionandRange,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。内蒙古大学鄂尔多斯学院2011级电子信息科学与技术期中论文2一、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内蒙古大学鄂尔多斯学院2011级电子信息科学与技术期中论文3二、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rctR2（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µs，回波脉冲滞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rt，根据式(2-1)计算出目标与雷达间的距离。根据获得rt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nTtr（2-2）内蒙古大学鄂尔多斯学院2011级电子信息科学与技术期中论文4T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：fcRftnr2（2-3）fcnR2（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。内蒙古大学鄂尔多斯学院2011级电子信息科学与技术期中论文5三、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rdvf2（2-5）式中，fd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；λ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，发射信号可表示为)cos()(0wAtS（2-6）式中,w0为发射角频率;φ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])(cos[)()(00ttwkAttkstSrr（2-7）式中，rt=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内蒙古大学鄂尔多斯学院2011级电子信息科学与技术期中论文6RcRftwr222200（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tVRtRr0)(（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度。式(2-8)说明，在t时刻接收到的波形Sr(t)上的某点，是在t−tr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)(20cvRcctRtrr（2-10）回波信号比起发射信号来，高频相位差△φ为)(40cvRr（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dtdfd21（2-12）这就是多普勒频率，