1、遠程交通微波雷達檢測器（RTMS）的深度解析一、 概述1.1 什么是RTMSRTMS（Remote Traffic Microwave Sensor 遠程交通微波雷達檢測器）是一種用于監測交通狀況的再現式雷達裝置。它可以測量微波投影區域內目標的距離，通過距離來實現對多車道的靜止車輛和行駛車輛的檢測，并且利用雷達線性調頻技術原理，對路面發射微波，通過對回波信號進行高速實時的數字化處理分析，檢測車流量、速度、車道占有率和車型信息等交通流基本信息的非接觸式交通檢測設備。1.2 RTMS的應用領域RTMS主要應用于高速公路、城市快速路、普通公路交通流調查站和橋梁的交通參數采集，提供車流量、速度、車道占

2、有率和車型等實時信息，此信息可用隔離接觸器連接到控制器或通過串行接口連接到其他系統，為交通控制管理、信息發布等提供數據支持。1.3 RTMS的發展歷程1989年加拿大人Dan Manor第一個將雷達技術應用于智能交通行業，發明了微波車輛檢測器。短短十幾年間，微波車輛檢測器已經經歷了幾代的變革：從模擬到數字、從單雷達到多雷達、從喇叭天線到平板天線:圖 Error! No text of specified style in document.1微波車檢器發展歷程我們從每一次的變革中看到，微波車輛檢測器技術的發展和雷達技術、電子技術、計算機技術的發展緊密相關。從雷達技術的層面上來說，數字陣列雷達技

3、術從上世紀借鑒仿生學開始，在較短的時間內得到不斷完善和提高。進入21世紀后伴隨著數字電子技術和計算機處理能力的不斷提升，數字陣列雷達的優越性得到了充分的體現：其多功能性、反應速度、分辨率、電子抗干擾能力、多目標追蹤/搜索能力等都遠優于傳統雷達：l 數字陣列雷達能在極短時間內完成監視空域內的掃瞄，目標更新速率極快；l 數字陣列雷達分辨率極高，能取得目標精確位置；l 數字陣列雷達能在惡劣的天氣氣候條件下正常追蹤目標；數字陣列雷達代表著雷達技術發展的必然趨勢，它們是近代雷達變革的新技術和新體制的集中體現，是集中了現代電子科學技術各學科成就的高科技系統，所以現代化的精銳武器系統都以陣列的“平板雷達”為

4、標準配備。二、 RTMS的工作原理2 2.1 雷達線性調頻技術線性調頻信號可以獲得較大的壓縮比，有著良好的距離分辨率和徑向速度分辨率，所以線性調頻信號作為雷達系統中一種常用的脈沖壓縮信號，已經廣泛應用于高分辨率雷達領域。直接數字頻率合成(Digital DirectFrequency Synthesis，DDS)技術是解決這一問題的最好辦法。在雷達系統中采用DDS技術可以靈活地產生不同載波頻率、不同脈沖寬度以及不同脈沖重復頻率等參數構成的信號，為雷達系統的設計者提供了全新的思路。2.2 雷達技術“雷達”是英文radar的音譯，為Radio Detection And Ranging的縮寫，意思

5、是一種無線電檢測和測距的電子設備，其原理是雷達設備的發射機通過天線把電磁波能量射向空間某一方向，處在此方向上的物體反射碰到的電磁波；雷達天線接收此反射波，送至接收設備進行處理，提取有關該物體的某些信息(目標物體至雷達的距離，距離變化率或徑向速度、方位、高度等)。l 測量距離實際是測量發射脈沖與回波脈沖之間的時間差，因電磁波以光速傳播，據此就能換算成目標的精確距離。l 測量目標方位是利用天線的尖銳方位波束測量。測量仰角靠窄的仰角波束測量。根據仰角和距離就能計算出目標高度。l 測量速度是雷達根據自身和目標之間有相對運動產生的頻率多普勒效應原理。雷達接收到的目標回波頻率與雷達發射頻率不同，兩者的差值

6、稱為多普勒頻率。從多普勒頻率中可提取的主要信息之一是雷達與目標之間的距離變化率。當目標與干擾雜波同時存在于雷達的同一空間分辨單元內時，雷達利用它們之間多普勒頻率的不同能從干擾雜波中檢測和跟蹤目標。從工作方式上來講，RTMS微波車檢器屬于FM-CW Radar（調頻連續波雷達），即通過對連續波進行頻率調制來獲得距離與速度信息的雷達體制，其特點是具有高距離分辨率、低發射功率、高接收靈敏度、結構簡單等優點，不存在距離盲區，具有比脈沖雷達更好的反隱身、抗背景雜波及抗干擾能力的特點，且特別適用于近距離應用。從雷達技術的層面上來說，數字陣列雷達技術從上世紀借鑒仿生學開始，在較短的時間內得到不斷完善和提高。

7、進入21世紀后伴隨著數字電子技術和計算機處理能力的不斷提升，數字陣列雷達的優越性得到了充分的體現：其多功能性、反應速度、分辨率、電子抗干擾能力、多目標追蹤/搜索能力等都遠優于傳統雷達：l 數字陣列雷達能在極短時間內完成監視空域內的掃瞄，目標更新速率極快；l 數字陣列雷達分辨率極高，能取得目標精確位置；l 數字陣列雷達能在惡劣的天氣氣候條件下正常追蹤目標；數字陣列雷達代表著雷達技術發展的必然趨勢，它們是近代雷達變革的新技術和新體制的集中體現，是集中了現代電子科學技術各學科成就的高科技系統，所以現代化的精銳武器系統都以陣列的“平板雷達”為標準配備。RTMS借鑒了高科技陣列雷達科技的精髓，創新性地將

8、陣列天線技術應用于微波車輛檢測器中，研發出了RTMS第四代產品G4陣列雷達微波車輛檢測器。G4采用8×8陣列天線，64個陣列天線輪詢工作，每個天線均可完成微波信號發射與接收功能。發射/接收天線發射天線接收天線 RTMS G4陣列天線“雙雷達”的天線2.3 微波技術微波是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，換算成波長則是在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高，但低于可見光，通常也稱為“超高頻電磁波”。RTMS的X3的發射波中心頻率在10.525GHz，G4的發射波中心頻率在24.125GHz，都處于微波頻段，因此被

9、稱為微波車檢器。類似的設備還有聲波車檢器、超聲波車檢器，分別工作在聲波（20Hz至20000Hz）頻段和超聲波（大于20000Hz）頻段。電磁波譜圖微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質通常呈現為穿透、反射、吸收三個特性：對于玻璃、塑料和瓷器等非金屬物體，微波幾乎是穿越而不被吸收；對于水和食物等就會吸收微波而使自身發熱（例如微波爐的應用）；而對車輛外殼等金屬類東西，則會反射微波。衍射另外，所有波的另一特性是“衍射”，也叫繞射，即波遇到障礙物或小孔后通過散射繼續傳播的現象，一般來說，孔隙越小，波長越大，這種現象就越顯著。微波車檢器的波長一般在1cm-2cm，由于貨車的體積一般比較大，

10、當微波的波束在經過貨車邊沿時，同樣會產生衍射現象，如下圖。憑借高靈敏度接收天線，RTMS能夠接收到二次衍射之后的被遮擋車輛的反射波，因此，RTMS微波車檢器安裝在路側做交通數據采集時，能夠解決一部分的大車遮擋問題，這是RTMS微波車檢器的獨特優勢。l EISl EISEIS大車遮擋情況下檢測正是基于微波的上述特性，RTMS能夠可靠的探測到檢測區域內的金屬物體存在，而不受大型車輛、非金屬物體、行人的干擾。2.4 微波覆蓋區域微波雷達檢測器的覆蓋區域是一個橢圓形的微波投影區，最大檢測范圍為：（以G4為參考）仰角投影寬度 50 度方位角投影寬度 12 度范圍 0 至 76米2.5 微波探測能力最大可

11、檢測的車道數目不少于12個。車道的寬度可以由用戶以200毫米的步進進行調整。l車道寬度：2-7米l探測時間：用閉路連接器時，時間間隔10毫秒。持續時間可編程控制在30毫秒到3秒之間。l采樣周期：以10秒為間隔，最大可達600秒。2.6 微波檢測原理RTMS接收到微波投影區域內各種表面的連續不斷的回波, 如人行道, 柵欄, 車輛以及樹木等。在每一個微波層面內的固定物體回波信號將形成背景閾值, 如果回波信號的強度高于該微波層面的背景閾值，則表明有車輛存在?；夭ㄐ盘柋尘伴y值車輛護欄車輛車輛 微波區域內的回波信號在RTMS設置時，“背景獲取”可在30秒內完成。在正常使用時也會經常調節。例如，來自停止車

12、輛的回波信號在30分鐘內成為背景，檢測將被終止，車道對應的輸出開關將被釋放。相反的, 當車輛離開時，背景閾值會很快降至初始狀態，新的背景閾值在30秒內形成。最強的回波信號來自車輛的垂直表面的反射，水平表面(如車頂)將散射微波，回波信號較弱。接收到的回波信號的強弱取決于車輛的反射面，實際接收信號是多重反射信號的總和。有時來自各處的信號可能不是同一相位而導致信號會低于閾值，此時短暫的低電平信號稱為零信號。為避免由零信號產生的誤判，RTMS對信號處理時引入一個參數“擴展延遲時間(EDT)”， 持續時間短于EDT的零信號將被忽略。閾值和EDT是兩個參數, 當操作模式選定后其默認值也就設置了。通過參數設

13、置可以優化檢測器的運行。2.7 RTMS的工作流程上文介紹了RTMS微波車檢器的基本情況，接下來我們再說說RTMS是如何工作的。2.7.1 微波波束、層面與微層面RTMS G4在微波束的發射方向上以0.38米為一層面分層面探測物體，RTMS G4微波束的發射角為50度，方位角為12度。安裝好以后，它向公路投影形成一個可以分為254個層面的橢圓形波束。它可以測量微波投影區域內目標的距離，通過距離來實現對多個車道靜止車輛和行駛車輛的檢測。系統不但可以自動識別并劃分微層面來定義檢測區域，而且用戶可以手動調整微層面，以使得檢測區域能夠在一個精細的范圍內進行調整：Ø 使檢測區域和車道、或車行線

14、路非常契合；Ø 有效屏蔽中央隔離帶、防眩光板、交通設施帶來的影響；2.7.2 RTMS的工作過程首先，RTMS在通電開機后自動進行背景學習，接收天線檢測到路面的回波信號后，會根據回波信號的強弱自動生成背景閾值。當有車輛經過檢測斷面時，由于車輛近側面回波信號強度高于背景閾值，則判斷該車輛所在車道有目標存在。目標車輛駛離檢測區域，車檢器接收的回波信號恢復到背景閾值以下，等待下一次檢測，同時將車流量、時間占用數據記錄到檢測器內部的緩存中，待記錄周期結束后輸出結果。RTMS的工作狀態就是以一個較高的頻率重復上述的工作過程：X3在高速公路/快速路應用中采樣頻率是5次/秒，在城市路口應用中的采樣

15、頻率是1次/秒；而采用陣列雷達天線技術的G4的采樣周期則高達800次/秒。RTMS工作示意圖如下。車輛經過檢測區域時，RTMS會采集到車輛的車頭、車身、車尾的多個數據。得益于超高的探測頻率，以及0.38米的雷達分辨率，RTMS能夠適應5-250Km/h的車速范圍，在車輛緩行甚至交通擁堵的情況下，RTMS依舊可以正常工作。三、 RTMS的功能與特性3 3.1 性能微波雷達檢測器是一個實時再現的檢測器，設備適合安裝在路邊的立桿或橫跨路面的結構上，并提供以下功能：l 再現在檢測區域內運動或停止的車輛l 按用戶所設定的數據周期（范圍從10至600秒）提供交通數據，并可以通過串行通信線傳輸到其它設備。l

16、 交通數據必須和代表每一個檢測車道的對線開關同步。l 在路邊側向模式中，12個車道中每個車道的數據必須包括以下內容：1) 車流量2) 車道占有率3) 平均速度4) 有4個由用戶所定義的車輛長度分級l 微波雷達檢測器安裝在橫跨結構上（前方正向模式），必須監測單獨一條車道并提供以下交通數據：1) 車流量、占用率、平均速度和車輛行駛方向2) 每一車輛的速度、行駛方向和長度3) 分級范圍內的統計車流量,多達7個速度分級和7個長度分級l 微波雷達檢測器允許用戶定義傳送數據的內容l 微波雷達檢測器通過串行數據提供遠程電源電壓指示（包括電池）3.2 測量精確度檢測器可以實時檢測到通過檢測區域的車輛，精確度可

17、達95%以上。根據不同的使用模式、符合要求的安裝條件，設備可以達到以下精確度：指標 側向錯誤率 正向錯誤率車輛通過再現 +/-5% +/-2%車流量 +/-5%+/-2%車道占用率 +/-5%+/-2%平均速度 +/-10% +/-2%每一車輛速度 不提供 +/-2%行駛方向 不提供+/-5%長度分級 +/-10% +/-10%采樣間隔10ms10ms3.3 機械性能微波檢測器封裝在一個結實的密封防水盒中，可以抵抗90公里/小時的風速，可以暴露在潮濕或充滿粉塵的空氣中（NEMA 3R型外殼）。尺寸: 24x16x18.5 厘米 （9.5 x 6.25 x 7 英寸）重量: 2.2公斤（5 磅）

18、安裝配件必須使用鍍鋅鋼、不銹鋼或鋁結構,使其可以支持20磅的重量。安裝配件包括一個球形連接器或其它允許使用的機械結構，設備可以向兩個坐標軸傾斜并固定，以達到最佳的覆蓋區域。3.4 電氣性能微波檢測器的工作電壓為12-24VAC/DC，功耗不超過4.5瓦，或95-135VAC60Hz。電源可以由控制器集線盒上的電源變壓器提供，或任何其它可供使用的電源設備。微波檢測器內置電源管理器，允許遠程關機和周期性關機。設備還具有低電壓和高電壓斷電保護功能，以保護電池。3.5 無線數字擴頻射頻調制技術指標射頻原理 無線跳躍擴頻頻帶 902-928MHz ISM 頻帶工作模式 侍動或中繼操作跳頻模式 64 模擬

19、隨機可選序列發射功率 1mW, 10mW, 100mW or 1W 可選天線 內置鞭狀天線或外部鞭狀波道式天線工作距離 可達3.0公里，由發射功率、天線和可視距離決定校驗碼 CRC-16網絡編址 最大值65535 地址碼加密組合 可達65535種組合接口 異步接口,AT命令集,隱式數據集無委標準 FCC 標準第15部分認可。許可在美國使用溫度范圍 -45° 至 +70° C附加電源消耗正常工作條件下 1W3.6 RTMS標準安裝RTMS的標準安裝如下圖所示。RTMS通信方式便捷且公開通信協議，方便與具體集成系統配套,便于用戶二次開發軟件。輔助機箱:· RS-232

20、 連接器· 變壓器· 可選調制解調器交流電RTMS的標準安裝3.7 可靠性MTBF(平均無故障間隔時間)90000小時（10年）四、 數據連接及通信4 4.1 電纜一條帶MS端接頭的電纜連接微波雷達檢測器和集線設備。電纜為微波雷達檢測器提供電源，輸出串行數據和每一個車道的對線開關，電壓可達300V AD/DC 100mA。一個接線盒或集線盒用于放置數據接頭，接線盒必須放置在所檢測車道的可視范圍內，以方便設備的原始設置或以后改變參數。電纜是UV-阻抗，型號AWG#20或#22的雙絞線，具有耐壓300V和耐105o C高溫的保護層。所有電源線、對線開關和串行端口線都是相互絕緣的

21、。電源線和串行端口線都在設備內有峰涌保護裝置。4.2 數據通信接口數據通信為全雙工的異步通信方式，支持TSS的NTCIP協議1209。它的設置如下: Opto-隔離 RS485 或 RS232，端口波特率2400-115200。數據格式是標準的二進制NRZ 8位數據、1停止位、無奇偶校驗。同時支持點對點和多點聯接?？梢赃x擇使用一個整合數字擴頻無線調制解調器。可以選擇使用以太網 (TCP/IP)協議。五、 RTMS系統的應用RTMS（遠程交通微波雷達檢測器）利用原有的立桿進行安裝（路燈立桿，CCTV立桿等），并按照一定交通檢測基站所需要的密度懸掛RTMS和調制解調器集線盒。交通數據通過調制解調器

22、傳送到已有的光纖網絡，并送回快速路管理中心。管理中心的FTMS（Free Traffic Management System高速公路管理系統）軟件負責對交通數據進行分析，報告，存檔和事故分析。RTMS系統以微波雷達車檢技術為核心，提供一個多用途、容易實施的公路交通管理系統和事故自動監測系統。每30秒鐘將實時收集到的交通數據傳送到總控中心。每一個VDS（交通監控點）提供流量、占有率、平均速度、長車流量數據，并監控3-4車道，交通數據通過調制解調器連接現有光纖網絡，接到管理中心的控制計算機?？刂朴嬎銠C通過光纖網絡一次性收集所有區域信息。它的任務是收集所有區域信息并進行存檔、分析、實時檢測出交通事故

23、。六、 RTMS的技術分析通過上述對于RTMS的技術分析來看，雙雷達車輛檢測器是目前市場上RTMS產品的主要競爭對手，在這里首先分析一下雙雷達技術：雙雷達檢測技術主要是針對數字單雷達產品比較難以克服單車速度測量的問題而研發的，其解決速度問題的思路在于：從微波車檢器探頭發射出發出兩個夾角極窄的波束，然后接收這兩個非常窄的波束的回波（有工具軟件幫助調整探頭垂直車道），這樣能在車道上形成前后兩個檢測點，“模擬”出每個車道上兩個線圈的檢測環境。后線圈前線圈立柱線圈檢測器前線圈后線圈我們來對比一下線圈檢測器的前后線圈和微波檢測器模擬的“前后線圈”。但是，因為數字雙雷達微波檢測技術還是基于兩個數字單雷達收

24、發系統，雷達的性能本身并沒有得到質的提高，這導致在實際的使用過程當中，很容易出現下述很難從雷達技術層面解決的問題：l 在道路車流量相當的情況下，雙雷達微波檢測技術無法保證精確地測量車輛同一個位置進入第一波束（前線圈）和第二波束（后線圈）的時刻，導致測速的不準確。微波束是從路面的側上方發射出來，那么意味著除了離微波車檢器最近的一個車道以外，在車輛數相當的情況下，其他的每個車道都或多或少地有遮擋的問題。當一輛車被完全或部分遮擋，這輛車的同一個位置進入雙雷達微波車檢器的第一波束（前線圈）和第二波束（后線圈）的時間間隔會嚴重失真（有時根本就沒有進入第二束波），這樣導致測速不準。只有當道路上僅有一輛車通

25、過時或很小流量的情況下“雙雷達”微波車檢器才有可能做好。l 線圈檢測原理中的前、后線圈之間的距離是恒定的，但是因為“雙雷達”微波車檢器安裝在一個無法保證絕對穩定的立桿上，各種因素會導致第一波束（前線圈）和第二波束（后線圈）之間的間距會產生變動，引起誤差。當“雙雷達”微波車檢器稍有向側面偏移時（在實際工程中因為風、震動、安裝支架松動或者撞擊等諸多因素，這種情況無法避免），或車輛做變線行駛時，“雙雷達”微波車檢器的兩個接收波束之一或全部收不到反射信號，或者說第一波束（前線圈）和第二波束（后線圈）之間的間距發生了改變，間距不再恒定了，因此其檢測單車速度會出現明顯偏差。而且，現在市面上出現的“雙雷達”

26、微波車檢器并沒有真正使用兩個雷達單元，只是用一束雷達波的兩個副波瓣來“模擬”出兩個雷達單元的效果：并且這種“雙雷達”微波車檢器被迫極度收窄信號發射方位角、增大信號射角、提高發射功率和增大帶寬來使得雷達的副波瓣能夠工作，顯而易見帶來的一系列問題是無法解決的。從原理上來說，其在某個大型城市應用的所有設備出現了雨雪天氣不能正常提供數據、車輛較多時速度精度反而下降、車型分類偏差較大和功耗高等問題從技術角度來說難以克服。RTMS和“雙雷達”設備對比表參數“雙雷達”設備RTMS備注測速原理“模擬”“雙線圈”Dwell速度算法DSP速度算法占有率速度算法1、 在道路車流量相當的情況下，“雙雷達”微波車檢器無

27、法保證精確地測量車輛同一個位置進入第一波束（前線圈）和第二波束（后線圈）的時刻，導致測速的不準確。2、 線圈檢測原理中的前、后線圈之間的距離是恒定的，但是因為“雙雷達”微波車檢器安裝在一個無法保證絕對穩定的立桿上，各種因素會導致第一波束（前線圈）和第二波束（后線圈）之間的間距會產生變動，引起誤差。3、 這說明“雙雷達”微波車檢器無法全部套用線圈車檢成熟的測速原理。信號射角65°50°垂直射角越大，多路徑反射的可能性就越大。比如在高速公路環境下，路側設置有護欄、隔音墻和防護網，在信號射角較大的情況下，這些設施對雷達波的反射就很有可能進入微波接收單元，導致誤檢測、計數精度降低。

28、最小后退距離1.8米0米RTMS的后退距離可以更短，甚至無后退距離。這項指標反映的是RTMS雷達的重要參數分辨率更高。信號方位角7°12°“雙雷達”設備的水平信號方位角過于狹窄，這會導致兩個問題：1、 要求其“雙雷達”設備必須和路面高度垂直對準，甚至他們人工對準還不足夠，必須借用額外的工具來幫助對準；2、 如果因為風或者其他干擾因素導致設備晃動或者位置稍微偏移，那么精度馬上降低。設備維護難度相當大。檢測范圍1.8-76米0-76米檢測車道越多，距離更遠檢測車道數1012功耗8瓦3瓦RTMS系列產品絕對的低功耗優勢，綠色環保，而且能低成本地大規模使用太陽能供電和無線傳輸等方式

29、?！半p雷達”設備功耗高的后面，是技術的落后：1、 “雙雷達”微波車檢器的微波信號源是通過對6GHz的晶振源做4倍的倍頻得來的，而使用倍頻放大器增加了能量消耗。“雙雷達”微波車檢器比RTMS的功耗高兩倍以上。2、 為支持不必要的高帶寬，消耗了更多的能量。AIO模式無有RTMS具有獨特專利技術的“ALL-IN-ONE”模式傳輸信號帶寬245M50M由于受FCC規則限定，“雙雷達”微波車檢器被迫降低了100倍的發射功率，這使得其信噪比比較低，因而它必須大幅提高其發射帶寬以彌補其因為信噪比較低而帶來的分辨率的降低。“雙雷達”微波車檢器目前的帶寬是245MHz，是RTMS的5倍多。此帶寬有如下問題：l 不能滿足歐洲標準的100MHz帶寬限制，因為高帶寬意味著高干擾；l 所以相較RTMS，它的高帶寬容易受到外界頻率源的干擾；l 消耗更多的能量；RTMS帶寬較窄，抗干擾能力強。RTMS產品利用精巧的DSP信號處理技術使得其分辨率在50MHz帶寬下達到了驚人的0.38米。甚至還可以將帶寬提高一倍到接近100MHz，在滿足歐洲標準的范圍內進一步將分辨率提高到不可思議的水平。顯而