Способ измерения скорости движения транспортного средства

 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в системах контроля и управления движением транспортных средств. Техническим результатом является измерение скорости отдельного транспортного средства, движущегося в потоке. Для решения этой задачи транспортное средство (ТС), движущееся в потоке, предлагается облучать в направлении, перпендикулярном направлению движения, и использовать эффект Доплера для протяженного объекта. Облучая боковую поверхность ТС радиолокатором с узконаправленной антенной, обеспечивающей облучение только ее части, последовательностью импульсов, формируя квадраты огибающих отраженных импульсов и зная значение размера апертуры антенны, по ширине спектра временной реализации квадратов огибающих отраженных импульсов, полученной за время прохождения ТС главного лепестка антенны, получают оценку скорости движения отдельного транспортного средства, движущегося в потоке. 1 ил.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для измерения скорости движения транспортных средств, в первую очередь автомобильных, как одиночных, так и движущихся в потоке, а также в системах контроля и управления движением транспортных средств (ТС).

Сущность изобретения: транспортное средство облучают в направлении, перпендикулярном направлению движения ТС, боковую поверхность ТС облучают последовательностью радиолокационных импульсов в течение времени его пересечения главного лепестка антенны, формируют квадрат огибающей каждого принятого импульса, по ширине спектра временной реализации квадратов огибающих принятых импульсов на основании эффекта Доплера для протяженных объектов оценивают скорость ТС, движущегося в потоке.

Для измерения путевой скорости одиночного объекта возможно облучение его импульсным сигналом и измерение промежутков времени между передним и задним фронтами принятого отраженного импульса при использовании заданного закона сканирования лучом антенны (смотри: Часнык К.А. "Способ определения путевой скорости объекта", Патент SU 1807429 A1 от 07.04.93, N 13, G 01 S 13/58).

Традиционный способ измерения скорости ТС с помощью радиолокации основан на использовании эффекта Доплера, заключающегося в смещении спектра отраженного сигнала относительно излученного. При этом ТС облучается или непрерывным, или импульсным когерентным сигналом, а измеренной является радиальная относительно направления излучения компонента скорости ТС (смотри: "Теоретические основы радиолокации", под редакцией Я.Д.Ширмана, "Сов. радио", М., 1970 г.).

Наиболее близким к заявляемому способу является способ измерения скорости движения автомобильного транспорта с использованием РИС с непрерывным излучением (смотри: Справочник по радиолокации, под ред. М.Сколника, М., "Сов. радио", 1979 г., Т. 3, гл. 4, раздел 4.9, стр. 253).

Полоса дорожного движения облучается по его направлению непрерывным когерентным радиолокационным сигналом и формируется доплеровский спектр сигнала, отраженного от всех облучаемых ТС. Доплеровский спектр сигнала носит линейчатый характер, каждая частота в котором соответствует скорости отдельного ТС, и в нем, как правило, выделяется только спектральный пик с максимальной частотой, соответствующий ТС, движущемуся с максимальной скоростью. При этом расстояние до этого ТС не измеряется либо измеряется по очень грубой шкале: дальний, средний или ближний рубеж. Ограничением такого способа измерения является невозможность идентификации спектрального пика с максимальной частотой (максимальной скоростью) с ТС, движущимся в потоке с этой скоростью (она решается, как правило, визуально с помощью инспектора дорожного движения), а также невозможность измерения скорости движения всех ТС, движущихся в потоке, по отдельности. Одновременно с этим свой вклад в частотный спектр дают и ТС, движущиеся в противоположном направлении.

Задачей изобретения является измерение скорости отдельного ТС, движущегося в потоке.

Эта задача решается путем ориентации направления излучения РИС перпендикулярно направлению движения ТС. Ширина главного лепестка антенны должна быть такой, чтобы в заданном диапазоне расстояний до ТС размер облучаемой области был меньше размера боковой поверхности ТС.

Ширина луча определяется длиной волны и размером апертуры антенны РИС. При пересечении ТС главного лепестка антенны его боковая поверхность облучается последовательностью радиолокационных импульсов с требуемыми параметрами. Импульсный характер радиолокационного сигнала обеспечивает возможность измерения на требуемом расстоянии и при заданной разрешающей способности по дальности, что исключает влияние на отраженный сигнал ТС, движущихся в попутном и встречном направлениях. Диапазон однозначного измерения скорости определяется частотой повторения импульсов.

Таким образом, выбранная ориентация направления излучения, узкий луч антенны и импульсный характер сигнала обеспечивают условия для измерения скорости только отдельного ТС, движущегося в потоке.

За время пересечения луча антенны, имеющего конечную (не нулевую) ширину, разные части облучаемой боковой поверхности ТС имеют разную радиальную скорость относительно направления главного лепестка антенны. При этом одна и та же часть боковой поверхности, попадающая в область главного лепестка, имеет переменную скорость, меняющуюся от нулевого значения - при пересечении центральной оси антенны до некоторого максимального - на краю главного лепестка. Разность радиальных скоростей разных частей боковой поверхности в зависимости от их взаимного расстояния также изменяется от нуля до некоторого максимального значения, определяемого размером облучаемой части боковой поверхности и скоростью движения ТС.

Для обеспечения условий интерференции сигналов, отраженных от разных частей боковой поверхности ТС, попадающей в данном импульсе в главный лепесток антенны РИС, формируют квадрат огибающей (интенсивность) каждого принятого импульса, равный сумме квадратов квадратур сигнала на выходе приемного тракта. Тогда временная реализация квадратов огибающих отраженных импульсов оказывается модулированной по частоте по сложному закону с некоторой максимальной частотой, по значению которой можно измерить скорость ТС. Для получения оценки этой частоты необходимо сформировать спектр этой временной реализации, который является функцией разностных доплеровских частот, имеет колоколобразный по интенсивности характер, имеющий по амплитуде максимальное значение при нулевом значении частоты и спадающий до нуля на некоторой максимальной частоте. Разумеется, из-за конечности временного интервала преобразования у спектра будут и боковые лепестки, амплитуду которых можно уменьшить путем весовой обработки сигнала, либо проводя оценку ширины спектра по некоторому заданному уровню, вводя соответствующие поправки в оценку скорости ТС. Этот эффект допускает интерпретацию и в рамках теории обратного апертурного синтеза и является проявлением эффекта Доплера для протяженного объекта (смотри: Манукьян А.А. "Обобщение метода обратного апертурного синтеза на случай произвольно вращающегося объекта", "Радиотехника и электроника", 1982 г., Т. 27, N 7, стр. 1309).

Таким образом, измерение скорости отдельного ТС, движущегося в потоке, обеспечивается за счет уширения спектра временной реализации интенсивности отраженного радиолокационного сигнала при перпендикулярном относительно направления движения облучении ТС с помощью РИС, имеющего узконаправленную антенну.

Для обоснования работоспособности заявляемого способа приведем более подробное его теоретическое описание.

Из литературы известно (смотри предыдущую ссылку), что при вращении малоразмерного, но протяженного объекта, отражение от поверхности которого может быть описано в модели жестко закрепленных на ней блестящих точках (БТ), при облучении его с помощью ненаправленной РЛС когерентным узкополосным сигналом может быть сформирован когерентный доплеровский портрет объекта, в котором отдельные БТ будут разрешены по доплеровским частотам, обусловленным вращением объекта вокруг центра масс и его движением по траектории f_j= 2·L_j·ω/λ, (1) где f_j - доплеровская частота j-ой БТ относительно фазового центра объекта; L_j - расстояние j-й БТ от фазового центра; ω - видимая угловая скорость вращения; λ - длина волны излучаемого сигнала.

Путем формирования спектра S(f) реализации интенсивности отраженного сигнала принятой на интервале времени T, и построения некогерентного доплеровского портрета: где в случае посылки импульсов вместо интеграла следует брать сумму по всем принятым импульсам, являющегося при условии хорошего разрешения автосверткой когерентного доплеровского портрета, возможно попарное разрешение БТ по разностным доплеровским частотам: f_j-f_k≡ Δf_jk= 2·ΔL_jk·ω/λ (3) где ΔL_jk - разностное расстояние между j-ой и k-ой БТ (смотри: Манукьян А.А. "Определение координат локальных неоднородностей на поверхности объекта по многочастотной амплитудно-фазовой диаграмме обратного рассеяния при наличии фазовых искажений", "Радиотехника и электроника". 1994 г., N 1, стр. 81).

При облучении радиолокационным сигналом с длиной волны λ боковой поверхности ТС в направлении, перпендикулярном направлению движения, с помощью РИС, имеющего антенну с шириной луча λ/D, размер L_обл. облучаемой части боковой поверхности на расстоянии R равен
L_обл= R·λ/D.
При выборе длины волны сигнала в миллиметровом диапазоне, например 8 мм или 3 мм, поверхность ТС можно полагать шероховатой, описывая отражение от нее в модели жестко закрепленных БТ. В этой модели можно также описывать и сигнал, отражаемый от деталей поверхности, таких как ручки, бамперы, накладки и тому подобное. При гладкой, но имеющей некоторый радиус кривизны поверхности с БТ могут быть идентифицированы участки поверхности с размером (радиусом корреляции), равным 2-м - 3-м длинам волны, отражение от которых можно считать независимым.

Тогда БТ, попадающие в главный лепесток антенны, движущиеся со скоростью V в направлении, перпендикулярном направлению облучения, обладают мгновенным вращением относительно фазового центра антенны с угловой скоростью ω, равной V/R, и каждая из них имеет доплеровскую частоту f_j, равную 2·L_j·V/(R·λ). Различные пары БТ, сменяя друг друга при прохождении облучаемой области, дают в каждом импульсе независимый вклад в отраженный сигнал, что приводит к усреднению спектра. Очевидно, что максимальное значение разностной доплеровской частоты определяется БТ, находящимися на максимальном расстоянии в пределах области, облучаемой главным лепестком антенны. Это расстояние, очевидно, равно R·λ/D, так что максимальное значение разностной доплеровской частоты равно
Δf = K·2·V/D, (5)
где коэффициент К является безразмерной величиной порядка единицы и учитывает форму апертуры (для круглой К=1,2) и уровень, по которому определяется ширина спектра. Этот уровень нецелесообразно брать ниже уровня боковых лепестков антенны, который для некоторых разработок антенны может достигать значений порядка 18-25 дБ.

Из последнего соотношения следует основное выражение для оценки скорости движении отдельного ТС заявляемым способом:

Аналогичный результат можно получить, выделив первый член разложения по времени в разности фаз сигналов, отраженных от БТ, находящихся на максимальном расстоянии друг от друга в пределах облучаемой части боковой поверхности ТС, много меньшей расстояния до РИС, и движущихся со скоростью V в направлении, перпендикулярном направлению излучения.

Таким образом, оценка скорости движения отдельного ТС определяется шириной спектра интенсивности временной реализации отраженного сигнала и конструктивным параметром - размером апертуры антенны D.

Выбор размера апертуры антенны можно произвести с точки зрения оптимизации относительной точности измерения скорости заявляемым способом. Можно показать, полагая, что шумовая точность измерения частоты определяется общим временем облучения всей боковой поверхности при прохождении ее мимо узкого луча антенны, что относительная точность измерения скорости на данном расстоянии имеет минимум при некотором оптимальном значении апертуры. Это оптимальное значение апертуры пропорционально длине волны, расстоянию, на котором производится измерение, и обратно пропорционально общей длине ТС. При этом оказывается, что относительная точность измерения скорости на меньших расстояниях (при использовании апертуры, оптимальной для большего расстояния) меньше этого минимального значения. Иными словами, задавшись максимальным расстоянием R всего рабочего диапазона расстояний и общей длиной ТС, скорость которых предстоит измерять, и выбрав оптимальный размер апертуры, можно гарантировать относительную точность измерения скорости во всем диапазоне расстояний не хуже заданной величины. Так, для длины волны 3 мм и общей длины ТС, равной 4 м, в диапазоне расстояний до 40 м можно обеспечить относительную точность измерения скорости заявляемым способом не хуже 2% при использовании антенны диаметром 12 см.

Выбор параметров импульсного режима сводится, в основном, к выбору длительности отдельного импульса, мощности излучения в импульсе и частоты повторения импульсов.

Для обеспечения малой разрешающей способности по дальности (порядка 3-х - 4-х метров) нецелесообразно использование ЛЧМ или ФКМ модуляции в импульсе, так как это приведет к необходимости задания достаточно большой его временной длительности, что сделает минимальное расстояние излишне большим. Поэтому целесообразно выбрать гладкий немодулированный по частоте импульс длительностью порядка 15 нс - 30 нс. Тогда разрешающая способность отдельного импульса по дальности будет равна 2,25 м - 4,5 м, а минимальное рабочее расстояние, с учетом запаса на боковые лепестки, будет порядка 10 м. Управляя положением приемного строба можно обеспечивать прием отраженного сигнала с требуемого расстояния. Сигнал может считаться принятым в случае превышения его амплитудой заданного порога по шумам, рассчитываемого по стандартным правилам.

Минимальная частота повторения импульсов должна быть выбрана по критерию Найквиста из соображений однозначного воспроизведения спектра с максимальной частотой по дискретной выборке. Эта величина для апертуры D, равной 12 см, максимальной скорости движения ТС, равной 60 м/с, и с учетом использования квадратов огибающих импульсов равна 2000 Гц. Однако для лучшего воспроизведения спектра целесообразно значение частоты повторения выбирать с 4- - 5- кратным запасом, т.е. порядка 10000 Гц, что технически является вполне реализуемым.

Мощность излучения в отдельном импульсе выбирается по стандартным соотношениям (смотри: Современная радиолокация, М., "Сов. радио", 1969 г., гл. 2, раздел 2.1, стр. 16.). Из требования на отношение сигнал/шум 15 дБ по объекту с ЭПР=1 кв.м на расстоянии R=50 м при длине волны 3 мм, коэффициенте шума, равного 5, длительности гладкого импульса 15 нс и диаметре круглой апертуры 12 см требуемая излучаемая мощность в импульсе должна составлять не менее 40 мВт, что является технически вполне реализуемым, а с учетом импульсного режима излучения приводит к резкому снижению, по сравнению с существующими измерителями скорости, средней излучаемой мощности.

Для получения спектра целесообразно использование спецвычислителя быстрого преобразования Фурье (БПФ). Для уменьшения цены деления по частоте и, как следствие, аппаратурной ошибки в определении ширины спектра, обусловленной дискретностью сигнала, целесообразно добавление нулевых отсчетов к значениям квадратов огибающих импульсов, цифровые значения которых можно получить с помощью аналого-цифровых преобразователей, стоящих на выходе приемного устройства.

Техническим результатом изобретения является измерение скорости отдельного транспортного средства, движущегося в потоке.

Результаты измерений могут быть переданы с РИС по радиолинии на контрольный пункт.

На чертеже показаны схема взаимного расположения транспортного средства и радиолокационного измерителя скорости, а также ориентация направления излучения главного луча антенны, на котором L_ТС - длина ТС, L_обл. - область боковой поверхности, облучаемая главным лепестком, D - размер апертуры антенны, V - направление вектора скорости.

К преимуществам предлагаемого способа измерения скорости транспортного средства можно отнести резкое снижение среднего уровня облучения ТС за счет уменьшения расстояния, на котором производится измерение скорости, а также за счет использования импульсного режима излучения; скрытность и помехозащищенность измерителя от активных и пассивных антирадаров; снятие проблемы идентификации результатов измерения и транспортного средства; снятие требования на когерентность излучаемого сигнала, что резко упрощает требования к радиолокационной аппаратуре в части стабильности частоты генератора и фазовых характеристик трактов, а также исключает влияние фазовых искажений на трассе распространения.

Заметим, что при использовании заявляемого способа измеряемая скорость относительно направления излучения радиолокатора является тангенциальной компонентой скорости объекта, которую, при традиционном подходе, в случае малоразмерного объекта можно измерять или в единичном замере скоростей только при использовании нескольких позиций, или за счет длительного сглаживания временной реализации единичных замеров радиолокационных координат (дальности, углов и, иногда, радиальной скорости) при заданной модели траектории.

Предлагаемый способ измерения скорости может быть также использован для измерения скорости любых транспортных средств на малых расстояниях, например, в метрополитене, железнодорожном и водном транспорте, для измерения скорости посадки и взлета самолетов и их взаимной скорости при движении в тесном строю, для измерения скорости движения автомобиля в автомобильных системах предотвращения столкновений, для измерения скорости движения непрерывных сред.

Формула изобретения

Способ измерения скорости движения транспортного средства, при котором транспортное средство облучают радиолокационным сигналом и используют эффект Доплера, отличающийся тем, что транспортное средство облучают в направлении, перпендикулярном направлению движения, за время пересечения транспортным средством главного лепестка антенны с размером апертуры D его боковую поверхность облучают последовательностью радиолокационных импульсов, формируют квадрат огибающей каждого отраженного импульса, по ширине спектра Δf временной реализации квадратов огибающих отраженных импульсов на основании эффекта Доплера для протяженных объектов оценивают скорость движения отдельного транспортного средства, движущегося в потоке, по формуле

где K - коэффициент, учитывающий форму апертуры антенны и уровень, по которому определяется ширина спектра.

РИСУНКИ

Рисунок 1