一種雷達(dá)測(cè)速設(shè)備準(zhǔn)確度評(píng)估方法

張博君 李偉

摘? 要：該文介紹了連續(xù)波多普勒雷達(dá)測(cè)速照相系統(tǒng)的構(gòu)成，并對(duì)其進(jìn)行了誤差測(cè)試與分析。對(duì)影響雷達(dá)測(cè)速設(shè)備測(cè)速準(zhǔn)確度的因素進(jìn)行了分析，并提出了一種利用采集的雷達(dá)測(cè)速數(shù)據(jù)與影像位移換算速度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比的方法，來(lái)評(píng)估雷達(dá)測(cè)速的準(zhǔn)確度。希望可以為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)測(cè)速;測(cè)速照相設(shè)備;多普勒效應(yīng)

中圖分類號(hào)： TN95? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

無(wú)線電技術(shù)發(fā)展于20世紀(jì)初期，隨著人們對(duì)電磁波認(rèn)識(shí)的不斷深化，電磁波技術(shù)得到迅速發(fā)展，它幫助人類將通信聯(lián)系的距離延展幾千公里，卻只要短短幾秒就可完成[1]。近30年來(lái)人類將電磁波技術(shù)應(yīng)用在交通執(zhí)法上，利用雷達(dá)多普勒效應(yīng)原理計(jì)算出車輛速度，進(jìn)而判斷該車輛是否超速行駛。雷達(dá)測(cè)速照相設(shè)備不論是傳統(tǒng)或數(shù)字式，都發(fā)生過(guò)測(cè)速不準(zhǔn)確的問(wèn)題，因此本文主要探討雷達(dá)測(cè)量結(jié)果對(duì)雷達(dá)測(cè)速照相設(shè)備本身的影響。

雷達(dá)發(fā)射電磁波到物體，經(jīng)由物體反射后，再得到該物體速度的過(guò)程稱為多普勒效應(yīng)原理，也就是應(yīng)用雷達(dá)所發(fā)射的電磁波頻率與接收電磁波頻率之差，來(lái)推算目標(biāo)物移動(dòng)的速度[2]。雷達(dá)按照波形可分為脈沖雷達(dá)、連續(xù)波雷達(dá)2種。在無(wú)能量產(chǎn)生的情況下，經(jīng)過(guò)一段靜止時(shí)間，隨之產(chǎn)生一極短時(shí)間的發(fā)射能量，該種能量波形被稱為脈沖波[3]。連續(xù)波雷達(dá)與脈沖波雷達(dá)最大的不同處在于，連續(xù)波雷達(dá)是持續(xù)且連續(xù)不斷地發(fā)射能量的，按發(fā)射信號(hào)的形式又可分為固定頻率及調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)[4]。根據(jù)多普勒效應(yīng)原理，當(dāng)信號(hào)從一個(gè)移動(dòng)目標(biāo)物反射時(shí)，信號(hào)的頻率會(huì)發(fā)生偏移。一個(gè)移動(dòng)目標(biāo)物的回波頻率的偏移將決定目標(biāo)物與雷達(dá)的相對(duì)速度[5]。目前應(yīng)用于交通執(zhí)法系統(tǒng)中的測(cè)速雷達(dá)大多為固定頻率的連續(xù)波雷達(dá)。

1 連續(xù)波多普勒雷達(dá)測(cè)速照相系統(tǒng)構(gòu)成及操作原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

連續(xù)波多普勒雷達(dá)測(cè)速照相系統(tǒng)可分成硬件及軟件2個(gè)部分，硬件部分主要包含雷達(dá)系統(tǒng)、控制主機(jī)系統(tǒng)、照相機(jī)等模塊。軟件部分負(fù)責(zé)對(duì)各硬件間的信息流進(jìn)行溝通與整理。

1.2 操作原理

雷達(dá)測(cè)速照相系統(tǒng)操作步驟如圖1所示。

2 雷達(dá)測(cè)速照相系統(tǒng)設(shè)備誤差測(cè)試與分析

2.1 雷達(dá)測(cè)速照相設(shè)備誤差分析

該文對(duì)交通測(cè)速雷達(dá)進(jìn)行了分析，根據(jù)多普勒效應(yīng)，當(dāng)雷達(dá)波遇到汽車返回時(shí)，有下面的關(guān)系成立：

式中：f 0'為雷達(dá)監(jiān)測(cè)到物體后反射的頻率，f 0為雷達(dá)波發(fā)射頻率，VR為汽車的速度。從式（1）中可以看出，接收到的反射信號(hào)頻率f 0'是由兩項(xiàng)相加而成的，第一項(xiàng)是由雷達(dá)波產(chǎn)生的發(fā)射頻率即公式中的f 0，第二項(xiàng)是由物體運(yùn)動(dòng)引起反射信號(hào)的多普勒頻移，當(dāng)汽車駛近雷達(dá)波時(shí)，VR為正，當(dāng)汽車駛離雷達(dá)波時(shí)，VR為負(fù)，C為電磁波在空間的傳播速度，可將公式（1）表示成如下形式：

2.1.1 針對(duì)的來(lái)源分析與減小措施

一般交通用測(cè)速雷達(dá)本身為單一連續(xù)頻率，因此確認(rèn)f 0是不隨時(shí)間變化的頻率，它的穩(wěn)定度高，可以不考慮它的誤差影響，誤差主要由發(fā)射時(shí)的頻率之差Δf 0所引起。Δf 0就是實(shí)際頻率與所要求的頻率不一致造成的誤差，所以相關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)定都要求誤差必須<±0.2%，以求取最準(zhǔn)確的頻率范圍。同時(shí)Δf 0還受雷達(dá)本身所加電壓以及工作環(huán)境的溫度變化等因素影響。因此，必須確認(rèn)整體電壓的穩(wěn)定性與采用恒溫措施保持溫度的穩(wěn)定，避免變化過(guò)大造成影響。

2.1.2 針對(duì)1/N的來(lái)源分析與減少措施

如果將引起的測(cè)量誤差控制在±0.2%內(nèi)，那么誤差來(lái)源就主要由1/N來(lái)決定。對(duì)應(yīng)不同的測(cè)量速度，在速度測(cè)量時(shí)間T內(nèi)所記錄的變化周期個(gè)數(shù)N有不同的取值，由公式3可知：當(dāng)VR一定時(shí)，T越大，則記錄的變化周期個(gè)數(shù)N越多，則1/N就越小，誤差也就越小。因此，適當(dāng)增加標(biāo)準(zhǔn)間隔時(shí)間T是減少誤差的一種方法。另一方面來(lái)說(shuō)，如果增加了T，也增加了速度的測(cè)量時(shí)間。

2.1.3 實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于雷達(dá)測(cè)速照相設(shè)備誤差改善措施

從公式（1）中可以了解到，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的頻率誤差經(jīng)過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)處理后，可以獲得比較可靠的準(zhǔn)確度。但對(duì)于1/N的來(lái)源控制則是一項(xiàng)非常困難的挑戰(zhàn)，因?yàn)楫?dāng)雷達(dá)測(cè)速照相設(shè)備在戶外進(jìn)行違規(guī)車輛監(jiān)測(cè)時(shí)，會(huì)因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境產(chǎn)生無(wú)法預(yù)測(cè)的狀況。為了增加雷達(dá)速度數(shù)據(jù)的可驗(yàn)證性，可以增加監(jiān)測(cè)時(shí)間以獲取較多的速度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而篩選出不正確的速度數(shù)據(jù)。

2.2 雷達(dá)測(cè)速準(zhǔn)確性測(cè)試方法

為了有效確認(rèn)雷達(dá)架設(shè)于戶外環(huán)境時(shí)，測(cè)量速度是否有不確定度情況發(fā)生，必須進(jìn)行戶外實(shí)際測(cè)試。測(cè)試車道上需要標(biāo)示有距離線，可用于后期圖像數(shù)據(jù)處理時(shí)提取距離信息。測(cè)試環(huán)境同時(shí)應(yīng)具備開放的車輛行駛環(huán)境。

每當(dāng)車輛通過(guò)時(shí)，受檢驗(yàn)的雷達(dá)測(cè)速照相設(shè)備必須在一固定時(shí)間（一般設(shè)定為1 s）內(nèi)拍攝2張以上照片，這樣便可利用“速度=距離/時(shí)間”的公式推斷正確的速度，將雷達(dá)所測(cè)得的速度與影像所計(jì)算到的速度互相比對(duì)。

通過(guò)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)資料的搜集，確認(rèn)雷達(dá)不確定度發(fā)生的概率與速度誤差。并利用Pearson積差相關(guān)系數(shù)來(lái)檢驗(yàn)雷達(dá)監(jiān)測(cè)器與影像位移差所取的數(shù)據(jù)相關(guān)程度，其公式為：

（7）

式中：-1≤r≤1，r為Pearson積差相關(guān)系數(shù)，S（X，Y）為雷達(dá)檢測(cè)器速度值誤差率與影像位移速度值誤差率的乘積和，為雷達(dá)檢測(cè)器速度值誤差率的標(biāo)準(zhǔn)偏差和，為影像位移速度值誤差率的標(biāo)準(zhǔn)偏差和，X為雷達(dá)監(jiān)測(cè)器速度值，為雷達(dá)監(jiān)測(cè)器速度值的平均值，Y為影像位移速度值，為影像位移速度值的平均值。

3 雷達(dá)測(cè)速照相系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析方法

3.1 速度準(zhǔn)確率分析

準(zhǔn)確率為衡量雷達(dá)監(jiān)測(cè)速度與影像位移速度間的差異，其計(jì)算公式如公式（9）所示，其中X為雷達(dá)監(jiān)測(cè)器速度值，Y為影像位移速度值。

3.2 監(jiān)測(cè)效果分析方法

雷達(dá)監(jiān)測(cè)器的監(jiān)測(cè)效果，可利用影像位移速度結(jié)果與真值間的平均誤差率或誤差率標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)評(píng)估。

3.3 積差相關(guān)系數(shù)

Pearson積差相關(guān)系數(shù)是檢核雷達(dá)監(jiān)測(cè)器與影像位移速度數(shù)據(jù)間的相關(guān)程度，其公式如公式（7）所示。由系數(shù)r可判斷雷達(dá)監(jiān)測(cè)器的準(zhǔn)確度，即當(dāng)相關(guān)系數(shù)r越接近1，表示雷達(dá)監(jiān)測(cè)器所監(jiān)測(cè)到的速度數(shù)據(jù)越接近影像位移差所測(cè)得的速度數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

該文介紹了連續(xù)多普勒雷達(dá)測(cè)速照相系統(tǒng)的構(gòu)成，對(duì)雷達(dá)測(cè)速過(guò)程產(chǎn)生誤差的因素進(jìn)行了分析，并提出了對(duì)測(cè)速數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率及監(jiān)測(cè)效果的評(píng)估方法。為雷達(dá)測(cè)速類產(chǎn)品的測(cè)速準(zhǔn)確度評(píng)估提供了較好的方法依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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